乌兰布和沙漠光伏电站改变土壤粒径分布与降雨再分配过程

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00166

乌兰布和沙漠光伏电站改变土壤粒径分布与降雨再分配过程

周峻羽^,¹, 常佩静², 王海鹰², 辛智鸣³, 袁子喧¹, 朱文涛¹, 闫玉洁¹, 程一本^,¹

1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083

2.阿拉善盟气候生态环境评估中心，内蒙古阿拉善左旗 750300

3.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古磴口 015200

The Ulan Buh Desert photovoltaic power station alters soil particle size distribution and rainfall redistribution process

Zhou Junyu^,¹, Chang Peijing², Wang Haiying², Xin Zhiming³, Yuan Zixuan¹, Zhu Wentao¹, Yan Yujie¹, Cheng Yiben^,¹

1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China

2.Alxa League Climate Ecological Environment Assessment Center，Alxa Left Banner 750300，Inner Mongolia，China

3.Desert Forestry Experimental Center，Chinese Academy of Forestry，Dengkou 015200，Inner Mongolia，China

通讯作者: 程一本（E-mail： chengyiben@bjfu.edu.cn）

收稿日期: 2025-10-09 修回日期: 2025-12-01

基金资助:

阿拉善盟科技计划项目.  AMKJ2023-17
内蒙古自治区气象局项目.  nmqxywpt202412
国家重点研发计划项目.  2023YFF130420103
国家重点研发计划项目.  2023YFF1305201
国家自然科学基金项目.  U2243202
北京林业大学热点追踪项目.  2023BLRD04

Received: 2025-10-09 Revised: 2025-12-01

作者简介 About authors

周峻羽（1999—），女，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事退化生态系统修复与管理相关研究E-mail：zhoujunyu115@163.com , E-mail：zhoujunyu115@163.com

摘要

为评估荒漠区光伏电站对土壤粒径与土壤含水量变化的影响，本研究在乌兰布和沙漠4个不同运营年限电站内，按板间/板下与表层（0~20 cm）/深层（20~40 cm）布设320个粒度样点，并在典型站点布设5个几何位置（A~E）与2个深度（30/60 cm）的土壤水分传感器，联合板前汇流观测2024年4—11月的土壤水分动态。结果显示：（1）土壤粒径在场址尺度呈中心细、边缘粗格局，上风向板间出现细粒径中心，板下在面板底隙附近出现粗粒径中心。（2）与建站前对照相比，板间/板下的粒径均值总体呈下降趋势（即土壤粒径细化），细砂（100~250 μm）体积分数上升，且板间表层粒径离散程度随运营年限增长降低。（3）光伏板前檐倾斜且板中存在遮挡，导致降雨在前檐聚集，在板下正中间亏损。土壤含水量在光伏板前檐160 cm和前檐正下方浅表处达3.16%~3.22%，高于板下正中间浅表（约1.13%）。（4）表层土壤对降雨脉冲响应敏感，而深层土壤受缓慢渗透支配的影响。研究结果显示光伏电站对土壤粒径的影响具有年限效应，对水分的影响具有位置依赖，建议在站址边缘增设防护带并优化光伏板几何特征与导流设施，以减少外界对土壤粒径侵蚀程度和缓解光伏板板下正中间亏水，提升板前入渗。

关键词： 乌兰布和沙漠 ; 光伏治沙 ; 土壤粒径 ; 土壤含水量 ; 降雨再分配

Abstract

To evaluate the impacts of photovoltaic power stations in desert areas on changes in soil particle size and soil water content， in four PV power stations with different operational durations in the Ulan Buh Desert， a total of 320 soil particle size sampling points were arranged based on the categories of inter-panel/beneath-panel and surface layer （0-20 cm）/deep layer （20-40 cm）. Meanwhile， soil moisture monitor probes were deployed at 5 geometric positions （A-E） and 2 depths （30/60 cm） in a typical station. Combined with the observation of runoff confluence in front of the panels， the soil moisture dynamics were monitored from April to November 2024. The results showed that：（1） At the site scale， the soil particle size presented a pattern of finer particles in the center and coarser particles at the edges. Fine particle size centers appeared in the inter-panel areas of the upwind direction， while coarse particle size centers occurred near the bottom gap of the panels in the areas beneath the panels. （2） Compared with the control before the power stations were built， the mean particle size in both inter-panel and beneath panels areas generally decreased （soil particle size refinement）， and the volume fraction of fine sand （100-250 μm） increased， and the degree of particle size dispersion in the surface layer of inter-panel areas decreases with the increase of operational duration. （3） The panel geometry caused rainfall to accumulate at the front eaves and resulted in water deficiency in the middle of the panels. The soil water content at 160 cm in front of the PV panels and directly below the front eaves in the surface layer reached 3.16%-3.22%， which was higher than that in the middle of the panels in the surface layer （about 1.13%）. （4） The surface soil was sensitive to rainfall pulses， while the deep layer was dominated by slow infiltration. The study suggests that the impacts of PV power stations for photovoltaic sand control on soil particle size exhibit a duration-dependent effect， while their impacts on soil water show a position-dependent characteristic. It is recommended to add protective belts at the edges of the station sites and optimize the panel geometry and flow diversion facilities， so as to reduce the degree of soil particle size erosion caused by external factors， alleviate water deficiency in the middle of the panels， and improve infiltration in front of the panels.

Keywords： Ulan Buh Desert ; photovoltaic sand control ; soil particle size ; soil water content ; rainfall redistribution

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本文引用格式

周峻羽, 常佩静, 王海鹰, 辛智鸣, 袁子喧, 朱文涛, 闫玉洁, 程一本. 乌兰布和沙漠光伏电站改变土壤粒径分布与降雨再分配过程. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 251-262 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00166

Zhou Junyu, Chang Peijing, Wang Haiying, Xin Zhiming, Yuan Zixuan, Zhu Wentao, Yan Yujie, Cheng Yiben. The Ulan Buh Desert photovoltaic power station alters soil particle size distribution and rainfall redistribution process. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 251-262 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00166

0 引言

中国可再生能源产业快速发展，以光伏电站为代表的清洁能源已成为能源结构转型与“双碳”目标推进的核心支撑^［1］。然而，太阳能资源受气候环境条件制约^［2］，空间分布呈现明显地域性差异^［3］。荒漠、戈壁日照时间充足、光照强度高且太阳辐照度稳定^［4］，成为集中式光伏电站的优势区位^［5］，但这些地区原生植被覆盖率低、土壤贫瘠且生物多样性匮乏^［6］，属于典型生态脆弱区^［7］，当前更面临人类活动强度增加与全球气候变化的双重胁迫^［8］。

集中式光伏电站通过大范围地表覆盖，改变地表形态，不仅直接重构地表物理结构^［9］，更通过调控能量交换、水分分配等过程影响局地小气候^［10-11］，进而对区域生态系统产生多维度影响^［12］。研究表明，干旱区大型光伏电站的阻挡作用可有效削弱地表风速，防止土壤侵蚀^［13］。此外，光伏阵列可通过遮荫效应实现局地降温增湿作用^［14-15］。还有研究表明，光伏板可通过减少蒸发、调控降雨再分配实现保水增湿效应^［16-17］，提高土壤含水量^［18］，为沙漠地区植被恢复提供了有利条件^［19］。需要注意的是，在施工期的大规模土地平整会破坏原生生物土壤结皮，导致土壤抗蚀能力下降^［20］，加剧土壤风蚀或水蚀风险，并对土壤依赖型动植物群落的生存环境造成不利影响^［21］，但在沙漠、戈壁和荒漠地区，因地表以流沙或裸地为主，光伏电站对土壤植被系统的扰动程度相对较低^［22］。因此，厘清光伏电站对干旱区生态环境产生的直接与间接作用途径^［23］，量化其产生生态环境效应的时空分异特征^［24］，可为沙漠光伏电站的生态规划提供科学依据。

荒漠地区光伏电站及其配套固沙措施改变了地表特征，但其对土壤粒径的侵蚀抑制作用和光伏板降水再分配规律仍缺乏持续观测和研究。为明确光伏电站在防风固沙方面的效果和光伏板对降水的再分配作用，揭示光伏电站的建立对土壤生态系统长期演变的潜在影响，本研究将明晰以下内容：①分析各光伏电站土壤粒径改善效果，揭示光伏电站表层土壤粒径的分布规律，探究光伏电站板间、板下以及表层、深层土壤粒径的变化，并分析变化原因。②研究光伏板的降水再分配特征，量化光伏板几何特征对不同深度水分空间分布的影响，探讨降水季节性变化对土壤含水量的动态影响。该研究有助于指导沙漠地区光伏电站的规划和建设，为实现生态保护和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县西部乌兰布和沙漠（40°09′—40°57′N，106°09′—107°10′E，图1），地势较平坦，主要地貌类型为沙漠，广泛分布固定、半固定和流动低矮沙丘，土壤类型主要为风沙土，土壤流失类型主要为风蚀和水蚀。该地区盛行西北风^［25］，大风是造成土壤侵蚀的主要营力，年均风速4.1 m·s^-1［26］，年降水量为100~140 mm，降水集中在7—8月，约占全年降水量的60%，冬春季雨、雪稀少，仅占年降水量的10%。研究区年蒸发量极高，是降水量的10~30倍，且光热资源丰富，年均日照时间超3 200 h，建立光伏电站具有潜在优势^［27］。本研究选取裸沙区域的光伏电站作为研究对象，电站所在小区域受局部地形等因素影响，盛行西南风。电站建设前下垫面为均匀流沙，植被盖度不足3%^［28］。为确保电站的稳定运营和生态环境的改善，电站建设样地经过平整后，均铺设一次草方格并进行滴灌（滴灌3年）。电站内部无特殊人工固沙措施。光伏板全部面向正南方向架设，东西方向布列，电板倾角为40°。

图1

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图1 研究区地理位置及电站内采样点位置

注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Geographic location of the study area and location of sampling points within the power stations

2 数据与方法

2.1　土壤样品采集

本研究对4个光伏电站及其周边进行采样，样本分为对照样和试验样。对照样采集电站周边200 m内、未受电站和人类活动影响的裸沙地0~40 cm深度的混合土样，代表该区域原始土壤质地状态。试验样采集电站内土壤，使用十字形采样法（点位间距约45±8 m），横向、纵向各设10个点位，分别于板下（光伏板正下方）、板间（两光伏板中间）的表层（0~20 cm）和深层（20~40 cm）各采集1包土样。每个电站采集80包土样，4个电站共计320包。采样前后无大降水发生。

2.2　土壤含水量和光伏板前降水量数据采集

在磴口蒙能套海光伏电站中间位置，随机选取独立光伏板作为研究区域安装数据采集器（Datalogger RR-1016），采集时间间隔15 min，土壤水分精度±5%，雨量精度±2%。根据降水分布特征将光伏板分为5个区域：距光伏板前檐380 cm处（A，对照区，不受光伏板影响）、距光伏板前檐160 cm处（B）、光伏板前檐正下方（C）、光伏板下正中间位置（D）以及光伏板后檐处（E，图2），并测量深度为30 cm和60 cm土层的土壤含水量。在C处安装雨量筒收集板前集水量数据。2024年4月1日至2024年11月30日连续观测土壤含水量和降水量数据。

图2

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图2 土壤水分监测仪探头安装位置示意图

Fig.2 Schematic diagram of soil moisture monitor probes installation positions

2.3　粒度分析方法

每包土样称取50 g样品进行风干，筛除大于4 mm砾石，双氧水去除有机质，盐酸去除碳酸盐类物质，蒸馏水去盐，搅拌均匀后取适量样品于Eye Tech激光粒度粒形分析仪中进行测定，仪器为动态光散射原理。每个样品重复测3次，每次获取50个连续粒径尺寸区间土壤颗粒体积占比数据（误差为±2%）。测量完成后，按照美国制土壤分级标准进行分级。粒度测量在中国林业科学研究院沙漠林业实验中心完成。

本实验采用美国制土壤粒径分类标准^［29］：砾石（>2 000 μm）、极粗砂（1 000~2 000 μm）、粗砂（500~1 000 μm）、中砂（250~500 μm）、细砂（100~250 μm）、极细砂（50~100 μm）、粉粒（2~50 μm）、黏粒（<2 μm）。

2.4　研究方法

土壤粒径百分比均值采用3次独立测量数据统计，计算公式为：

\bar{k} = \frac{d_{1} + d_{2} + d_{3}}{3}

（1）

式中： $\bar{k}$ 为土壤粒径百分比均值；d₁、d₂和d₃分别为同一土壤样品的3次测量粒径数据。

用土壤粒径变化程度评估电站内与自然区域土壤粒径（对照样）的差异性，计算公式为：

E_{W} = \frac{{\bar{P}}_{W} - {\bar{P}}_{C}}{{\bar{P}}_{C}} \times 100 %

（2）

式中：E_W为土壤粒径变化程度； $\bar{P}$ 为粒径均值，下标C为对照样，W为位置标识。

以土壤粒度组成侵蚀程度差值，量化电站内表层与深层、自然区域土壤粒度组成差异性，计算公式为：

V_{J} = R_{K} - R_{N}

（3）

式中：V_J 为土壤某一粒度类型的表层与深层/对照样差值；R为表层某一粒度类型所占百分比，下标K、N分别为粒度标识和对比对象。

2.5　数据处理

使用Excel 2019对数据进行整理，并对土壤水分数据进行校正，利用ArcMap 10.8对土样粒径均值数据进行样条函数插值处理，用Origin 2024绘制箱线图、点线趋势图和双y柱状图。

3 结果与分析

3.1　表层土壤粒径空间分异

土壤粒径分布具有空间异质性，电站内土壤粒径主要受风速和光伏板遮挡的影响。分别选择4个电站中间位置的板间和板下表层土样，分析南北、东西方向粒径均值的变化情况。使用ArcMap 10.8对表层粒径均值进行样条函数插值处理，得到板间表层（图3）和板下表层（图4）的土壤粒径均值空间分异规律。

图3

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图3 板间表层土壤粒径均值空间分异

注：h1~h10为横向采样点位置，z1~z10为纵向采样点位置，红框标注为光伏电站中心采样点位置；★为细粒径中心

Fig.3 Spatial variation pattern of mean particle size of inter-panel surface soil

图4

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图4 板下表层土壤粒径均值空间分异

注：h1~h10为横向采样点位置，z1~z10为纵向采样点位置，红框标注为光伏电站中心采样点位置；★为粗粒径中心

Fig.4 Spatial variation pattern of mean particle size of subsurface soil beneath panels

光伏电站的中间位置板间粒径较细，向四周逐渐变粗，且广电投、国电北粮台和国龙鸿蕴均在西南面存在细粒径中心（图3）。

4个电站中间位置板下粒径均较细，与板间表层分布一致，且4个电站板下在西南面均存在粗粒径中心（图4）。因光伏板底部间隙在西南风的影响下形成狭管效应，上风向的风受挤压局部加速，吹走板下的细小土壤颗粒，而较大颗粒积累，形成粗粒径中心。

3.2　土壤粒度均值的变化

从板间表层粒径箱体长度可见（图5），广电投（相差8.04 μm）、国电北粮台（相差10.52 μm）、国龙鸿蕴（相差11.18 μm）、蒙能套海（相差11.78 μm）的箱体长度依次递增，表明光伏电站运营时间越长，板间表层土壤粒径的离散程度（即箱体长度）越低，土壤变异性和不均匀性越小。此外，光伏板不同位置的土壤粒度均值不存在显著差异。

图5

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图5 光伏板不同位置土壤粒度均值箱线图

注：BS、BD、US和UD分别表示板间表层、板间深层、板下表层和板下深层

Fig.5 Box plots of mean soil particle size at different positions of PV panels

光伏板不同位置土壤粒径相较于对照样均细化（图6），且运营时间最长的广电投光伏电站细化程度最深，其板下表层粒径均值相对于对照样减少达12.12%（表1）。同时，板间表层的细化程度略低于板下，板间深层的细化程度略高于板下。

图6

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图6 光伏板不同位置土壤粒径相对于对照的减少百分比趋势

注：E_BS、E_BD、E_US、E_UD分别表示板间表层、板间深层、板下表层、板下深层土壤侵蚀程度（与对照样对比）

Fig.6 Trend diagram of soil particle size reduction percentage at different positions of PV panels relative to the control sample

表1 土壤粒径侵蚀程度百分比

Table 1 Percentage of erosion degree by soil particle size

电站名称	建立时间	${\bar{P}}_{B S}$ /μm	${\bar{P}}_{B D}$ /μm	${\bar{P}}_{U S}$ /μm	${\bar{P}}_{U D}$ /μm	${\bar{P}}_{C}$ /μm	E_BS/%	E_BD/%	E_US/%	E_UD/%
磴口广电投光伏电站	2012年12月	168.81	166.90	166.78	168.97	189.77	-11.05	-12.05	-12.12	-10.96
磴口国电北粮台光伏电站	2015年1月	169.67	167.63	169.66	168.55	178.61	-5.01	-6.15	-5.01	-5.63
磴口国龙鸿蕴光储电站	2023年3月	172.25	171.23	171.31	172.18	175.37	-1.78	-2.36	-2.32	-1.82
磴口蒙能套海光伏电站	2023年12月	172.53	171.33	170.85	174.33	178.07	-3.11	-3.79	-4.06	-2.10

注： $P ¯$ _BS、 $P ¯$ _BD、 $P ¯$ _US、 $P ¯$ _UD、 $P ¯$ _C分别表示板间浅层、板间深层、板下浅层、板下深层、对照样粒径均值；E_BS、E_BD、E_US、E_UD分别表示板间浅层、板间深层、板下浅层、板下深层土壤侵蚀程度（与对照样对比）。

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3.3　不同年限光伏电站对地表土壤粒度的影响

从表2可以看出，4个不同时间梯度的光伏电站土壤粒径都以细砂为主，占比均超过50%，中砂次之，且均无黏粒分布。这表明不论光伏电站的运营时间长短，其土壤粒径均以细砂和中砂为主，反映了光伏电站建设区域土壤的基础特征。

表2 土壤粒度组成以及侵蚀程度百分比差值

Table 2 Soil particle size composition and percentage differences of erosion degree

电站名称	点位	R_L/%(<2 μm)	R_M/%(2~50 μm)	R_X/%(50~100 μm)	R_F/%(100~250 μm)	R_Z/%(250~500 μm)	R_G/%（500~2 000 μm）	V_M /%	V_X /%	V_F /%	V_Z /%	V_G /%
磴口广电投光伏电站	板间表层	—	0.62±0.12	4.47±0.77	76.12±4.24	14.55±3.52	4.24±2.37
	板间深层	—	0.59±0.13	4.40±0.60	77.05±5.65	14.74±4.04	3.22±2.62	0.03	0.08	-0.93	-0.19	1.02
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.28	2.21	10.98	-9.67	-3.80
	板下表层	—	0.61±0.14	4.37±0.69	77.41±4.97	14.00±4.22	3.61±2.35
	板下深层	—	0.57±0.07	4.37±0.68	75.26±4.22	15.90±3.10	3.90±2.55	0.03	0.00	2.14	-1.9	-0.28
	对照样	—	0.34	2.26	65.14	24.22	8.04	0.27	2.11	12.27	-10.22	-4.43
磴口国电北粮台光伏电站	板间表层	—	0.61±0.14	4.15±0.85	76.68±5.41	14.29±4.14	4.27±3.25
	板间深层	—	0.61±0.12	4.40±1.01	77.48±5.62	14.34±4.35	3.17±3.49	0.00	-0.25	-0.80	-0.05	1.10
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.16	1.39	-1.08	-1.74
	板下表层	—	0.61±0.10	4.49±0.77	76.10±6.26	14.22±3.64	4.58±4.16
	板下深层	—	0.56±0.08	4.14±0.53	77.27±6.58	14.84±4.01	3.20±3.31	0.06	0.35	-1.17	-0.62	1.38
	对照样	—	0.35	2.99	75.29	15.37	6.00	0.26	1.50	0.81	-1.15	-1.42
磴口国龙鸿蕴光储电站	板间表层	—	0.48±0.07	3.73±0.87	75.37±5.83	15.17±3.33	5.24±4.45
	板间深层	—	0.50±0.11	3.97±0.99	75.96±6.05	15.20±2.99	4.38±4.33	-0.02	-0.24	-0.58	-0.03	0.87
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.08	0.74	0.81	-2.86	1.22
	板下表层	—	0.47±0.07	3.67±0.61	76.40±4.12	15.33±3.73	4.14±2.55
	板下深层	—	0.49±0.09	3.80±0.69	76.51±5.02	14.41±3.00	4.80±3.08	-0.02	-0.13	-0.11	0.92	-0.66
	对照样	—	0.40	2.99	74.56	18.03	4.02	0.07	0.68	1.84	-2.70	0.12
磴口蒙能套海光伏电站	板间表层	—	0.50±0.07	3.73±0.59	76.03±5.17	16.31±3.66	3.43±2.93
	板间深层	—	0.51±0.09	3.70±0.59	75.09±4.50	17.74±3.58	2.96±1.88	-0.01	0.03	0.94	-1.43	0.47
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.11	0.53	3.69	1.59	-5.92
	板下表层	—	0.51±0.08	4.07±0.80	76.08±4.46	15.86±3.27	3.48±2.87
	板下深层	—	0.52±0.09	3.72±0.56	73.71±4.78	17.69±3.21	4.37±2.95	-0.01	0.35	2.38	-1.83	-0.89
	对照样	—	0.39	3.20	72.34	14.72	9.35	0.12	0.87	3.74	1.14	-5.87

注：R_L、R_M、R_X、R_F、R_Z、R_G分别表示黏粒、粉粒、极细砂、细砂、中砂、粗砂-极粗砂占比；V_M、V_X、V_F、V_Z、V_G分别表示表层与深层/对照样的粉粒、极细砂、细砂、中砂、粗砂-极粗砂占比差值。

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土壤表层的粉粒、极细砂、细砂占比均增加（表2）。4个电站板间表层粉粒相比对照样分别增加0.28%、0.26%、0.08%和0.11%，其中2012年运营的磴口广电投光伏电站增加最多（0.28%）。极细砂增加比例为2.21%、1.16%、0.74%、0.53%，细砂增加比例为10.98%、1.39%、0.81%、3.69%。中砂、粗砂和极粗砂占比整体上呈现减少趋势。板下表层也呈现相同特征，板间及板下表层土壤粒度组成呈现细颗粒占比增加、粗颗粒占比减少的趋势。

在较早运营的3个光伏电站（广电投、国电北粮台、国龙鸿蕴，表2）中，板间表层细砂较板间深层分别减少0.93%、0.80%和0.58%，表明细砂向深层迁移。4个电站板间表层粗砂均较板间深层增加。

3.4　光伏板不同位置土壤含水量差异

由图7可见，距光伏板前檐160 cm处浅层（B30，土壤含水量的均值2.86%）和前檐正下方浅层（C30，2.78%）土壤含水量高于其他区域，板下正中间浅层（D30，1.13%）和深层（D60，0.63%）土壤含水量均最低。浅层土壤含水量均值整体表现为B30>C30>E30>D30>A30；深层（60 cm）土壤含水量均值整体表现为C60>A60>E60>B60>D60。光伏板阻挡板下正中间位置的降水，并使得板前檐降水聚集，板前檐位置土壤含水量升高、板下正中间含水量亏损。

图7

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图7 光伏板不同位置土壤含水量箱线图

注：A30、B30、C30、D30、E30分别表示距光伏板前檐380 cm和160 cm、前檐正下方、光伏板下正中间、后檐处30 cm深度土壤含水量；A60、B60、C60、D60、E60分别为对应位置60 cm深度土壤含水量

Fig.7 Boxplot of soil water content at different positions of PV panels

降水集中在8—9月，此期间浅层土壤含水量变化明显（图8）。以9月为例，板前集水量均值为1.52 mm，此时B30、C30位置的浅层土壤含水量分别达到3.16%、3.22%，高于A30（1.57%）、D30（2.02%）和E30（2.45%）。

图8

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图8 各月份光伏板不同位置表层和深层土壤含水量日动态分布图（2024-04-01—11-30）

Fig.8 Monthly daily dynamics of soil moisture content in surface and deep layers at different positions of PV panels （2024-04-01—11-30）

4 讨论

4.1　光伏电站对土壤粒径的侵蚀抑制效应

光伏电站建设改变了工程区土壤粒径分布。表层粒径呈现中间细、两边粗趋势，这与赵鹏宇等^［30］研究乌兰布和沙漠东北缘光伏电站得到电站中心区域颗粒细化程度高于其他区域的结论一致。本研究进一步揭示了电站在西南方向板间存在细粒径中心，板下存在粗粒径中心。由于电站遮挡降低风速、削弱风蚀^［31］，且受西南主导风影响^［32］，上风向板间风速减慢、细颗粒沉积，而板下较大间隙形成狭管效应^［33］，风速增大加剧土壤侵蚀^［34］。此外，电站内土壤粒径均值呈细化趋势，这与乔慧等^［35］对库布奇沙漠研究得出的光伏板除前檐外平均粒径均具有细化趋势的结论相一致，这也说明光伏板对土壤风蚀具有一定拦截作用。

随着电站运营时间的增长，板间表层粒径离散程度降低，这与赵鹏宇^［36］对光伏电站的研究结论一致，其发现板间土壤中砂和细砂占比增加，粒径分布离散程度与变异性均随之减小，该变化有利于植被生长与水土保持^［37-38］。同时，光伏电站内土壤表层和深层粒径分布均以中砂和细砂为主，这与乌兰布和沙漠土壤本底特征相符^［39-40］。

此外，也有研究表明光伏电站可通过影响太阳辐射和降水过程调节局地地温、湿度、气压和风速等^［41］，进而促进植被恢复、增强水土保持功能并缓解土壤侵蚀^［42-43］，且光伏组件对风速的缓冲作用能大幅度降低地表风速、减少地表输沙量以提升土壤抗蚀性^［44-45］，但该过程的具体量化机制仍需后续研究。

光伏电站对地表侵蚀的抑制作用存在空间异质性。在场址尺度，边缘侵蚀高于中间，主风向板下侵蚀、板间堆积；在地区尺度，板间和板下的土壤粒径均呈现细化趋势。因此，场址层面可在电站边缘设置防护带或植被缓冲带^［46］，减少外界侵蚀^［47］，在上风向增加植被覆盖和防风固沙类防护措施；地区尺度需将电站建设纳入地区整体生态规划^［48］，以确保光伏板稳固并提升整体防风固沙效果，实现可持续的生态修复与环境保护目标^［49］。

4.2　光伏板的降水再分配效应

光伏板影响降水再分配与土壤含水量。本研究发现，光伏板前檐正下方和距前檐160 cm处浅层土壤含水量高于其他区域，而光伏板下正中间的浅层和深层土壤均为水分低值区，这与翟波等^［50］对内蒙古中部典型草原光伏电站的研究结论一致，光伏板倾斜架设形成类似集流面结构，降水沿光伏板表面向边缘汇聚，使板前区域接收额外径流补给^［51］，而板下正中间因遮挡导致降水减少，形成水分亏缺区。这表明光伏板几何结构是影响降水再分配的关键因素^［52］。

降水季节性分布是驱动浅层土壤含水量波动的核心因素。在降水集中（8—9月）时段，浅层土壤含水量对单次降水响应迅速^［53］，而深层土壤含水量增量滞后且幅度较小，体现沙漠地区浅层土壤含水量受降水调控、深层依赖缓慢渗透的水文特征^［54-55］。光伏板布局通过改变降水空间分配、调节微气候等机制，重塑土壤水分时空格局。在场址规划中，可通过优化光伏板布局与增设导流设施等，使板前集水量提升至自然降雨两倍以上^［56］，满足荒漠草原景观条件^［57］，缓解板下水分亏缺，推动光伏治沙理论中降水再分配-土壤水分-植被恢复作用链条，为干旱区光伏电站的生态化设计提供参考。

5 结论

本研究通过原位采样和定位观测，分析了光伏电站在沙漠环境下对土壤粒径的侵蚀抑制作用和光伏板对降水再分配的影响。通过对光伏电站土壤进行原位采样、激光粒度分析以及原位观测获取的4个不同发电年限的光伏电站土壤粒径分布数据和土壤含水量、板前雨量数据，揭示了光伏电站建立对土壤粒径分布以及光伏板对不同位置土壤含水量的影响。

电站表层土壤粒径呈中间细、两边粗的趋势，受光伏电站阻风效应的影响，板间表层上风向形成细粒径中心，板下表层上风呈粗粒径中心。细粒径中心区域土壤粒径较周边细化10%~20%。

板间表层粒径离散程度随运营时间增长降低（箱体长度：广电投（8.04 μm）<国电北粮台（10.52 μm）<国龙鸿蕴（11.18 μm）<蒙能套海（11.78 μm），且土壤以细砂为主（占比>50%），4个电站板间表层（侵蚀程度为11.05%、5.01%、1.78%、3.11%）和板下表层（12.12%、5.01%、2.32%、4.06%）粒径均值均较对照样减少。板间和板下表层的粉粒、极细砂、细砂占比整体增加。

光伏板降水再分配作用导致其板前成为土壤水分聚集区，土壤含水量升高，光伏板下正中间形成水分低值区，含水量亏损。光伏板前檐正下方（C30）及距前檐160 cm处（B30）浅层土壤含水量高于其他位置，光伏板下正中间浅层（1.13%）和深层（0.63%）含水量均最低，且低于对照区（A60，1.32%）。

降水的季节性分布影响浅层土壤含水量波动幅度，浅层土壤含水量对降水响应敏感，深层则受长期水分迁移影响。在降水集中时期（8—9月），浅层土壤含水量受短期降水影响较强，而深层土壤含水量主要依赖长期水分渗透积累，波动平缓。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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王丽敏，王庆丰，刘晓慧.

中国“十四五”时期可再生能源发展预测分析

［J］.科技管理研究，2024，44（5）：209-215.