《中国矿业》矿业综述 | 碳中和背景下煤矿区土地生态系统碳源/汇研究进展及其减排对策
2021.5.31
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化石燃料使用和土地利用变化是影响全球气候变暖的主要原因，工业革命以来的累计碳排放使全球平均气温上升2 ℃，气候变化将会导致全球生态安全迅速下降，严重威胁人类的可持续发展。当前CO2排放导致的气候变暖已成为人类面临的巨大挑战之一，全球许多国家都在制定缓解和适应气候变化的计划和政策。而我国力争2030年前实现碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和的目标，使得节能减排工作面临前所未有的重大挑战。我国是全球最大的矿产资源生产国、消费国和贸易国，是世界上举足轻重的矿业大国。能源消耗主要来源于煤炭，煤炭使用产生的CO2排放占我国CO2排放量的72%，占全球CO2排放量的19%。1987—2020年，我国因煤矿开采产生损毁土地2 700.12万亩。矿产资源开发在带动矿区经济发展和满足能源需求的同时，产生了大量极度退化的损毁土地，使区域碳平衡遭到严重破坏，导致矿区碳固存能力下降甚至丧失。在碳达峰和碳中和背景下，矿产资源开发产生的温室气体排放必然会引起国内外学者的关注和重视。 矿产资源开发形成的碳源/汇与区域生态系统碳循环机制交织耦合，构成了独特的矿区碳循环系统。众多学者从不同领域、不同角度对矿区碳源/汇展开研究，如矿区低碳土地利用、基于遥感手段核算矿区碳汇量、露天矿碳源构成、矿区节能减排对策等。作为世界上最大的发展中国家，我国能源消费量大，矿产资源开发强度大，土地损毁、土地退化问题严重，亟需厘清矿区碳源/汇研究进展。学术界关于森林、草地、农田等自然生态系统碳汇研究起步较早，已形成成熟的研究体系，但矿区土地生态系统碳源/汇研究尚处于起步阶段。本文在已有研究基础上，梳理矿区碳源/汇构成，分析矿区损毁土地生态系统碳排放和矿区复垦土地生态系统碳固存，总结矿区减排増汇途径，并提出未来矿区碳源/汇研究重点，以期为我国碳中和目标实现提供理论支持。 矿产资源开发产生的碳排放和已复垦排土场固存的碳汇与区域生态系统碳循环交织耦合，形成了相对外界开放的碳循环系统。矿产资源开发碳源主要来源于地表植被破坏、土壤质地改变和“剥离—开采—运输—排弃—复垦”中化石能源、炸药、电力等使用；矿区碳汇来源于已复垦的排土场，通过光合作用将大气中CO2固定在植被和土壤中(图1)。矿产资源开发导致原有耕地、林地、草地等高碳汇型用地转为矿坑、工业场地、排土场等碳源型用地，造成区域固碳能力的损失；采矿过程会对土壤物理、化学、生物特性有不同程度影响，致使土壤质地变化(如微生物、有机质含量变化)导致土壤碳汇降低甚至丧失。矿区“剥离—开采—运输—排弃—复垦”过程中碳排放分为直接和间接碳排放，直接碳排放包括：化石能源使用(柴油和汽油的使用)、炸药碳使用、煤层气逸散、原煤和煤矸石非受控自燃；间接碳排放指电力消耗属于其他公司拥有或控制的碳排放源。碳排放核算方法主要有排放因子法、质量平衡法和实测法。矿区碳排量核算普遍使用的是排放因子法，主要参考IPCC温室气体清单指南给出的碳排放因子，核算难点在于不同碳排放源之间碳排放因子的选择；质量平衡法是一种新的测量方法，明确区分各类实施设备和自然排放源之间的差异；实测法是根据碳排放源特点进行实测，结果精确，但获取难度较大，如矿区煤和煤矸石的自然量很难估计。 矿区土地复垦可以提升矿区碳汇功能，改变生物地球物理过程，缓解矿产资源开发过程中产生的碳排放。矿区碳汇构成主要包括植被和土壤碳汇，通过植物光合作用将大气中CO2固定在植被和土壤中，主要来源于矿区已复垦排土场的树木、草、农作物等，当植物枯死或凋落后，通过异养呼吸和分解过程将碳输送到植被和土壤中。土壤碳汇是陆地生态系统重要组成部分，包括土壤有机碳汇和无机碳汇，其容量是植被和大气碳固存能力的3～4倍；对于湿润和半湿润矿区而言，土壤碳汇多以有机碳形式存在，而对于干旱和半干旱矿区而言，土壤碳汇主要以无机碳形式存在。植被碳汇包括地上、地下植被和地表凋落物中固存的碳。碳汇量的计算方法主要包括样地清查法、涡度相关法、GIS方法以及模型模拟法。在植被碳汇量估算中主要应用的方法包括生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡度相关法、箱式法；土壤碳汇量估算主要方法包括土壤类型法、生命带类型法、GIS估算法、相关关系统计法。已有学者应用遥感技术和野外实测数据相结合的方法监测矿区复垦土地植被恢复状况，未来如何通过实地监测和高分辨率遥感数据核算碳排放和碳汇将成为研究的重点。 采矿前陆地生态系统大气碳库、植被碳库和土壤碳库彼此迁移转化，完成碳循环过程；在未受扰动的情况下，生态系统碳循环近似于平衡状态。在“植被移除—表土剥离—采矿—运输—排弃”采矿活动的剧烈扰动下产生大量损毁土地，由于土地利用类型发生变化、土壤理化性质改变、化石能源使用、自燃、煤层气逸散等导致生态系统碳循环过程发生改变，使得矿区碳固存能力下降甚至丧失(图2)。采矿前原地貌林地、草地、耕地等固碳能力较强，植被移除后导致固碳能力丧失，由碳汇型用地转变为碳源型用地；采矿过程导致土壤理化性质发生改变，进而造成土壤团聚体破坏、有机质分解。采矿过程中柴油、汽油等化石燃料使用是矿区碳排放的主要来源；对于煤矿区而言“采矿—运输—排弃”过程有时会发生煤和煤矸石自燃现象。采矿后损毁土地与采矿前原地貌相比，具有岩石比例高、土壤侵蚀敏感、渗透性低、营养不良等不利特性，制约矿区资源与环境可持续发展。采矿活动看似是对相对较小的地区造成干扰，实际上对当地的生态环境、碳循环过程造成巨大的压力。矿区通常处于特殊的地理位置，比邻城区和农区形成“矿—农—城”复合区，矿产资源开发由点—线—面—网逐渐向外扩展，严重影响周边地区大气、土壤和植被的碳交换过程。 矿产资源开发对区域碳循环产生的影响，具有外部性、长期性和无形性特征。外部性是指矿产资源开发对外部碳循环产生的影响，包括有利影响(正外部性，如土地复垦、土地整治工程)和不利影响(负外部性，如温室气体排放、水土流失)；长期性是指矿产资源开发对碳循环产生的影响是一个长期过程；无形性是指矿产资源开发对碳循环的破坏无法被明确界定，同时会给矿区带来一些隐性成本。2003年，中国工程院院士钱鸣高提出“绿色开采”理念，即考虑环境与资源保护的矿产资源开采方法。在开采过程中应防止或减轻矿产资源开发对环境和其他资源的破坏，实现矿产资源开发综合效益最佳。 我国是矿业大国，探寻矿区碳排放影响因素对于减缓温室气体排放具有十分重要的现实意义。当前，我国碳排放整体呈现东部地区排放量最大、中部地区次之、西部地区最少的地域特征，煤炭城市、有色金属和非金属型城市碳排放与经济发展呈正相关。随着采矿强度的提高和开采规模的扩大，矿区的碳固存能力不断降低。开采方式会对矿区碳排放产生影响，如对煤矿开采过程中的甲烷气体进行先抽后采，提高瓦斯气体利用率可以在一定程度上减少温室气体排放；在排土场设计时考虑运输距离，以减少化石燃料消耗产生的碳排放。加拿大已有研究表明碳排放与人口和技术存在U型关系，人口的增长将会导致更大的能源需求，进而产生更多的碳排放；印度正在尝试通过提高能源效率、使用清洁能源和先进技术减少对矿产资源的消耗强度，进而减少CO2排放。研究矿区碳排放影响因素及各影响因素作用力的大小可以更好地制定矿区减排政策，研究表明，碳排放量的大小受经济发展水平、采矿强度、开采规模、开采方式、技术水平等因素影响。 众多学者采用分解法确定碳排放随时间变化的驱动因素，结构分解(SDA)和指数分解(IDA)是被广泛应用的两种方法。SDA基于投入产出分解驱动力，能够对技术和需求变化进行更详细的分解；IDA是用于量化驱动因素对指标变化影响的另一种分解方法，其在环境政策领域的应用更为广泛，分解形式更加多样化，具有数据获取容易和可以分解连续年度数据的优势。 采矿活动导致矿区产生了大量极度退化的损毁土地，土地复垦是改善矿区生态环境和修复矿区损毁土地的重要途径，通过“地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观重现、生物多样性重组与保护”工程技术对矿区损毁土地进行修复，使其达到可供利用状态。矿区土地复垦应采取“前期人工诱导，后期自然恢复”的修复模式，加强对损毁土地的形态恢复和功能恢复，提升矿区生态系统碳固存能力。研究发现土地复垦工程实施可以较好恢复矿区开采造成的碳损失，复垦后土地的碳固存能力明显优于原地貌。 矿区土地生态系统碳固存一般经历4个阶段(图3)：第一阶段为原地貌未扰动状态，矿区碳库经过长期演变处于一个相对平衡状态；第二阶段为开采扰动阶段，地表植被遭到破坏产生碳损失，同时采矿活动中使用化石燃料产生大量CO2；第三阶段为采矿后复垦阶段，对矿区损毁土地采取相应措施使其恢复到原地貌状态；第四阶段为平衡阶段，复垦后的耕地、林地、草地经过长时间的演变碳库再次达到相对平衡态，科学高效的复垦措施可以增强矿区碳汇，缩短复垦后碳固存达到平衡态的时间。图3中A为低碳开采科学复垦模式，此情景下由于当地政府、矿山企业对节能减排工作重视，在开采过程产生更少的碳损失，及时复垦更早的固定碳汇；B为常规开采常规复垦模式，按照常规方法进行采矿作业和复垦工作；C为高能耗开采自然恢复模式，在采矿过程中由于机械陈旧、驾驶员操作不专业等导致高排放现象发生，在采矿结束后没有对损毁土地进行及时修复。 近年来，我国土地复垦事业蓬勃发展，土地复垦工程实施能够改良土壤、重建植被，提升矿区碳固存能力，可以有效弥补采矿活动产生的碳排放。对于绝大数矿区而言，主要将矿区损毁土地复垦为耕地、林地、草地，植被模式、立地条件、技术手段、管理方式等差异会导致矿区复垦土地碳固定能力存在偏差。对于降水条件好的矿区，复垦初期土壤碳固存林地优于草地和耕地；对于干旱降雨量少的矿区，复垦初期土壤碳累计草地优于林地和耕地。总的来说，随着复垦年限增加，矿区复垦土地固碳能力不断增加，且复垦土地固碳能力高于未复垦土地，在科学的土地复垦工程实施下矿区固碳能力甚至可以优于原地貌。 通常情况下，植被和土壤可以更好地吸收大气中的CO2，矿区碳汇主要来自于土壤和植被，矿产资源开发改变土壤理化性质、对地表植被群落造成破坏，导致矿区土壤和植被碳固存能力降低。土壤理化性质改变会对土壤碳固存产生影响，如土壤水分供应会间接影响植物的呼吸和光合作用；土壤侵蚀会加剧土壤有机质的氧化和矿化过程，导致CO2温室气体排放；开采过程中大型机械压实将阻碍土壤空气和水的交换，从而产生长期的、严重的、有时不可逆的破坏，从而对矿区碳库和生态系统功能产生负面的影响。土壤碳固存能力和土壤中氮含量、土壤孔隙度、土壤团聚体关系最为密切，当土壤中团聚体多而孔隙度小时，土壤呼吸会受到抑制从而利于矿区土壤有机碳的固定。黄土丘陵区复垦土地的坡位、坡向和坡度会对碳固存产生影响，表现为坡底>坡中>坡顶，半阴坡>半阳坡>阳坡>阴坡，坡度为6°～15°土壤有机碳固存达到峰值。复垦措施的不同也会对矿区碳固存能力产生影响，如在沙土中掺入黏土可以更好地固存养分和有机质，施有机肥和深耕可以提高土壤有机碳含量，表土剥离后直接用于复垦土地上可以对土壤有机碳累计起到加速作用。 植被类型可通过影响植物残体分解速率影响土壤有机碳含量及分布，不同植被类型对不同土层有机碳库的累计影响不同，矿区复垦土地植被选择上要结合矿区实际情况选择合适的物种。随着复垦年限的增加，矿区土壤和植被固碳能力不断提升，复垦初期碳固存增速较快，复垦后期碳固存年均增速会有所下降并逐渐趋向稳定。土地复垦需要长期的监测监管，注重复垦后期管护，防止过度放牧和管理不当导致土地退化、沙化等造成碳损失。 矿区节约集约指将土地损毁的数量及程度降到最低，强调“少占地、少损毁、多造地、快复垦”(图4)。“规划设计、剥离、运输、排弃、复垦利用”阶段全程协同实现矿区节约集约用地，做到整体保护、系统修复、综合治理。在规划设计环节通过工业场地选址、采区空间优化、排土场空间优化等实现少占地、少损毁；在“剥—运—排”环节通过“基地、主体、平台、边坡构筑”一体化地貌重塑工艺，实现少损毁、多造地；在复垦利用环节通过复垦技术优化、功能划分等实现快复垦。 矿区土地节约集约利用可以在很大程度上缓解矿区温室气体排放，其应遵循的5个原则即：减量化、再利用、再循环、再开发、再修复。在“规划设计”阶段减少矿产资源开发对耕林草“高碳汇”用地类型的扰动，在“剥—运—排”阶段以发展循环经济为导向实施节能、减排、降耗工程，根据“因地制宜”原则对矿区损毁土地进行及时有效的复垦。通过土地利用结构、规模、方式和布局优化实现矿区土地节约集约利用，根据矿产资源分布特征及矿产类型科学制定复垦方案；矿区开采过程全程协同，从利于减排角度采取相应措施，实现平面布局合理、空间设置适宜、时空安排有序的空间布局。 探索矿区节约集约用地模式有助于合理配置土地资源，优化土地利用结构，如何在矿产资源开发强度不变的情况下少占地、少损毁成为国内外学者关注的焦点。矿区开采通过“少占地、少损毁、多造地、矿复垦”技术手段，使得矿区土地利用实现“低排放、高碳汇、高效益”的发展状态。自然资源部国土整治中心与德国联合开展“中德低碳土地利用项目”，借鉴德国低碳土地整治经验，为我国低碳土地整治提供了参考，也有学者试图通过降低能源消耗、植树造林、优化土地利用结构等手段研究推行低碳土地利用。随着我国对低碳发展要求的不断提升，在现有思维、技术手段、管理措施下加强对矿区土地节地技术研究，成为矿山企业必须要面对的重要问题，矿区土地节约集约利用是实现矿区土地可持续的重要保障。 采矿行业在实现节能减排方面承受着巨大压力，清洁生产是实现矿区节能减排的有效途径。在采矿业中，清洁生产通常被解释为环境“最佳实践”与改善社会经济绩效水平的结合，从而实现矿区可持续发展。我国矿山企业已开始制定矿区的节能减排计划，以应对全球气候变化。当面临气候变化和未来资源短缺时，探索减少碳排放的途径而不是依赖进口其他国家的能源至关重要。 为了在采矿过程中实现节能减排，首先应从管理手段着手，通过管理改革提高整体运营效率。矿区碳管理是在采矿过程中通过专业手段实现CO2排放最小化，是一种新型管理模式，也是应对气候变化实现矿区可持续发展的有效管理手段。矿区碳管理研究框架见表1，从宏观尺度、中观尺度、微观尺度进行管理。宏观上了解矿产资源开发强度、土地损毁现状及未来开采规划，从宏观层面采取相应措施制定碳管理政策，形成矿区碳管理指导方针；中观层面明晰矿产资源开发对区域发展的影响，对碳汇量、碳排放量进行核算，对影响因素进行分析，并对未来情景进行预测，在中观层面对矿区碳排放进行控制；微观层面阐明碳管理的干预、对策及权衡的途径，矿区是一个涉及“矿区—农区—城区”的复合生态系统，需要统筹协调多方利益主体，在微观层面可以通过具体的操作实现减排增汇目标，如能源选择、排土场设计、开采方式选择等。 其次，必须通过政策手段要求矿区尽量减少能源消耗。矿山开采除了产生大量温室气体外，化石燃料的使用不仅对人体健康产生不利影响，还释放出大量CO2到大气中；政府部门应制定相应政策鼓励矿区寻找可替代燃料，如生物柴油和天然气/柴油混合物。与此同时，政府部门要加强资金投入，鼓励矿区使用绿色能源(如风能、太阳能)，对复垦后耕地实施撂荒、轮作或免耕，施加有机肥，推行秸秆还田，引领矿区向绿色、低碳开采转型。 最后，通过技术创新减少矿区碳排放。在设计排土场、工业场地时，将运输距离最小化，通过提高运输效率和缩短运距来实现矿区减排。对于露天矿区而言，运输占碳排放量的80%，使用传送带可以降低碳排放量和能源消耗。对于煤矿开采产生的瓦斯气体，做到“先抽后采，抽采达标”，提高瓦斯综合利用率，减少温室气体排放。矿区复垦植被选择上，应优先选择生长速率快、生命周期长的物种；在植被配置模式上要考虑树种耐阴程度、演替次序等属性。复垦过程中，煤矸石充填技术可有效降低煤矸石自燃产生的碳排放；注重复垦后矿区生态系统的长期监测监管，防止过度放牧导致复垦土地退化问题。 矿产资源开发造成温室气体排放主要源于化石能源使用和植被破坏产生的碳损失，土地复垦工程加速了矿区碳库的恢复。矿区土地生态系统碳源/汇研究是减少能源消耗、提升碳汇、实现我国碳中和目标的有效途径，应从更宏观的研究尺度，指导绿色、低碳矿区建设；从更丰富的科学内涵，确定矿区生态系统碳源/汇构成；从更具体的目标设定，优化矿区开采方案和复垦方案；从更合理的技术筛选，实现矿区减排增汇；从更精确的监测监管，减轻采矿活动和人类活动对区域碳循环的影响。因此，未来矿区土地生态系统碳源/汇研究可以从以下几个方面展开。 1) 建立科学的碳源/汇核算体系。目前矿区碳源/汇核算多是利用遥感、统计数据、IPCC清单指南等，从不同时间尺度、空间尺度对碳储量和碳排放量进行核算。未来应加强对核算方法的创新，探寻适合我国矿区的碳排放核算因子；应用高分辨率遥感数据与野外数据相结合的方法预测未来矿区土地生态系统碳源/汇对全球气候变化的响应等。 2) 构建矿区碳循环模型。对矿区碳循环机理进行分析，力求少占地、少损毁、多造地、快复垦，建立科学的矿区碳循环研究范式。碳循环研究具有较强的空间异质性，未来应开展不同气候带、不同地貌类型、不同复垦模式之间的矿区碳循环差异比较。 3) 加强对“矿—农—城”复合生态系统碳源/汇研究。现有研究分析了采矿活动对矿区层面的碳循环影响，没有综合考虑矿区位置的特殊性和矿产资源开发点—线—面—网的扩展过程，应综合考虑采矿活动对周边的农区、城区碳循环影响情况，统筹考虑生产、生活、生态问题。 4) 加强多尺度矿区生态系统碳源/汇研究。目前关于矿区碳循环研究多集中在区域层面，应加强对全国尺度碳循环的研究，注重国家顶层设计，立足国内实际，土地复垦工程的实施要顺应自然、尊重自然、保护自然。 5) 加强矿区碳排放和碳固存影响因素研究。影响矿区碳循环的因素众多，如开采方式、开采规模、土壤理化性质、植被配置模式等，亟需加强矿区层面碳循环影响因素研究，对各种影响因子作用力的大小和形式做出评估，从而提出更有针对性的矿区生态系统的增汇减排措施。 矿区碳源/汇构成
矿区损毁土地生态系统碳排放
2.1 矿区损毁土地碳排放
2.2 矿区碳排放影响因素
矿区复垦土地生态系统碳固存
3.1 矿区复垦土地碳固存恢复
3.2 矿区碳固存影响因素
矿区减排增汇途径
4.1 节约集约用地
4.2 矿区减排措施
结论与展望