庫布齊沙漠光伏電板干擾對2a生沙打旺生理特征的影響

　　摘要：合理利用光伏電板周邊空間發展種植是光伏電站生態產業示范的核心內容。為了揭示光伏電站生境下沙打旺的生理響應特征，選取庫布齊沙漠光伏電板前沿、板后沿、板下三種典型部位的沙打旺(Astragalus adsurgens )為研究對象，對其葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、MDA、SOD 及 CAT 等生理指標進行了測定。結果表明：光伏電站內沙打旺葉綠素含量均較對照有所提高，其中板下位置增幅最大，達 44.65%;板前沿、后沿、板下相應位置葉綠素 a/b 較對照分別降低 0.51%、8.06%、17.53%，反映出沙打旺在板下位置藍紫光捕光能力增強;沙打旺可溶性糖分別比對照下降了 5.84%、24.08%、21.58%，可見電板遮擋不利于可溶性糖的合成;板前沿、板后沿、板下相應位置可溶性蛋白較對照分別增加 7.39%、3.99%、1.28%，說明沙打旺在電板周邊位置表現出較好的保水性能，適應性較強;各處理 SOD 與 CAT 活性均較對照有所增強，起到了很好的清除 O 2-與 H2O2 保護作用，并延緩植物衰老進度，表現出較強的適應性。

　　本文源自通旭芳; 汪季; 程波; 張慧敏， 內蒙古農業大學學報(自然科學版) 發表時間：2021-04-29 《內蒙古農業大學學報》雜志，于1957年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:15-1209/S，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：機電工程、水利與土木建筑工程、計算機應用等。

　　關鍵詞：光伏電板;沙打旺;葉綠素;滲透物質;酶活性

　　為了緩解資源緊張的社會現狀，國家在沙漠地帶大范圍布設了光伏電站，利用無限清潔的太陽能資源解決電能需求，這樣的發電方式在我國已經很常見了。由于沙漠區域內生態環境惡劣，植物稀少，所以對于沙區環境下光伏電站對植物的影響鮮有報道，學者們的研究多集中在小氣候方面，光伏電站的建設直接或間接的影響著局部氣流、降水、太陽輻射、空氣溫濕度等因子[1]，對當地本就脆弱的生態環境產生了擾動影響[2]，進而影響植物生境[3]。有學者通過試驗研究發現，面對不同的生境脅迫，植物會表現出不同的適應性：閆天芳等人[4] 對披堿草屬的牧草在干旱脅迫下的影響發現，植物的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖含量均發生增加現象，SOD 活性先上升后下降;李鵬輝等人[5]對煙草幼苗的研究發現干旱脅迫提高了幼苗葉綠素含量、增強了 SOD、CAT 活性，增加了可溶性蛋白與脯氨酸含量，降低丙二醛含量;薛菲等人[6]對胡枝子的鹽堿脅迫研究發現其葉片的脯氨酸與可溶性糖含量發生增加趨勢，周琦[7]對歐洲鵝耳櫪的研究發現丙二醛與脯氨酸含量隨鹽脅迫程度的加劇而增加，但植物可以通過調節滲透物質與保護酶活性來適應生境;對于光照條件的改變，劉翠菊[8]對耐冬山茶的研究發現，全光照使得植物葉綠素含量下降，生境脅迫的研究已有許多，因此對于沙區光伏電站干擾下人工植被的變化響應及適應性的研究迫在眉睫，且闡明其生理適應性有利于充分合理利用光伏電板周邊空間位置，發揮其上部發電下部種植的最大化優點，同時也利于當地生態恢復與防風固沙。

　　1 材料與方法

　　1.1 樣地概況

　　該研究區位于庫布齊沙漠北緣鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮工業園區內，地理位置 (107°10′_111°45′E，37°20′_39°50′N)[9]，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量 227 mm，年均蒸發量 2 400 mm [10]，土壤為風沙土，平均蓋度不足 5%，試驗樣地選擇億利生態三期光伏電站(100 MW)，2016 年投入使用，電板呈東西走向，一行由 12 塊電板組成，一塊電板有 34 塊電池，板面尺寸為 200 cm×850 cm，傾斜角度為 36°，板后沿與地面距離為 230 cm，板前沿與地面距離為 30 cm，相鄰板間距離為 900 cm。

　　1.2 試驗設計

　　為了合理利用電板周邊空間位置以及實現更好的防風固沙效能，于 2016 年在板間、板前沿、板后沿、板下種植沙打旺，種植方式穴播(如圖 1)，考慮到下墊面的影響以及成活率，下覆基質統一紅粘土處理，在風沙期過后雨季之前，將種子置于洞穴內，株距 60 cm，行距 100 cm，覆 1~2 cm 土層。以無電板遮擋區作為對照，于 2018 年生長季(5-9 月)，按照呈東西方向布設的 4 條樣線，分別采集板前沿 1(位于板前沿垂直方向前 10 cm 處)、板后沿 2(位于板后沿垂直方向前后 20 cm 處)、板下 3、對照 4 的沙打旺中上部無泥土葉片 7-8 枝，按指標分開采樣，各取 3 個重復，置于自封袋中并放入冷藏保溫箱，帶回實驗室備用，按要求將葉片去除莖脈，并稱取各指標相應克數進行生理實驗。

　　1.3 指標測定

　　葉綠素(Chl)采用80%丙酮提取比色法：經過丙酮提取使用分光光度計測定646 nm及663 nm 波長下的吸光度值。可溶性蛋白采用考馬斯亮藍法：用考馬斯亮藍得蛋白提取液，于 595 nm 波長下比色，記錄吸光度值。可溶性糖采用蒽酮比色法：將定量蒽酮溶于濃 H2SO4 中，提取可溶性糖，最后測定 620 nm 波長下的吸光度值。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進行提取，并于4 000 r/min及3 000 r/min離心兩次，測定532 nm、 600 nm、450 nm 處的吸光度。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑(NBT)法：按照顯色反應試劑配制表進行液體提取，測定 560 nm 處的吸光度。過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法：緩沖液提取后在 4 000 r/min 下離心 15 min，240 nm 波長測定[11]。

　　1.4 數據處理

　　數據采用 Excel 進行統計并制圖，用 spss17.0 進行方差分析，并用字母進行顯著性分析的標記。

　　2 結果與分析

　　2.1 電板干擾下沙打旺葉綠素含量變化

　　由表 1 可知，整體上電板周邊沙打旺葉綠素含量高于對照，葉綠素 a 含量表現為：板下> 板前沿>板后沿>對照，板前沿、板后沿及板下分別較對照增加了 17.05%、14.87%、79.49%，其中板下增幅最大，板下含量比對照顯著增加，而板前沿、板后沿與對照無差異;葉綠素 b 含量表現為：板下>板后沿>板前沿>對照，各位置分別較對照增加了 33.12%、34.42%、 158.44%，板下增幅最大，板下比對照顯著增加;總葉綠素含量表現為：板下>板前沿>板后沿>對照，板前沿、板后沿及板下分別較對照增加了 19.83%、18.33%、92.60%，且板下與對照顯著不同;葉綠素 a/b 表現為：板下<板后沿<板前沿<對照，板前沿、板后沿及板下分別較對照降低了 11.77%、15.41%、30.94%，板下降幅最大，對照與板后沿和板下的差異最為明顯，與板前沿差異較小。

　　2.2 電板干擾下沙打旺滲透物質含量變化

　　由圖 2 可知，光伏電板周邊各位置的可溶性糖含量均較對照有減少，呈現板后沿<板下 <板前沿<對照，板前沿、板后沿、板下分別比對照下降了 5.84%、24.08%、21.58%，其中板后沿的可溶性糖含量最低，降幅最大，對照與板后沿及板下差異顯著，與板前沿無差異，板后沿與板下之間也無差異;可溶性蛋白與可溶性糖的變化情況相反，呈現板前沿>板后沿> 板下>對照，分別較對照含量增加了 7.39%、3.99%、1.28%，其中板前沿增幅最大，板下增幅最小，且對照與電板各位置無差異，光伏電板周邊各位置之間也并無差異。

　　2.3 電板干擾下沙打旺 MDA 含量變化

　　由圖 3 可知，在電板周邊各位置的丙二醛含量呈板前沿<板后沿<板下，板前沿與板后沿的丙二醛含量低于對照，分別比對照降低了 51.52%、20.20%，其中板前沿降幅較大，板下與對照相比增加了 42.42%，且對照與各位置有明顯差異，板下與板前沿和板后沿分別差異顯著，而板前沿與板后沿無差異。

　　2.4 電板干擾下沙打旺酶活性變化

　　由圖 4 可知，光伏電板各位置的超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化氫酶(CAT)的活性與對照相比均有增加：SOD 活性表現出對照<板下<板前沿<板后沿，板前沿、板后沿、板下的酶活性較對照分別增強了 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，且各位置比對照有顯著增加，板下比板前沿和板后沿有顯著降低，而板前沿與板后沿之間并無差異;CAT 表現出對照<板前沿<板后沿<板下，各位置酶活性較對照分別增強了 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，且對照與各位置無差異。

　　3 討論

　　植物的生長狀況受到許多因素的綜合作用，光伏電站的布設直接或間接的對局部氣候產生了影響，從而改變了沙打旺生存所需的溫度、濕度、水分、太陽輻射等生態因子，由此對其生理質量做出影響。

　　3.1 光伏電板干擾對沙打旺葉綠素的影響

　　葉綠素含量的高低直接反應出植物光合作用的強弱與能力[12]，而葉綠素含量與太陽輻射的多少有直接關系，有研究表明植物會在弱光條件下合成更多的葉綠素，加強捕光能力，從而提高對光能的利用率[13]。光伏電板的遮擋，直接減少了太陽對地面的直射時間與面積，降低了太陽輻射量，殷代英[14]通過光伏電站對共和盆地荒漠區微氣候的影響研究，發現試驗期間 8 月與 9 月的無光伏電板遮擋的對照點的太陽總輻射分別為 641.93 MJ·m-2、505.45 MJ·m-2，而電站內分別為 569.45 MJ·m-2、470.97 MJ·m-2，對比之下分別降低了 11.3%與 6.8%，因此沙打旺通過增加葉綠素含量來適應光伏電板的干擾;各位置葉綠素 a/b 減小，說明沙打旺通過增加葉綠素 b 的含量來更多的吸收藍紫光[15]，捕捉更多的光量子[8];還有研究認為葉綠素的增加與土壤水分有關[16]，周紫鵑[17]對紅砂的研究佐證了這一結論，與山前荒漠和山前戈壁相比，較為干旱的中游戈壁的葉綠素含量最高，王濤[18]發現光伏電站的遮蔭降低了土壤含水率，本研究中板下由于電板遮擋，遮蔭時間最長，達 9h(觀測時間為 07:00-19:00)，因此電板周邊各位置葉綠素含量高于對照。

　　3.2 光伏電板干擾對沙打旺滲透物質的影響

　　可溶性蛋白、可溶性糖是植物體內的滲透物質，起到了非常重要的調節作用。可溶性蛋白表現為板前沿、板后沿及板下的含量高于對照。參考其他學者的研究發現，高溫情況下會使得植物[19]，溫度降低可以增加蛋白含量[20]。光伏電板的布設降低了周邊的空氣溫度與土壤溫度，劉建、龐真真[21]對“農地種電”型光伏電站的研究證明了光伏電板有降低周邊空氣溫度的作用，研究發現光伏組件下部<光伏陣列間<露地溫度，三者之間最大差值為 2.4℃，殷代英[14]發現電站內的氣溫低于對照且電站內的土壤溫度較對照處的溫度低，10 cm、20 cm、 40cm 處平均土壤溫度分別降低了 17.2%、16.75%、16.09%，高曉清[22]研究光伏電站對格爾木荒漠地區土壤溫度的影響證明了站內溫度明顯低于對照，說明光伏電板可以起到隔熱作用，趙鵬宇[1]對烏蘭布和沙漠邊緣的光伏電站所做的研究也證明了該結論，表明曠野 (35.89℃)>電站南部(34.76℃)>北部區域(34.72℃)>電站中心(32.69℃)，這些變化促進了可溶性蛋白的積累，這與郭力宇[23]對歐洲鵝耳櫪的研究結果一致;且光伏電板的布設改變了降水的分配情況，導致沙打旺對水分的吸收有所變化，需要通過增加蛋白質含量以實現降低水勢，提高貯水能力，維持其生長所需水分的目的。

　　可溶性糖含量的降低與太陽輻射減少密切相關，殷代英[14]、高曉清[22]、常兆豐[24]均發現了光伏電站的布設減少了太陽輻射量，光伏電板將部分太陽能轉換為電能，結果表明 1m2 的光伏電板轉換的太陽能相當于民勤沙區 260.75 m 2 沙漠植被利用的太陽能，直接減少了太陽對地面的輻射量，楊渺[25]對假儉草的研究也發現了糖含量與光照密切相關。

　　3.3 光伏電板干擾對沙打旺 MDA、SOD、CAT 的影響

　　丙二醛是衡量植物細胞受損程度的指標，本試驗發現板前沿與板后沿的丙二醛含量低于對照，但差異較小，說明這 2 個位置的生境條件與對照基本一致，而板下含量顯著高于對照，說明板下生境條件發生大幅度改變，對沙打旺生長產生不利。除了文中上述提到的光伏電板的布設降低了太陽輻射、土壤含水率、空氣溫度及土壤溫度之外，電站內的風速也會明顯減小[1][14][26][27]，殷代英[14]研究發現電站內的平均風速為 1.94m/s，比對照降低了 53.92%，趙鵬宇[1]發現電板前檐、后檐及行道的風速顯著低于曠野。周茂榮[28]、盧霞[29]等人研究發現光伏電板的遮擋作用使得局部蒸發量減少。以上這些由光伏電站的布設對局部小氣候所導致的作用，使得各位置沙打旺生境受到不同程度的影響。SOD 與 CAT 協同作用對植物起到一定的保護作用，板前沿與板后沿在 MDA 含量低于對照的同時酶活性高于對照，說明 2 種酶起到了很好的保護作用降低了膜脂被傷害的程度，而板下 MDA 含量高于對照，兩種酶活性也高于對照，說明板下沙打旺活性氧的產生超出了保護酶的清除能力。

　　4 結論

　　光伏電板周邊 3 個位置 2 a 生沙打旺葉片的葉綠素含量、可溶性蛋白含量、SOD 及 CAT 活性均大于對照，各位置降低了葉綠素 a/b 值，板前沿及板后沿 MDA 含量小于對照，這些變化有利于提高沙打旺的光能捕獲能力與光能利用率，提高細胞持水性，較對照表現出更好的適應性，延緩沙打旺的衰老速度。