可追踪式光伏阵列内甘草的生长与生理适应性研究_包晓英.pdf

第 37 卷第 8 期干旱区资源与环境Vol 37No 82023 年 8 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentAug 2023文章编号:1003 7578(2023)08 162 07doi:10 13448/j cnki jalre2023197可追踪式光伏阵列内甘草的生长与生理适应性研究*包晓英1，党梦娇1，钟鑫鑫2，任昱3，祁帅1，高永1，4，5(1 内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018;2 国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010018;3 鄂尔多斯生态环境职业学院，鄂尔多斯 017010;4 内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，呼和浩特 010018;5 内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，呼和浩特 010018)提要:以乌拉尔甘草作为供试品种，研究库布齐沙漠可追踪式光伏阵列内不同位置甘草生长特性、叶绿素含量、净光合速率以及可溶性糖含量等生理指标特征，为可追踪式光伏电站内实现林光互补的绿色产业提供理论支撑。结果表明:与对照组相比，光伏板下、板间甘草株高、主根粗、主茎粗、复叶数均表现出显著差异;生长旺季板间、板下甘草通过增加叶绿素含量来适应环境变化;对于光伏电板不同位置环境的变化，甘草能够通过改变体内可溶性糖、可溶性蛋白等物质含量来适应环境。由此可见，甘草可以通过改变生长特征和生理特性来适应光伏电站内的环境变化。关键词:光伏电站;甘草;生理特性;生长状况;库布齐沙漠中图分类号:S311文献标识码:A近年来，我国光伏产业得到了快速发展。尤其，林光互补复合生态综合治理成为了一种光伏治沙创新模式1。在沙漠地区建立光伏电站，可以对土地、阳光等资源进行合理和高效利用，既可以提高太阳能清洁、可再生的发电能力2，也可以利用光伏电板降温、增湿的优点，发展光伏电板下的种植模式，实现土地的增产增效，获得巨大的经济效益和社会效益3 4。与此同时光伏电板的大规模开发也会对地表产生不同程度的破坏5，光伏电站对一定范围的温度、湿度、降水、太阳辐射以及土壤、植被6 10 等生态环境要素带来的影响引起人们的广泛关注。如赵鹏宇等11 对乌兰布和沙漠东北缘光伏电站内外的空气温度与湿度进行测定;王颖等12 对光伏阵列覆盖区和不同缓冲区范围内的土壤水分进行了分析;翟波等13 分析了光伏电站内植被群落的稳定性;通旭芳等14 主要研究了光伏电板对沙打旺生理特征的影响。综上可知大量学者研究证明了光伏电板会对局部气候、土壤、植被等产生影响。甘草(Glycyrrhiza uralensis)属于多年生草本植物，主要分布在西北干旱半干旱地区15。种植甘草既有生态效益，又有经济效益，因此多用于生态建设及植被恢复工程16。利用林光互补原理，探究甘草这一植物种能否适应光伏电站环境，对实现光伏电站内林光互补的绿色产业具有一定意义。基于此，文中以内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇境内光伏电站为研究区，通过对光伏电板不同位置甘草生长形态和生理指标进行对比分析，并以无光伏电板区域作为对照，从而研究甘草对光伏电板环境的适应性，为合理利用光伏电板空间位置、改良甘草种植模式提出参考依据。1试验设计及计算方法1 1试验场基本情况试验地位于库布齐沙漠西段(3720 3950N，10710 11145E)17。研究区属于温带大陆性干旱气候，年平均气温 5 8，年平均降雨量 186mm，年均蒸发量 2498mm，年均太阳总辐射量 597 9KJ/*收稿日期:2023 3 22;修回日期:2023 4 24。基金项目:鄂尔多斯市科技重大专项(2022EEDSKJZDZX020)资助。作者简介:包晓英(1996 )，女，蒙古族，内蒙古阿拉善盟人，硕士研究生，主要从事荒漠化防治方向的研究。E mail:850893942qq com通讯作者:高永(1962 )男，汉族，内蒙古包头人，教授，博士生导师，主要从事荒漠化防治研究。E mail:13948815709163 com图 1取样示意图Figure 1 Sampling diagramcm218。该地区的沙丘类型主要为新月型沙丘、新月型沙丘链和格状沙丘链等，沙丘高度 10 60m19。如图 1 所示，可追踪式光伏电板面朝南，阵列呈东西走向，阵列共计 11 排，每排 15 块电板，整体面积为 120m 110m。板距离地面高2 5m，斜面与地面的水平夹角为 36，电板间间隔为 7 4m。甘草为 3a 幼苗，株行距是 0 3m 0 4m。1 2试验设计及取样在可追踪式光伏电板阵列的中心区域选取3 排平行的光伏电板作为研究区域，在研究区域的板下、板间设置 6 个 3 0m 3 0m 的样方，共计 18 个样方，并以站外无光伏电板区域的甘草作为对照。在每个样方内，分别选取板下和板间 15 株形态相似、生长均一的甘草，其中 3 株做标记用于野外生长指标测量(株高、主茎粗、主根粗和复叶数)，选取各处理植株中部大小一致的叶片，测定其净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)等光合指标，其余 12 株中每月选取 3 株将其叶片和植株用保温箱带回实验室进行室内试验。1 3指标测定甘草株高(cm)、主茎粗(mm)、主根粗(mm)和复叶数分别利用卷尺测量法、游标卡尺测量法和直接观测法测量20。叶绿素含量采用 80%丙酮提取法测定21，646nm 和 663nm 为其测定波长，记录吸光度值，并计算提取液中叶绿素的含量。可溶性糖采用蒽酮比色法测定22。可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法测定22。1 4数据处理使用 Excel 2010 进行数据整理，使用 SPSS 25 对数据进行单因素方差分析(One Way ANOVA)、LSD多重检验，采用隶属函数法对各位置下甘草植株进行综合评价，利用 Origin 2021 进行绘图。2结果与分析2 1可追踪式光伏电站内不同位置甘草生长状况由图 2 可知，在生长季(6 9 月)，可追踪式光伏电板板间、板下和 CK 位置处甘草的株高、主茎粗、主根粗均呈增加的趋势，其中板下区域甘草生长形态变化较为明显，至观测结束时比对照分别增加了60 07%、50 40%、34 59%。而甘草的复叶数，除板下的趋势与其他指标变化趋势一致外，板间和 CK 位置甘草的复叶数表现出先增后减的变化趋势，且复叶数均在 8 月份最大，分别为 77 00、62 67 枚/株。对于同一生长月份，不同位置的甘草生长指标均表现为板下 板间 CK，且不同生长阶段三个位置处甘草的生长指标均存在显著差异(P 0 05)。2 2可追踪式光伏电站内不同位置甘草光合性能变化特征叶绿素是植物进行光合作用中光能吸收和传递的重要物质23。由图 3(a)可知，相同位置甘草的叶绿素 a 含量随生长时间的变化呈现逐渐降低趋势，板下甘草叶绿素 a 含量由 1 13mgg1下降至 0 81mgg1，板间甘草叶绿素 a 含量由 1 22mgg1下降至 0 93mgg1，CK 位置甘草叶绿素 a 含量由 1 29mgg1下降至 0 95mgg1，与 CK 相比，板下和板间叶绿素 a 含量分别减少 1 56%20 71%和 7 01%1554%，且板下、板间和 CK 位置处甘草叶绿素 a 含量均存在显著差异(P 0 05)。对于同一生长月份，不同位置的甘草叶绿素 a 含量均表现出 CK 板间 板下现象，且各位置不同生长阶段的指标均存在显著差异(P 0 05)。相同位置甘草的叶绿素 b 含量随着生长时间的变化呈现先增加后降低的趋势(图 3(b)，三个位置甘草叶绿素 b 含量最大值出现在 7 月，分别为 0 28、0 52 和 0 31mgg1，且不同月份间叶绿素 b 含量均存在显著差异(P 0 05)。6、9 月叶绿素 b 含量表现出 CK 板下 板间，其中 6、9 月 CK 的值分别为0 30、0 24mgg1;而 7、8 月叶绿素 b 含量表现出板下 CK 板间，其中 7 月生长旺季时板下区域的叶361第 8 期包晓英等可追踪式光伏阵列内甘草的生长与生理适应性研究绿素 b 含量增长幅度明显，达 0 52mgg1，且各位置不同生长阶段的叶绿素 b 含量存在显著差异(P 005)。注:图中测定值为平均值 标准差。不同大写字母表示同一月份不同位置上差异显著(P 0 05)，不同小写字母表示同一位置不同月份之间差异显著(P 005)。下同。图 2 光伏电板不同位置甘草生长变化特征Figure 2 Variations of growth characteristics of Glycyrrhiza uralensis growing at different positions under photovoltaic panel图 3光伏电板不同位置甘草叶绿素含量变化特征Figure 3 Variations of chlorophyll content in G uralensis growing at different positions under photovoltaic panels净光合速率是指植物在单位时间内通过光合作用积累的有机物的量。由图 4(a)可知，同一位置甘草的净光合速率随着时间变化呈先增后减的趋势，其中 7 月板间、板下和 CK 的净光合速率出现最高值，分别为 6 29、7 03、7 94molm2s1。板下、CK 区域不同生长阶段的甘草净光合速率均存在显著差异(P 0 05)，而板间位置除 6、9 月外，其他月份存在显著差异(P 0 05)。就光伏电板不同位置而言，6、7461干旱区资源与环境第 37 卷月 CK 区域净光合速率均高于板间、板下区域，分别高 27 53%39 70%和 11 46%20 78%(P 0 05);而 8、9 月板下净光合速率均高于板间、CK 区域，分别高 25 49%34 65%和 4 01%19 75%(P0 05)。气孔导度是指单位时间内单位面积的气孔水汽蒸腾量，是影响植物光合作用、呼吸作用及蒸腾作用的主要因素。气孔导度越大，其气孔开放程度越大。如图 4(b)所示，同一位置甘草的气孔导度随着时间变化呈先增后减的趋势，且均具有显著差异(P 0 05)。就光伏电板不同位置而言，6、7 月板下区域气孔导度均高于板间、CK 区域，依次为板下 CK 板间，7 月气孔导度达到最大值，分别为 0 13、0 135、0 13mmolm2s1;8 月板下区域气孔导度均高于板间、CK 区域，其中板下区域达 0 06mmolm2s1;9月 CK 区域气孔导度均高于板间、板下区域，其中 CK 区域达 0 013 mmolm2s1。各位置不同生长阶段的指标均存在显著差异(P 0 05)。图 4光伏电板不同位置甘草净光合速率和气孔导度变化特征Figure 4 Changes in net photosynthetic rate and stomatal conductance of G uralensis at different positions under photovoltaic panels2 3可追踪式光伏电站不同位置甘草渗透调节性能变化特征由图 5(a)可知，可追踪式光伏电站板间、板下和 CK 位置处甘草的可溶性糖含量随着时间变化呈先减后增的变化趋势，板间、CK 区域甘草可溶性糖含量在 6 8 月的变化幅度基本相似，9 月各位置(板间、板下和 CK)的甘草可溶性糖含量均出现最高值，分别为 19 27%、22 82%、40 72%。且同一位置不同生长阶段的甘草可溶性糖均存在显著差异(P 0 05)。就不同位置而言，甘草可溶性糖含量最小值出现在 7月，分别为 8 21%、7 62%和 7 90%，8、9 月板间、板下甘草可溶性糖含量均小于 CK;其中甘草可溶性糖含量 8 月板间高于板下区域，而 9 月板间低于板下区域，且各位置不同生长阶段的指标均存在显著差异(P 0 05)。由图 5(b)可知，随着时间增加板间、板下区域的甘草可溶性蛋白含量呈先减后增的变化趋势，最低值出现在 7 月，分别为 7 84mgg1和 3 69mgg1，而 CK 处甘草可溶性蛋白含量呈先减后增再减的变化趋势，其最低值出现在 9 月，为 4 28mgg1，且同一位置不同生长阶段的甘草可溶性蛋白均存在显著差异(P 0 05)。就光伏电板不同位置而言，6 月可溶性蛋白含量出现最高值，分别为 54 72、26 20、48 26mgg1;7 8 月 CK 区域甘草可溶性蛋白均高于板间、板下区域，其中 CK 区域的变化幅度最大，达55 41%;9 月板下区域甘草可溶性蛋白含量均高于板间、CK 区域，达 21 12mgg1，且各位置不同生长阶段的指标均存在显著差异(P 0 05)。2 4可追踪式光伏电站不同位置甘草生长状况综合评价文中通过隶属函数值综合评价法，对甘草的株高、主茎粗等 10 项指标进行隶属函数分析，将同一位置下各项指标隶属函数的平均值作为鉴定甘草植株生长状况的定量指标，隶属函数值越大，表明光伏电板不561第 8 期包晓英等可追踪式光伏阵列内甘草的生长与生理适应性研究图 5光伏电板不同位置甘草渗透调节性能变化特征Figure 5 Changes in the osmotic regulation performance of G uralensis at different positions under photovoltaic panels同位置甘草生长状况越好。由表 1 可知，隶属函数分析结果表明，光伏电板不同位置甘草生长状况综合评价结果为:板下 板间 CK。3讨论3 1可追踪式光伏阵列对甘草生长形态的影响植物的根、茎、叶是植物进行呼吸作用、光合作用的重要器官，而环境条件是影响植物生长发育的主要因素之一。植物生长受到气候因素、土壤性质和植被特性等多种因子的综合作用，其形态特征的变化能准确地反映出植物应对生长环境变化的能力24 25。文中研究发现，光伏电板间和板下甘草株高、主茎粗、主根粗和复叶数分别是 CK 的 1 73 2 64 倍、1 24 2 02 倍、1 28 1 64 倍和 1 04 3 90 倍，说明光伏阵列内环境变化有利于甘草植株生长。研究结果与通旭芳等14 对沙打旺表 1 光伏电板不同位置甘草生长状况的综合评价Table 1 Comprehensive evaluation on the growth ofG uralensis at different positions under photovoltaic panels测定指标光伏电板板间光伏电板板下CK株高1000 58000主茎粗1000 45000主根粗1000 63000复叶数1000 47000净光合速率0520 00100气孔导度0520 00100叶绿素 a 含量0000 30100叶绿素 b 含量1000 00051可溶性糖0000 13100可溶性蛋白0000 60100均隶属度0520 60035排序213的研究结果一致。环境条件不同，植物根、茎、叶表现出不同的差异26。由此可见，植物根、茎、叶器官对外界环境因子的变化极为敏感。文中可追踪式光伏电板板间、板下区域甘草的株高、主茎粗、主根粗均呈增加的趋势，其中板下区域甘草生长形态变化较为明显，这可能是因为光伏电板减弱了地表水分的蒸发，土壤水分含量增加。而且在夏季，光伏电板有降温增湿效应，能够有效改善植被的生长环境，有利于干旱地区植物生长10。3 2可追踪式光伏阵列对甘草光合作用的影响光合作用是植物生长的基础，能有效的反应植物的生长势和抗逆能力强弱，也是植物体对外界环境的敏感开放系统。赵琴等27 研究发现气温升高会使枸杞叶片的净光合速率、气孔导度、胞间 CO2浓度显著下降;增温会导致枸杞叶片水分的利用效率、光合作用效率下降，并加剧光合作用的抑制作用。有大量学者研究表明28 30 高温和干旱胁迫等会影响植物进行光合作用;在弱光下植物的光合速率较低，当光强增加时，植物的光合速率会逐渐增加，但到达一定强度时光合速率将停止增加31。文中研究与前人研究结果相一致，光伏电板不同位置在光照强度较低时，甘草净光合速率随着光强增加而增加，但当光照强度增加到一定高度时，光照强度已不再是限制其净光合速率的主要因素，而高温和干旱胁迫成为限制其净光合661干旱区资源与环境第 37 卷速率的主要因素。研究发现由于光伏电板适当遮荫改善了板下温度及土壤水分等条件，因此出现了 8 月份净光合速率板下高于对照的结果。文中 8 月份板下和板间甘草净光合速率较对照组分别增加 14 01%和 53 02%(P 0 05)，说明光伏电板降低温度有利于甘草叶片有机物质积累，这对提高光合产物的积累具有正效应。3 3可追踪式光伏阵列对甘草生理作用的影响渗透调节是植物适应环境变化的一种重要生理机制，植物通过不断累积细胞内溶质的浓度而降低其渗透势，维持正常生理膨压，从而使植物体内多种与膨压相关的生理过程正常运行32。可溶性糖和可溶性蛋白是植物叶片渗透调节的重要物质，植物可溶性糖和可溶性蛋白含量增高，说明此时植物自身渗透调节能力较强，可以通过提高细胞液浓度从而降低细胞的渗透势，从而提高植物的保水能力33 34。文中，板下、板间的甘草可溶性糖、可溶性蛋白含量随着时间增加呈先减后增的变化趋势，出现这种现象的原因可能是由于可追踪式光伏电板的追光作用，导致甘草受到的光照会发生变化，在光伏电站内的甘草并不需要提高对干旱的抵抗能力，从而可溶性糖和可溶性蛋白含量减少。而且 6 9 月正值夏季，区域内的温度也呈现先增大后降低的趋势，尤其 7 月是库布齐沙漠区域温度最高的月份，而土壤水分的变化往往会滞后于气温的变化，相关的研究也证明了植物对土壤水分的响应比温度更敏感35 37，因此可能到 9 月份时土壤水分出现降低且沙区土壤水有限，甘草可以吸收的水分大大减少，导致植物通过提高渗透性而增强保水性能。4结论(1)可追踪式光伏电板板间、板下和 CK 位置处甘草的株高、主茎粗、主根粗等生长指标出现差异，其中板下区域甘草生长形态变化较为明显，各指标至观测结束时与对照比分别增加了 60 07%、50 40%、34 59%。对于同一生长月份，不同位置的甘草生长指标均表现出板下 板间 CK。(2)光伏电板不同位置甘草叶绿素 a 含量、叶绿素 b 含量、净光合速率和气孔导度差异显著。叶绿素b 含量随时间增加呈先增后减的变化趋势，且在 7 月达到最大值，分别为 0 28、0 52 和 0 31 mg/g。光伏电板不同位置甘草净光合速率随着时间增加呈先增后减的变化趋势，且在 7 月达到最大值，分别为 7 03、6 29 和 7 94umolm2s1。(3)光伏电板不同位置甘草可溶性糖含量和可溶性蛋白含量差异显著。不同位置下(板下、板间、CK)甘草可溶性糖含量随着时间增加呈先减后增的变化趋势;板下、板间甘草可溶性蛋白含量随着时间增加呈先减后增的变化趋势，而 CK 区域甘草可溶性蛋白含量呈先减后增再减的变化趋势。(4)隶属函数分析表明，光伏电板不同位置甘草生长状况综合评价结果为:板下 板间 CK。参考文献 1胡耀军 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Engineering;Hohhot010018，China)Abstract:Taking Glycyrrhiza uralensis as the tested plant，the growth characteristics，chlorophyll content，netphotosynthetic rate and soluble sugar content of G uralensis Growing at different locations in the traceable photo-voltaic array in the Kubuqi Desert were studied to provide theoretical support for the green industry of forest andlight complementary in the traceable photovoltaic power station The results showed that，the plant height，diam-eters of main root and main stem，and compound leaf number were significantly different from those of control nomatter it grows under or between the photovoltaic panels G uralensis growing under or between the photovoltaicpanels adapted to environmental changes by increasing chlorophyll content in peak growing season G uralensiscould adapt to the environment by changing the contents of soluble sugars，soluble proteins and other substancesin the body In conclusion，G uralensis can adapt to the environmental changes in photovoltaic power station bychanging its growth characteristics and physiological characteristicsKey words:photovoltaic power station;Glycyrrhiza uralensis;physiological characteristics;growth status;TheKubuqi Desert861干旱区资源与环境第 37 卷