碳中和背景下煤礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究進(jìn)展及其減排對(duì)策

大氣網(wǎng)訊:化石燃料使用和土地利用變化是影響全球氣候變暖的主要原因，工業(yè)革命以來的累計(jì)碳排放使全球平均氣溫上升2℃，氣候變化將會(huì)導(dǎo)致全球生態(tài)安全迅速下降，嚴(yán)重威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前CO2排放導(dǎo)致的氣候變暖已成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，全球許多國家都在制定緩解和適應(yīng)氣候變化的計(jì)劃和政策。而我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，使得節(jié)能減排工作面臨前所未有的重大挑戰(zhàn)。我國是全球最大的礦產(chǎn)資源生產(chǎn)國、消費(fèi)國和貿(mào)易國，是世界上舉足輕重的礦業(yè)大國。能源消耗主要來源于煤炭，煤炭使用產(chǎn)生的CO2排放占我國CO2排放量的72%，占全球CO2排放量的19%。1987—2020年，我國因煤礦開采產(chǎn)生損毀土地2700.12萬畝。礦產(chǎn)資源開發(fā)在帶動(dòng)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滿足能源需求的同時(shí)，產(chǎn)生了大量極度退化的損毀土地，使區(qū)域碳平衡遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致礦區(qū)碳固存能力下降甚至喪失。在碳達(dá)峰和碳中和背景下，礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的溫室氣體排放必然會(huì)引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視。

礦產(chǎn)資源開發(fā)形成的碳源/匯與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)制交織耦合，構(gòu)成了獨(dú)特的礦區(qū)碳循環(huán)系統(tǒng)。眾多學(xué)者從不同領(lǐng)域、不同角度對(duì)礦區(qū)碳源/匯展開研究，如礦區(qū)低碳土地利用、基于遙感手段核算礦區(qū)碳匯量、露天礦碳源構(gòu)成、礦區(qū)節(jié)能減排對(duì)策等。作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國能源消費(fèi)量大，礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度大，土地?fù)p毀、土地退化問題嚴(yán)重，亟需厘清礦區(qū)碳源/匯研究進(jìn)展。學(xué)術(shù)界關(guān)于森林、草地、農(nóng)田等自然生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究起步較早，已形成成熟的研究體系，但礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究尚處于起步階段。本文在已有研究基礎(chǔ)上，梳理礦區(qū)碳源/匯構(gòu)成，分析礦區(qū)損毀土地生態(tài)系統(tǒng)碳排放和礦區(qū)復(fù)墾土地生態(tài)系統(tǒng)碳固存，總結(jié)礦區(qū)減排増匯途徑，并提出未來礦區(qū)碳源/匯研究重點(diǎn)，以期為我國碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供理論支持。

01礦區(qū)碳源/匯構(gòu)成

礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的碳排放和已復(fù)墾排土場固存的碳匯與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)交織耦合，形成了相對(duì)外界開放的碳循環(huán)系統(tǒng)。礦產(chǎn)資源開發(fā)碳源主要來源于地表植被破壞、土壤質(zhì)地改變和“剝離—開采—運(yùn)輸—排棄—復(fù)墾”中化石能源、炸藥、電力等使用；礦區(qū)碳匯來源于已復(fù)墾的排土場，通過光合作用將大氣中CO2固定在植被和土壤中(圖1)。礦產(chǎn)資源開發(fā)導(dǎo)致原有耕地、林地、草地等高碳匯型用地轉(zhuǎn)為礦坑、工業(yè)場地、排土場等碳源型用地，造成區(qū)域固碳能力的損失；采礦過程會(huì)對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物特性有不同程度影響，致使土壤質(zhì)地變化(如微生物、有機(jī)質(zhì)含量變化)導(dǎo)致土壤碳匯降低甚至喪失。礦區(qū)“剝離—開采—運(yùn)輸—排棄—復(fù)墾”過程中碳排放分為直接和間接碳排放，直接碳排放包括：化石能源使用(柴油和汽油的使用)、炸藥碳使用、煤層氣逸散、原煤和煤矸石非受控自燃；間接碳排放指電力消耗屬于其他公司擁有或控制的碳排放源。碳排放核算方法主要有排放因子法、質(zhì)量平衡法和實(shí)測法。礦區(qū)碳排量核算普遍使用的是排放因子法，主要參考IPCC溫室氣體清單指南給出的碳排放因子，核算難點(diǎn)在于不同碳排放源之間碳排放因子的選擇；質(zhì)量平衡法是一種新的測量方法，明確區(qū)分各類實(shí)施設(shè)備和自然排放源之間的差異；實(shí)測法是根據(jù)碳排放源特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果精確，但獲取難度較大，如礦區(qū)煤和煤矸石的自然量很難估計(jì)。

圖1 礦區(qū)碳源/匯交換過程

礦區(qū)土地復(fù)墾可以提升礦區(qū)碳匯功能，改變生物地球物理過程，緩解礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中產(chǎn)生的碳排放。礦區(qū)碳匯構(gòu)成主要包括植被和土壤碳匯，通過植物光合作用將大氣中CO2固定在植被和土壤中，主要來源于礦區(qū)已復(fù)墾排土場的樹木、草、農(nóng)作物等，當(dāng)植物枯死或凋落后，通過異養(yǎng)呼吸和分解過程將碳輸送到植被和土壤中。土壤碳匯是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，包括土壤有機(jī)碳匯和無機(jī)碳匯，其容量是植被和大氣碳固存能力的3～4倍；對(duì)于濕潤和半濕潤礦區(qū)而言，土壤碳匯多以有機(jī)碳形式存在，而對(duì)于干旱和半干旱礦區(qū)而言，土壤碳匯主要以無機(jī)碳形式存在。植被碳匯包括地上、地下植被和地表凋落物中固存的碳。碳匯量的計(jì)算方法主要包括樣地清查法、渦度相關(guān)法、GIS方法以及模型模擬法。在植被碳匯量估算中主要應(yīng)用的方法包括生物量法、蓄積量法、生物量清單法、渦度相關(guān)法、箱式法；土壤碳匯量估算主要方法包括土壤類型法、生命帶類型法、GIS估算法、相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法。已有學(xué)者應(yīng)用遙感技術(shù)和野外實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法監(jiān)測礦區(qū)復(fù)墾土地植被恢復(fù)狀況，未來如何通過實(shí)地監(jiān)測和高分辨率遙感數(shù)據(jù)核算碳排放和碳匯將成為研究的重點(diǎn)。

02礦區(qū)損毀土地生態(tài)系統(tǒng)碳排放

2.1 礦區(qū)損毀土地碳排放

采礦前陸地生態(tài)系統(tǒng)大氣碳庫、植被碳庫和土壤碳庫彼此遷移轉(zhuǎn)化，完成碳循環(huán)過程；在未受擾動(dòng)的情況下，生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)近似于平衡狀態(tài)。在“植被移除—表土剝離—采礦—運(yùn)輸—排棄”采礦活動(dòng)的劇烈擾動(dòng)下產(chǎn)生大量損毀土地，由于土地利用類型發(fā)生變化、土壤理化性質(zhì)改變、化石能源使用、自燃、煤層氣逸散等導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程發(fā)生改變，使得礦區(qū)碳固存能力下降甚至喪失(圖2)。采礦前原地貌林地、草地、耕地等固碳能力較強(qiáng)，植被移除后導(dǎo)致固碳能力喪失，由碳匯型用地轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚葱陀玫?；采礦過程導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而造成土壤團(tuán)聚體破壞、有機(jī)質(zhì)分解。采礦過程中柴油、汽油等化石燃料使用是礦區(qū)碳排放的主要來源；對(duì)于煤礦區(qū)而言“采礦—運(yùn)輸—排棄”過程有時(shí)會(huì)發(fā)生煤和煤矸石自燃現(xiàn)象。采礦后損毀土地與采礦前原地貌相比，具有巖石比例高、土壤侵蝕敏感、滲透性低、營養(yǎng)不良等不利特性，制約礦區(qū)資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。采礦活動(dòng)看似是對(duì)相對(duì)較小的地區(qū)造成干擾，實(shí)際上對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、碳循環(huán)過程造成巨大的壓力。礦區(qū)通常處于特殊的地理位置，比鄰城區(qū)和農(nóng)區(qū)形成“礦—農(nóng)—城”復(fù)合區(qū)，礦產(chǎn)資源開發(fā)由點(diǎn)—線—面—網(wǎng)逐漸向外擴(kuò)展，嚴(yán)重影響周邊地區(qū)大氣、土壤和植被的碳交換過程。

圖2 礦區(qū)損毀土地碳排放

礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)區(qū)域碳循環(huán)產(chǎn)生的影響，具有外部性、長期性和無形性特征。外部性是指礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)外部碳循環(huán)產(chǎn)生的影響，包括有利影響(正外部性，如土地復(fù)墾、土地整治工程)和不利影響(負(fù)外部性，如溫室氣體排放、水土流失)；長期性是指礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生的影響是一個(gè)長期過程；無形性是指礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)碳循環(huán)的破壞無法被明確界定，同時(shí)會(huì)給礦區(qū)帶來一些隱性成本。2003年，中國工程院院士錢鳴高提出“綠色開采”理念，即考慮環(huán)境與資源保護(hù)的礦產(chǎn)資源開采方法。在開采過程中應(yīng)防止或減輕礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)環(huán)境和其他資源的破壞，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)綜合效益最佳。

2.2 礦區(qū)碳排放影響因素

我國是礦業(yè)大國，探尋礦區(qū)碳排放影響因素對(duì)于減緩溫室氣體排放具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，我國碳排放整體呈現(xiàn)東部地區(qū)排放量最大、中部地區(qū)次之、西部地區(qū)最少的地域特征，煤炭城市、有色金屬和非金屬型城市碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈正相關(guān)。隨著采礦強(qiáng)度的提高和開采規(guī)模的擴(kuò)大，礦區(qū)的碳固存能力不斷降低。開采方式會(huì)對(duì)礦區(qū)碳排放產(chǎn)生影響，如對(duì)煤礦開采過程中的甲烷氣體進(jìn)行先抽后采，提高瓦斯氣體利用率可以在一定程度上減少溫室氣體排放；在排土場設(shè)計(jì)時(shí)考慮運(yùn)輸距離，以減少化石燃料消耗產(chǎn)生的碳排放。加拿大已有研究表明碳排放與人口和技術(shù)存在U型關(guān)系，人口的增長將會(huì)導(dǎo)致更大的能源需求，進(jìn)而產(chǎn)生更多的碳排放；印度正在嘗試通過提高能源效率、使用清潔能源和先進(jìn)技術(shù)減少對(duì)礦產(chǎn)資源的消耗強(qiáng)度，進(jìn)而減少CO2排放。研究礦區(qū)碳排放影響因素及各影響因素作用力的大小可以更好地制定礦區(qū)減排政策，研究表明，碳排放量的大小受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、采礦強(qiáng)度、開采規(guī)模、開采方式、技術(shù)水平等因素影響。

眾多學(xué)者采用分解法確定碳排放隨時(shí)間變化的驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)構(gòu)分解(SDA)和指數(shù)分解(IDA)是被廣泛應(yīng)用的兩種方法。SDA基于投入產(chǎn)出分解驅(qū)動(dòng)力，能夠?qū)夹g(shù)和需求變化進(jìn)行更詳細(xì)的分解；IDA是用于量化驅(qū)動(dòng)因素對(duì)指標(biāo)變化影響的另一種分解方法，其在環(huán)境政策領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，分解形式更加多樣化，具有數(shù)據(jù)獲取容易和可以分解連續(xù)年度數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

03礦區(qū)復(fù)墾土地生態(tài)系統(tǒng)碳固存

3.1 礦區(qū)復(fù)墾土地碳固存恢復(fù)

采礦活動(dòng)導(dǎo)致礦區(qū)產(chǎn)生了大量極度退化的損毀土地，土地復(fù)墾是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和修復(fù)礦區(qū)損毀土地的重要途徑，通過“地貌重塑、土壤重構(gòu)、植被重建、景觀重現(xiàn)、生物多樣性重組與保護(hù)”工程技術(shù)對(duì)礦區(qū)損毀土地進(jìn)行修復(fù)，使其達(dá)到可供利用狀態(tài)。礦區(qū)土地復(fù)墾應(yīng)采取“前期人工誘導(dǎo)，后期自然恢復(fù)”的修復(fù)模式，加強(qiáng)對(duì)損毀土地的形態(tài)恢復(fù)和功能恢復(fù)，提升礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳固存能力。研究發(fā)現(xiàn)土地復(fù)墾工程實(shí)施可以較好恢復(fù)礦區(qū)開采造成的碳損失，復(fù)墾后土地的碳固存能力明顯優(yōu)于原地貌。

礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳固存一般經(jīng)歷4個(gè)階段(圖3)：第一階段為原地貌未擾動(dòng)狀態(tài)，礦區(qū)碳庫經(jīng)過長期演變處于一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)；第二階段為開采擾動(dòng)階段，地表植被遭到破壞產(chǎn)生碳損失，同時(shí)采礦活動(dòng)中使用化石燃料產(chǎn)生大量CO2；第三階段為采礦后復(fù)墾階段，對(duì)礦區(qū)損毀土地采取相應(yīng)措施使其恢復(fù)到原地貌狀態(tài)；第四階段為平衡階段，復(fù)墾后的耕地、林地、草地經(jīng)過長時(shí)間的演變碳庫再次達(dá)到相對(duì)平衡態(tài)，科學(xué)高效的復(fù)墾措施可以增強(qiáng)礦區(qū)碳匯，縮短復(fù)墾后碳固存達(dá)到平衡態(tài)的時(shí)間。圖3中A為低碳開采科學(xué)復(fù)墾模式，此情景下由于當(dāng)?shù)卣?、礦山企業(yè)對(duì)節(jié)能減排工作重視，在開采過程產(chǎn)生更少的碳損失，及時(shí)復(fù)墾更早的固定碳匯；B為常規(guī)開采常規(guī)復(fù)墾模式，按照常規(guī)方法進(jìn)行采礦作業(yè)和復(fù)墾工作；C為高能耗開采自然恢復(fù)模式，在采礦過程中由于機(jī)械陳舊、駕駛員操作不專業(yè)等導(dǎo)致高排放現(xiàn)象發(fā)生，在采礦結(jié)束后沒有對(duì)損毀土地進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。

圖3 礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳固存演變

近年來，我國土地復(fù)墾事業(yè)蓬勃發(fā)展，土地復(fù)墾工程實(shí)施能夠改良土壤、重建植被，提升礦區(qū)碳固存能力，可以有效彌補(bǔ)采礦活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放。對(duì)于絕大數(shù)礦區(qū)而言，主要將礦區(qū)損毀土地復(fù)墾為耕地、林地、草地，植被模式、立地條件、技術(shù)手段、管理方式等差異會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)復(fù)墾土地碳固定能力存在偏差。對(duì)于降水條件好的礦區(qū)，復(fù)墾初期土壤碳固存林地優(yōu)于草地和耕地；對(duì)于干旱降雨量少的礦區(qū)，復(fù)墾初期土壤碳累計(jì)草地優(yōu)于林地和耕地。總的來說，隨著復(fù)墾年限增加，礦區(qū)復(fù)墾土地固碳能力不斷增加，且復(fù)墾土地固碳能力高于未復(fù)墾土地，在科學(xué)的土地復(fù)墾工程實(shí)施下礦區(qū)固碳能力甚至可以優(yōu)于原地貌。

3.2 礦區(qū)碳固存影響因素

通常情況下，植被和土壤可以更好地吸收大氣中的CO2，礦區(qū)碳匯主要來自于土壤和植被，礦產(chǎn)資源開發(fā)改變土壤理化性質(zhì)、對(duì)地表植被群落造成破壞，導(dǎo)致礦區(qū)土壤和植被碳固存能力降低。土壤理化性質(zhì)改變會(huì)對(duì)土壤碳固存產(chǎn)生影響，如土壤水分供應(yīng)會(huì)間接影響植物的呼吸和光合作用；土壤侵蝕會(huì)加劇土壤有機(jī)質(zhì)的氧化和礦化過程，導(dǎo)致CO2溫室氣體排放；開采過程中大型機(jī)械壓實(shí)將阻礙土壤空氣和水的交換，從而產(chǎn)生長期的、嚴(yán)重的、有時(shí)不可逆的破壞，從而對(duì)礦區(qū)碳庫和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生負(fù)面的影響。土壤碳固存能力和土壤中氮含量、土壤孔隙度、土壤團(tuán)聚體關(guān)系最為密切，當(dāng)土壤中團(tuán)聚體多而孔隙度小時(shí)，土壤呼吸會(huì)受到抑制從而利于礦區(qū)土壤有機(jī)碳的固定。黃土丘陵區(qū)復(fù)墾土地的坡位、坡向和坡度會(huì)對(duì)碳固存產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂，半陰坡>半陽坡>陽坡>陰坡，坡度為6°～15°土壤有機(jī)碳固存達(dá)到峰值。復(fù)墾措施的不同也會(huì)對(duì)礦區(qū)碳固存能力產(chǎn)生影響，如在沙土中摻入黏土可以更好地固存養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)，施有機(jī)肥和深耕可以提高土壤有機(jī)碳含量，表土剝離后直接用于復(fù)墾土地上可以對(duì)土壤有機(jī)碳累計(jì)起到加速作用。

植被類型可通過影響植物殘?bào)w分解速率影響土壤有機(jī)碳含量及分布，不同植被類型對(duì)不同土層有機(jī)碳庫的累計(jì)影響不同，礦區(qū)復(fù)墾土地植被選擇上要結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況選擇合適的物種。隨著復(fù)墾年限的增加，礦區(qū)土壤和植被固碳能力不斷提升，復(fù)墾初期碳固存增速較快，復(fù)墾后期碳固存年均增速會(huì)有所下降并逐漸趨向穩(wěn)定。土地復(fù)墾需要長期的監(jiān)測監(jiān)管，注重復(fù)墾后期管護(hù)，防止過度放牧和管理不當(dāng)導(dǎo)致土地退化、沙化等造成碳損失。

04礦區(qū)減排增匯途徑

4.1 節(jié)約集約用地

礦區(qū)節(jié)約集約指將土地?fù)p毀的數(shù)量及程度降到最低，強(qiáng)調(diào)“少占地、少損毀、多造地、快復(fù)墾”(圖4)。“規(guī)劃設(shè)計(jì)、剝離、運(yùn)輸、排棄、復(fù)墾利用”階段全程協(xié)同實(shí)現(xiàn)礦區(qū)節(jié)約集約用地，做到整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理。在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過工業(yè)場地選址、采區(qū)空間優(yōu)化、排土場空間優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)少占地、少損毀；在“剝—運(yùn)—排”環(huán)節(jié)通過“基地、主體、平臺(tái)、邊坡構(gòu)筑”一體化地貌重塑工藝，實(shí)現(xiàn)少損毀、多造地；在復(fù)墾利用環(huán)節(jié)通過復(fù)墾技術(shù)優(yōu)化、功能劃分等實(shí)現(xiàn)快復(fù)墾。

圖4 礦區(qū)節(jié)約集約用地途徑

礦區(qū)土地節(jié)約集約利用可以在很大程度上緩解礦區(qū)溫室氣體排放，其應(yīng)遵循的5個(gè)原則即：減量化、再利用、再循環(huán)、再開發(fā)、再修復(fù)。在“規(guī)劃設(shè)計(jì)”階段減少礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)耕林草“高碳匯”用地類型的擾動(dòng)，在“剝—運(yùn)—排”階段以發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向?qū)嵤┕?jié)能、減排、降耗工程，根據(jù)“因地制宜”原則對(duì)礦區(qū)損毀土地進(jìn)行及時(shí)有效的復(fù)墾。通過土地利用結(jié)構(gòu)、規(guī)模、方式和布局優(yōu)化實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地節(jié)約集約利用，根據(jù)礦產(chǎn)資源分布特征及礦產(chǎn)類型科學(xué)制定復(fù)墾方案；礦區(qū)開采過程全程協(xié)同，從利于減排角度采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)平面布局合理、空間設(shè)置適宜、時(shí)空安排有序的空間布局。

探索礦區(qū)節(jié)約集約用地模式有助于合理配置土地資源，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，如何在礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度不變的情況下少占地、少損毀成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。礦區(qū)開采通過“少占地、少損毀、多造地、礦復(fù)墾”技術(shù)手段，使得礦區(qū)土地利用實(shí)現(xiàn)“低排放、高碳匯、高效益”的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。自然資源部國土整治中心與德國聯(lián)合開展“中德低碳土地利用項(xiàng)目”，借鑒德國低碳土地整治經(jīng)驗(yàn)，為我國低碳土地整治提供了參考，也有學(xué)者試圖通過降低能源消耗、植樹造林、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)等手段研究推行低碳土地利用。隨著我國對(duì)低碳發(fā)展要求的不斷提升，在現(xiàn)有思維、技術(shù)手段、管理措施下加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)土地節(jié)地技術(shù)研究，成為礦山企業(yè)必須要面對(duì)的重要問題，礦區(qū)土地節(jié)約集約利用是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地可持續(xù)的重要保障。

4.2 礦區(qū)減排措施

采礦行業(yè)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排方面承受著巨大壓力，清潔生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)節(jié)能減排的有效途徑。在采礦業(yè)中，清潔生產(chǎn)通常被解釋為環(huán)境“最佳實(shí)踐”與改善社會(huì)經(jīng)濟(jì)績效水平的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。我國礦山企業(yè)已開始制定礦區(qū)的節(jié)能減排計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)全球氣候變化。當(dāng)面臨氣候變化和未來資源短缺時(shí)，探索減少碳排放的途徑而不是依賴進(jìn)口其他國家的能源至關(guān)重要。

為了在采礦過程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，首先應(yīng)從管理手段著手，通過管理改革提高整體運(yùn)營效率。礦區(qū)碳管理是在采礦過程中通過專業(yè)手段實(shí)現(xiàn)CO2排放最小化，是一種新型管理模式，也是應(yīng)對(duì)氣候變化實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效管理手段。礦區(qū)碳管理研究框架見表1，從宏觀尺度、中觀尺度、微觀尺度進(jìn)行管理。宏觀上了解礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度、土地?fù)p毀現(xiàn)狀及未來開采規(guī)劃，從宏觀層面采取相應(yīng)措施制定碳管理政策，形成礦區(qū)碳管理指導(dǎo)方針；中觀層面明晰礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)區(qū)域發(fā)展的影響，對(duì)碳匯量、碳排放量進(jìn)行核算，對(duì)影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)未來情景進(jìn)行預(yù)測，在中觀層面對(duì)礦區(qū)碳排放進(jìn)行控制；微觀層面闡明碳管理的干預(yù)、對(duì)策及權(quán)衡的途徑，礦區(qū)是一個(gè)涉及“礦區(qū)—農(nóng)區(qū)—城區(qū)”的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多方利益主體，在微觀層面可以通過具體的操作實(shí)現(xiàn)減排增匯目標(biāo)，如能源選擇、排土場設(shè)計(jì)、開采方式選擇等。

表1 礦區(qū)碳管理研究框架

其次，必須通過政策手段要求礦區(qū)盡量減少能源消耗。礦山開采除了產(chǎn)生大量溫室氣體外，化石燃料的使用不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響，還釋放出大量CO2到大氣中；政府部門應(yīng)制定相應(yīng)政策鼓勵(lì)礦區(qū)尋找可替代燃料，如生物柴油和天然氣/柴油混合物。與此同時(shí)，政府部門要加強(qiáng)資金投入，鼓勵(lì)礦區(qū)使用綠色能源(如風(fēng)能、太陽能)，對(duì)復(fù)墾后耕地實(shí)施撂荒、輪作或免耕，施加有機(jī)肥，推行秸稈還田，引領(lǐng)礦區(qū)向綠色、低碳開采轉(zhuǎn)型。

最后，通過技術(shù)創(chuàng)新減少礦區(qū)碳排放。在設(shè)計(jì)排土場、工業(yè)場地時(shí)，將運(yùn)輸距離最小化，通過提高運(yùn)輸效率和縮短運(yùn)距來實(shí)現(xiàn)礦區(qū)減排。對(duì)于露天礦區(qū)而言，運(yùn)輸占碳排放量的80%，使用傳送帶可以降低碳排放量和能源消耗。對(duì)于煤礦開采產(chǎn)生的瓦斯氣體，做到“先抽后采，抽采達(dá)標(biāo)”，提高瓦斯綜合利用率，減少溫室氣體排放。礦區(qū)復(fù)墾植被選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇生長速率快、生命周期長的物種；在植被配置模式上要考慮樹種耐陰程度、演替次序等屬性。復(fù)墾過程中，煤矸石充填技術(shù)可有效降低煤矸石自燃產(chǎn)生的碳排放；注重復(fù)墾后礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的長期監(jiān)測監(jiān)管，防止過度放牧導(dǎo)致復(fù)墾土地退化問題。

05結(jié)論與展望

礦產(chǎn)資源開發(fā)造成溫室氣體排放主要源于化石能源使用和植被破壞產(chǎn)生的碳損失，土地復(fù)墾工程加速了礦區(qū)碳庫的恢復(fù)。礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究是減少能源消耗、提升碳匯、實(shí)現(xiàn)我國碳中和目標(biāo)的有效途徑，應(yīng)從更宏觀的研究尺度，指導(dǎo)綠色、低碳礦區(qū)建設(shè)；從更豐富的科學(xué)內(nèi)涵，確定礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯構(gòu)成；從更具體的目標(biāo)設(shè)定，優(yōu)化礦區(qū)開采方案和復(fù)墾方案；從更合理的技術(shù)篩選，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)減排增匯；從更精確的監(jiān)測監(jiān)管，減輕采礦活動(dòng)和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域碳循環(huán)的影響。因此，未來礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究可以從以下幾個(gè)方面展開。

1) 建立科學(xué)的碳源/匯核算體系。目前礦區(qū)碳源/匯核算多是利用遙感、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、IPCC清單指南等，從不同時(shí)間尺度、空間尺度對(duì)碳儲(chǔ)量和碳排放量進(jìn)行核算。未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)核算方法的創(chuàng)新，探尋適合我國礦區(qū)的碳排放核算因子；應(yīng)用高分辨率遙感數(shù)據(jù)與野外數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法預(yù)測未來礦區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)等。

2) 構(gòu)建礦區(qū)碳循環(huán)模型。對(duì)礦區(qū)碳循環(huán)機(jī)理進(jìn)行分析，力求少占地、少損毀、多造地、快復(fù)墾，建立科學(xué)的礦區(qū)碳循環(huán)研究范式。碳循環(huán)研究具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，未來應(yīng)開展不同氣候帶、不同地貌類型、不同復(fù)墾模式之間的礦區(qū)碳循環(huán)差異比較。

3) 加強(qiáng)對(duì)“礦—農(nóng)—城”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究。現(xiàn)有研究分析了采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)層面的碳循環(huán)影響，沒有綜合考慮礦區(qū)位置的特殊性和礦產(chǎn)資源開發(fā)點(diǎn)—線—面—網(wǎng)的擴(kuò)展過程，應(yīng)綜合考慮采礦活動(dòng)對(duì)周邊的農(nóng)區(qū)、城區(qū)碳循環(huán)影響情況，統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)問題。

4) 加強(qiáng)多尺度礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究。目前關(guān)于礦區(qū)碳循環(huán)研究多集中在區(qū)域?qū)用?，?yīng)加強(qiáng)對(duì)全國尺度碳循環(huán)的研究，注重國家頂層設(shè)計(jì)，立足國內(nèi)實(shí)際，土地復(fù)墾工程的實(shí)施要順應(yīng)自然、尊重自然、保護(hù)自然。

5) 加強(qiáng)礦區(qū)碳排放和碳固存影響因素研究。影響礦區(qū)碳循環(huán)的因素眾多，如開采方式、開采規(guī)模、土壤理化性質(zhì)、植被配置模式等，亟需加強(qiáng)礦區(qū)層面碳循環(huán)影響因素研究，對(duì)各種影響因子作用力的大小和形式做出評(píng)估，從而提出更有針對(duì)性的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的增匯減排措施。