库布齐沙漠光伏电板干扰对2a生沙打旺生理特征的影响

　　摘要：合理利用光伏电板周边空间发展种植是光伏电站生态产业示范的核心内容。为了揭示光伏电站生境下沙打旺的生理响应特征，选取库布齐沙漠光伏电板前沿、板后沿、板下三种典型部位的沙打旺(Astragalus adsurgens )为研究对象，对其叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、MDA、SOD 及 CAT 等生理指标进行了测定。结果表明：光伏电站内沙打旺叶绿素含量均较对照有所提高，其中板下位置增幅最大，达 44.65%;板前沿、后沿、板下相应位置叶绿素 a/b 较对照分别降低 0.51%、8.06%、17.53%，反映出沙打旺在板下位置蓝紫光捕光能力增强;沙打旺可溶性糖分别比对照下降了 5.84%、24.08%、21.58%，可见电板遮挡不利于可溶性糖的合成;板前沿、板后沿、板下相应位置可溶性蛋白较对照分别增加 7.39%、3.99%、1.28%，说明沙打旺在电板周边位置表现出较好的保水性能，适应性较强;各处理 SOD 与 CAT 活性均较对照有所增强，起到了很好的清除 O 2-与 H2O2 保护作用，并延缓植物衰老进度，表现出较强的适应性。

　　本文源自通旭芳; 汪季; 程波; 张慧敏， 内蒙古农业大学学报(自然科学版) 发表时间：2021-04-29 《内蒙古农业大学学报》杂志，于1957年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:15-1209/S，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：机电工程、水利与土木建筑工程、计算机应用等。

　　关键词：光伏电板;沙打旺;叶绿素;渗透物质;酶活性

　　为了缓解资源紧张的社会现状，国家在沙漠地带大范围布设了光伏电站，利用无限清洁的太阳能资源解决电能需求，这样的发电方式在我国已经很常见了。由于沙漠区域内生态环境恶劣，植物稀少，所以对于沙区环境下光伏电站对植物的影响鲜有报道，学者们的研究多集中在小气候方面，光伏电站的建设直接或间接的影响着局部气流、降水、太阳辐射、空气温湿度等因子[1]，对当地本就脆弱的生态环境产生了扰动影响[2]，进而影响植物生境[3]。有学者通过试验研究发现，面对不同的生境胁迫，植物会表现出不同的适应性：闫天芳等人[4] 对披碱草属的牧草在干旱胁迫下的影响发现，植物的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量均发生增加现象，SOD 活性先上升后下降;李鹏辉等人[5]对烟草幼苗的研究发现干旱胁迫提高了幼苗叶绿素含量、增强了 SOD、CAT 活性，增加了可溶性蛋白与脯氨酸含量，降低丙二醛含量;薛菲等人[6]对胡枝子的盐碱胁迫研究发现其叶片的脯氨酸与可溶性糖含量发生增加趋势，周琦[7]对欧洲鹅耳枥的研究发现丙二醛与脯氨酸含量随盐胁迫程度的加剧而增加，但植物可以通过调节渗透物质与保护酶活性来适应生境;对于光照条件的改变，刘翠菊[8]对耐冬山茶的研究发现，全光照使得植物叶绿素含量下降，生境胁迫的研究已有许多，因此对于沙区光伏电站干扰下人工植被的变化响应及适应性的研究迫在眉睫，且阐明其生理适应性有利于充分合理利用光伏电板周边空间位置，发挥其上部发电下部种植的最大化优点，同时也利于当地生态恢复与防风固沙。

　　1 材料与方法

　　1.1 样地概况

　　该研究区位于库布齐沙漠北缘鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇工业园区内，地理位置 (107°10′_111°45′E，37°20′_39°50′N)[9]，属温带大陆性季风气候，年均降水量 227 mm，年均蒸发量 2 400 mm [10]，土壤为风沙土，平均盖度不足 5%，试验样地选择亿利生态三期光伏电站(100 MW)，2016 年投入使用，电板呈东西走向，一行由 12 块电板组成，一块电板有 34 块电池，板面尺寸为 200 cm×850 cm，倾斜角度为 36°，板后沿与地面距离为 230 cm，板前沿与地面距离为 30 cm，相邻板间距离为 900 cm。

　　1.2 试验设计

　　为了合理利用电板周边空间位置以及实现更好的防风固沙效能，于 2016 年在板间、板前沿、板后沿、板下种植沙打旺，种植方式穴播(如图 1)，考虑到下垫面的影响以及成活率，下覆基质统一红粘土处理，在风沙期过后雨季之前，将种子置于洞穴内，株距 60 cm，行距 100 cm，覆 1~2 cm 土层。以无电板遮挡区作为对照，于 2018 年生长季(5-9 月)，按照呈东西方向布设的 4 条样线，分别采集板前沿 1(位于板前沿垂直方向前 10 cm 处)、板后沿 2(位于板后沿垂直方向前后 20 cm 处)、板下 3、对照 4 的沙打旺中上部无泥土叶片 7-8 枝，按指标分开采样，各取 3 个重复，置于自封袋中并放入冷藏保温箱，带回实验室备用，按要求将叶片去除茎脉，并称取各指标相应克数进行生理实验。

　　1.3 指标测定

　　叶绿素(Chl)采用80%丙酮提取比色法：经过丙酮提取使用分光光度计测定646 nm及663 nm 波长下的吸光度值。可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法：用考马斯亮蓝得蛋白提取液，于 595 nm 波长下比色，记录吸光度值。可溶性糖采用蒽酮比色法：将定量蒽酮溶于浓 H2SO4 中，提取可溶性糖，最后测定 620 nm 波长下的吸光度值。丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法：用硫代巴比妥酸及三氯乙酸进行提取，并于4 000 r/min及3 000 r/min离心两次，测定532 nm、 600 nm、450 nm 处的吸光度。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑(NBT)法：按照显色反应试剂配制表进行液体提取，测定 560 nm 处的吸光度。过氧化氢酶(CAT)采用紫外吸收法：缓冲液提取后在 4 000 r/min 下离心 15 min，240 nm 波长测定[11]。

　　1.4 数据处理

　　数据采用 Excel 进行统计并制图，用 spss17.0 进行方差分析，并用字母进行显著性分析的标记。

　　2 结果与分析

　　2.1 电板干扰下沙打旺叶绿素含量变化

　　由表 1 可知，整体上电板周边沙打旺叶绿素含量高于对照，叶绿素 a 含量表现为：板下> 板前沿>板后沿>对照，板前沿、板后沿及板下分别较对照增加了 17.05%、14.87%、79.49%，其中板下增幅最大，板下含量比对照显著增加，而板前沿、板后沿与对照无差异;叶绿素 b 含量表现为：板下>板后沿>板前沿>对照，各位置分别较对照增加了 33.12%、34.42%、 158.44%，板下增幅最大，板下比对照显著增加;总叶绿素含量表现为：板下>板前沿>板后沿>对照，板前沿、板后沿及板下分别较对照增加了 19.83%、18.33%、92.60%，且板下与对照显著不同;叶绿素 a/b 表现为：板下<板后沿<板前沿<对照，板前沿、板后沿及板下分别较对照降低了 11.77%、15.41%、30.94%，板下降幅最大，对照与板后沿和板下的差异最为明显，与板前沿差异较小。

　　2.2 电板干扰下沙打旺渗透物质含量变化

　　由图 2 可知，光伏电板周边各位置的可溶性糖含量均较对照有减少，呈现板后沿<板下 <板前沿<对照，板前沿、板后沿、板下分别比对照下降了 5.84%、24.08%、21.58%，其中板后沿的可溶性糖含量最低，降幅最大，对照与板后沿及板下差异显著，与板前沿无差异，板后沿与板下之间也无差异;可溶性蛋白与可溶性糖的变化情况相反，呈现板前沿>板后沿> 板下>对照，分别较对照含量增加了 7.39%、3.99%、1.28%，其中板前沿增幅最大，板下增幅最小，且对照与电板各位置无差异，光伏电板周边各位置之间也并无差异。

　　2.3 电板干扰下沙打旺 MDA 含量变化

　　由图 3 可知，在电板周边各位置的丙二醛含量呈板前沿<板后沿<板下，板前沿与板后沿的丙二醛含量低于对照，分别比对照降低了 51.52%、20.20%，其中板前沿降幅较大，板下与对照相比增加了 42.42%，且对照与各位置有明显差异，板下与板前沿和板后沿分别差异显著，而板前沿与板后沿无差异。

　　2.4 电板干扰下沙打旺酶活性变化

　　由图 4 可知，光伏电板各位置的超氧化物歧化酶(SOD)与过氧化氢酶(CAT)的活性与对照相比均有增加：SOD 活性表现出对照<板下<板前沿<板后沿，板前沿、板后沿、板下的酶活性较对照分别增强了 129.74 u·g-1FW·min、133.26 u·g-1FW·min、44.53 u·g-1FW·min，其中板后沿增幅最大，板下增幅最小，且各位置比对照有显著增加，板下比板前沿和板后沿有显著降低，而板前沿与板后沿之间并无差异;CAT 表现出对照<板前沿<板后沿<板下，各位置酶活性较对照分别增强了 20.21 u·g-1FW·min、22.863 u·g-1FW·min、26.60 u·g-1FW·min，其中板下增幅最大，板前沿增幅最小，且对照与各位置无差异。

　　3 讨论

　　植物的生长状况受到许多因素的综合作用，光伏电站的布设直接或间接的对局部气候产生了影响，从而改变了沙打旺生存所需的温度、湿度、水分、太阳辐射等生态因子，由此对其生理质量做出影响。

　　3.1 光伏电板干扰对沙打旺叶绿素的影响

　　叶绿素含量的高低直接反应出植物光合作用的强弱与能力[12]，而叶绿素含量与太阳辐射的多少有直接关系，有研究表明植物会在弱光条件下合成更多的叶绿素，加强捕光能力，从而提高对光能的利用率[13]。光伏电板的遮挡，直接减少了太阳对地面的直射时间与面积，降低了太阳辐射量，殷代英[14]通过光伏电站对共和盆地荒漠区微气候的影响研究，发现试验期间 8 月与 9 月的无光伏电板遮挡的对照点的太阳总辐射分别为 641.93 MJ·m-2、505.45 MJ·m-2，而电站内分别为 569.45 MJ·m-2、470.97 MJ·m-2，对比之下分别降低了 11.3%与 6.8%，因此沙打旺通过增加叶绿素含量来适应光伏电板的干扰;各位置叶绿素 a/b 减小，说明沙打旺通过增加叶绿素 b 的含量来更多的吸收蓝紫光[15]，捕捉更多的光量子[8];还有研究认为叶绿素的增加与土壤水分有关[16]，周紫鹃[17]对红砂的研究佐证了这一结论，与山前荒漠和山前戈壁相比，较为干旱的中游戈壁的叶绿素含量最高，王涛[18]发现光伏电站的遮荫降低了土壤含水率，本研究中板下由于电板遮挡，遮荫时间最长，达 9h(观测时间为 07:00-19:00)，因此电板周边各位置叶绿素含量高于对照。

　　3.2 光伏电板干扰对沙打旺渗透物质的影响

　　可溶性蛋白、可溶性糖是植物体内的渗透物质，起到了非常重要的调节作用。可溶性蛋白表现为板前沿、板后沿及板下的含量高于对照。参考其他学者的研究发现，高温情况下会使得植物[19]，温度降低可以增加蛋白含量[20]。光伏电板的布设降低了周边的空气温度与土壤温度，刘建、庞真真[21]对“农地种电”型光伏电站的研究证明了光伏电板有降低周边空气温度的作用，研究发现光伏组件下部<光伏阵列间<露地温度，三者之间最大差值为 2.4℃，殷代英[14]发现电站内的气温低于对照且电站内的土壤温度较对照处的温度低，10 cm、20 cm、 40cm 处平均土壤温度分别降低了 17.2%、16.75%、16.09%，高晓清[22]研究光伏电站对格尔木荒漠地区土壤温度的影响证明了站内温度明显低于对照，说明光伏电板可以起到隔热作用，赵鹏宇[1]对乌兰布和沙漠边缘的光伏电站所做的研究也证明了该结论，表明旷野 (35.89℃)>电站南部(34.76℃)>北部区域(34.72℃)>电站中心(32.69℃)，这些变化促进了可溶性蛋白的积累，这与郭力宇[23]对欧洲鹅耳枥的研究结果一致;且光伏电板的布设改变了降水的分配情况，导致沙打旺对水分的吸收有所变化，需要通过增加蛋白质含量以实现降低水势，提高贮水能力，维持其生长所需水分的目的。

　　可溶性糖含量的降低与太阳辐射减少密切相关，殷代英[14]、高晓清[22]、常兆丰[24]均发现了光伏电站的布设减少了太阳辐射量，光伏电板将部分太阳能转换为电能，结果表明 1m2 的光伏电板转换的太阳能相当于民勤沙区 260.75 m 2 沙漠植被利用的太阳能，直接减少了太阳对地面的辐射量，杨渺[25]对假俭草的研究也发现了糖含量与光照密切相关。

　　3.3 光伏电板干扰对沙打旺 MDA、SOD、CAT 的影响

　　丙二醛是衡量植物细胞受损程度的指标，本试验发现板前沿与板后沿的丙二醛含量低于对照，但差异较小，说明这 2 个位置的生境条件与对照基本一致，而板下含量显著高于对照，说明板下生境条件发生大幅度改变，对沙打旺生长产生不利。除了文中上述提到的光伏电板的布设降低了太阳辐射、土壤含水率、空气温度及土壤温度之外，电站内的风速也会明显减小[1][14][26][27]，殷代英[14]研究发现电站内的平均风速为 1.94m/s，比对照降低了 53.92%，赵鹏宇[1]发现电板前檐、后檐及行道的风速显著低于旷野。周茂荣[28]、卢霞[29]等人研究发现光伏电板的遮挡作用使得局部蒸发量减少。以上这些由光伏电站的布设对局部小气候所导致的作用，使得各位置沙打旺生境受到不同程度的影响。SOD 与 CAT 协同作用对植物起到一定的保护作用，板前沿与板后沿在 MDA 含量低于对照的同时酶活性高于对照，说明 2 种酶起到了很好的保护作用降低了膜脂被伤害的程度，而板下 MDA 含量高于对照，两种酶活性也高于对照，说明板下沙打旺活性氧的产生超出了保护酶的清除能力。

　　4 结论

　　光伏电板周边 3 个位置 2 a 生沙打旺叶片的叶绿素含量、可溶性蛋白含量、SOD 及 CAT 活性均大于对照，各位置降低了叶绿素 a/b 值，板前沿及板后沿 MDA 含量小于对照，这些变化有利于提高沙打旺的光能捕获能力与光能利用率，提高细胞持水性，较对照表现出更好的适应性，延缓沙打旺的衰老速度。