“双碳”目标下矿山生态修复减排增汇措施研究
时间：2023-08-08 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 生态矿山 ★
“双碳”目标下矿山生态修复减排增汇措施研究
0 引言
碳达峰是指某一个时间节点，二氧化碳的排放量不再增长，并在达到峰值之后逐步下降。碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，碳中和最终的目标是实现二氧化碳“零新增排放”[1]。碳达峰是碳中和的基础，达峰时间的早晚和峰值的高低直接影响碳中和实现的时长和实现的难度[2]，而在碳中和的政策引领下，目前国家和地方层面的碳达峰行动方案也在紧锣密鼓地进行。
党的二十大报告中指出，“要推进美丽中国建设，坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展。”在我国能源及矿产资源紧缺的情况下，立足我国基本国情，平稳有效、稳妥务实地推进碳达峰、碳中和，持续推进能源革命的发展，加大力度促进清洁能源的高效利用。在碳达峰、碳中和政策支持下，我国在煤炭、石油等常规能源的使用占比将逐步降低，光伏、太阳能等新型低碳能源使用比例将逐步升高，能源替代和节能减排将是后期努力的主要方向，这就给很多能耗大、温室气体排放量大的矿山企业带来巨大压力[3]。传统的矿山生态修复方式主要为削坡治理、自然恢复、辅助再生、生态覆绿和转型利用等[4] ，而减排增汇的措施在矿山生态修复活动中的应用考虑较少，同时在传统矿山生态修复施工活动中一些人工干预的措施(如采用爆破的方式进行边坡治理)也会在不同程度上促使矿区二氧化碳排放量增加[5]。现阶段在矿山生态修复领域的大量研究多集中在土地复垦、边坡防护和矿区碳库排放等方面[6]，对矿山生态修复领域的减排增汇措施方面研究较少。因此，笔者对生态治理、固废、能源资源化利用以及巩固碳汇技术等方面对减排增汇的影响进行了研究，可为矿山生态修复减排增汇研究提供借鉴。
1 矿山修复领域减排增汇实施现状
21世纪以来，全球温室气体排放量快速增长，全球气候变暖形势严峻[7]，全球已有超过127个国家承诺碳中和，减少碳排放以应对气候变化成为全球共识[8]。矿产资源是国民经济发展的重要基础性资源，矿区植被和土壤之间形成一个相对稳定的碳库体系，在矿区开发过程中不合理的矿产资源利用对整个碳库体系在一定程度上会产生强烈的扰动，这也是影响矿区碳储存的主要因素之一[9]。矿山生态修复一方面可以使生态系统的碳汇能力得到不同程度的提高；另一方面通过恢复生态系统，使其达到平衡稳定，进而给矿区带来环境效益。
在国外减排增汇相关的案例中，如美国俄亥俄州区域的矿山，由于长期的开采活动，导致植被和土壤碳库体系碳损失高达约70%，而经过矿山生态修复后碳库体系的碳容量得到了增加，这部分增加的碳容量相当于美国俄亥俄州化石燃料50～60 a的碳排放量[10]；关于国内案例方面，我国淮北平原对矿区土地进行复垦，对废弃的矿山进行生态修复，已复垦土地面积达105 km2左右，二氧化碳的吸收量可增加到16.8×104 t/a[11]。
近年来，我国在矿山生态修复、地灾治理和土地复垦等方面出台了一系列政策，各地方根据自身矿区环境特点，因地制宜，逐步形成以政府单位为主导、社会资本等主体共同参与的多元化修复体系。受废弃矿山建设用地指标交易困难、各方主体参与矿山生态修复缺乏动力、施工企业参与矿山生态修复缺乏通道等因素影响，我国矿山生态修复旧账未还、又欠新账且失败工程屡见不鲜。为推进我国矿山生态修复，需加强基础理论研究，推动监管机制落地，吸引更多企业参与到矿山生态修复中来。随着国家政策对环境保护的高度重视，已形成了一批具有国内知名度的环保、环境修复专业公司，在推进矿山生态修复实施案例方面积累了一定的经验，具体措施如下所述。
(1)矿山尾矿资源化利用。在露天开采尾矿过程中会产生土石料，这些土石料和过去遗留的石料经过加工后可应用于矿区填埋等，如果石料有剩余，还可进行资源化利用对外销售，产生的收益可抵扣矿山生态修复的成本。例如安徽省凤阳县对全域矿山在矿山生态修复过程中产生的废弃石料以资源化利用的方式进行公开拍卖，据统计，2022年矿山治理产生石料约97万t，产生收益约9 330万元[12]，二氧化碳排放量可减少约4 850 t。
(2)土地指标进行流转。通过土地指标流转使原来被压占的矿区土地复垦为耕地等其他用地，避免废弃矿区土地暴露在大气中，使储存在地层内的温室气体(甲烷、二氧化碳等)给环境造成污染。同时通过改变用地类型使过去因超常规开采矿区中释放的温室气体得到吸收，在改善环境的同时还可以带来一定的经济效益和社会效益。矿区土地经过复垦后产生一些新增的耕地，这些新增的耕地指标流转为占补平衡补充耕地指标，可在省域范围内流转使用。例如江苏省南京市园博园矿山治理项目主要包括矿山生态地质环境修复、土地整治、土地指标流转、旅游产业建设等4个方面。目的是通过矿山生态修复打造成集剧院、隧道、温泉、酒店、展园为一体的旅游产业，预计直接收入可达400多亿元[13]。
(3)扩大产业集群效应。在土地指标流转减排增汇基础上扩大产业集群效应，通过矿山生态修复过程中与文旅、生态农业等产业项目合作，即生态农业促进矿区环境碳吸收，文旅在矿区碳吸收改善环境的基础上给矿区带来经济效益，关于这一方面目前在全国多地都进行了实践探索。例如安徽省马鞍山市向山地区生态环境综合治理EOD项目通过开展矿山生态修复工程、水务环保治理工程、土地整治工程、产业升级提升工程、EOD+项目等5大工程，构筑向山镇“村庄集聚美丽、环境宜居宜业、矿区生态修复、产业融合发展”的生态文明新格局，助力城市转型发展[14]。
(4)通过生态修复效益吸引资金投入。通过实施矿山生态修复获得的复合型收益吸引各方主体资金投入，实现矿山修复市场化运营良性循环。在环境收益方面，修复工程实施后，地质环境和生态环境得到根本性改善，保护了动植物生态系统的多样性与稳定性，促进了人与自然和谐相处。在社会收益方面，矿山生态修复能够显著改善矿区生态环境，完善矿区功能，有助于新的矿区生态景观形成，将矿业废地转变为商住用地、工业用地、高标准农田，通过土地集约利用，为地区产业转型发展提供空间；在经济效益方面，推进生态治理与产业融合发展，提高了城市品位，改善投资环境，增加了当地税收收入和财政收入，从而提高地方GDP，带动区域生态经济社会可持续发展。通过矿山治理复垦为高质量农田实现占补平衡，可以发展“大棚农业+花卉种植”产业模式以及项目建设吸纳地方农民就业，有效增加农民收入[15]。
2 地灾治理、土壤改良和植被重构助力减排增汇措施分析
矿山生态修复是指废弃矿山通过一定的措施或手段，使矿区以及周边生态系统逐步恢复的过程，这些措施主要为自然环境修复和人工干预等，每种修复措施的差异性以及各区域矿山生态环境的不同，会造成修复后的矿山呈现结果的多元化。矿山生态修复与“双碳”两者形成有机联系，协同推进矿区生产生活及生态环境建设向高质量发展[16]。
2.1 地灾治理
矿山地质灾害是指在矿山开采活动中，因大量采掘井巷破坏和岩土体变形以及矿区地质、水文地质条件与自然环境发生严重变化，危害人类生命财产安全、破坏采矿工程设备和矿区资源环境、影响采矿生产的灾害，如滑坡、泥石流、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自燃等。这些地质灾害的发生会造成过去储存在地层中的碳瞬间释放出来，释放到大气中造成温室效应，甚至会引发瓦斯爆炸等事故威胁矿区居民生产和生活，同时对周边生态系统的储碳/固碳能力也会造成不同程度的影响。因此在矿山生态修复过程中，针对矿区后期不同的利用类型、规划方向等，可采取不同的地质灾害修复技术进而保证矿区地层的稳定。一方面可以避免产生因不合理的矿山开采活动造成的塌陷区、不稳定边坡、危岩体等，另一方面也可以加强地质的稳定性，使矿区里的碳存储在稳定的地层当中[17]。
目前，矿山生态修复的主要核心技术措施有削坡、边坡防护、塌陷区填充治理、生态覆绿、水土保持和截排水建设等。2016年，国务院安委会办公室下发的《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》提到，在地灾治理减排增汇方面应用较多的为尾矿充填技术，主要针对的是地下开采，其安全隐患主要来自于地下未处理的采空区。目前行业内针对尾矿采空区的修复方法包括崩落法、封闭法和充填法等，具体情况根据塌陷区的沉陷特点、治理技术等进行分区、分级、分类治理，加强源头控制，把塌陷区的安全隐患降到最低[18]。其中充填法可采用尾矿填充采空区，可以对地表塌陷进行有效防止和控制，已在各地区得到了广泛应用。具体为将项目区以及项目区周边百公里之内的工业固废经过处理后填埋至采空区，这也是减污降碳的一种方式，不仅方便制备和运输，而且成本较低，在一定程度上可以将固废再利用。如煤矿煤矸石充填开采技术在山东、安徽、山西、内蒙古、河北、陕西、宁夏等省(区)应用最为广泛，最大充填煤矸石能力可达100万t/a，减碳量可达约15～20万t/a[19]。
2.2 土壤改良、植被重构
土壤改良、植被重构在矿区生态系统的减排增汇中发挥了极大的促进作用，同时矿山生态系统功能的恢复取决于矿山生态修复的土壤改良和植被重构。通过土壤改良可以改善土壤质量，土壤改良的全过程包括场地平整、柔性防护、有序排水、酸化控制、基质改良和土壤重构等，其中土壤重构包括土地备耕、土壤有毒物质沉降与淋溶、pH调整、土壤改良基质隔离、贫瘠土壤微生物原位改良等[20]。植被重构具体是指在土壤重构的基础上进行植物种植模式的遴选和匹配，具体包括微生物群落、土壤种子库和植被种植等方面的内容，通过植被重构可以促进矿区生态系统的恢复。土壤改良+植被重构技术路线如图1所示。
图1 土壤改良+植被重构技术路线
土壤质量和植被类型都直接作用于修复后的生态系统，不同生态系统碳汇能力的高低取决于不同的修复模式。一是土壤中有机碳的积累在一定程度上受土壤改良过程中不同土地复垦措施的影响，例如，矿区土壤类型为砂性土时，经过雨水长期淋溶作用会使土地有机质含量降低，造成土壤贫瘠化，在土地复垦时，按照一定的比例掺入粘性土可对土壤中的有机质含量起到固存作用，或者在过去贫瘠的土壤上覆盖含有有机质的耕植土，一方面有利于土壤中有机碳的积累，另一方面对后期植物种植、生态系统恢复及碳汇能力增加起到促进作用；二是在矿山生态修复覆绿过程中植被具有一定的储碳作用，其储碳量的多少与不同的植物类型有关，常见的植物储碳能力从小到大的排序为草本植物、红柳、水曲柳、松树、柏树等；三是植物碳库和土壤碳库是一个有机的整体，是不可分割的碳库体系，植被碳库的扰动也会在一定程度上影响土壤碳库，如在采煤塌陷区矿山植物修复过程中，分别种植侧柏林和火炬树林后，对土壤有机碳含量的提高前者大于后者[21]；四是矿山生态修复后随着时间的推移，生态系统的恢复和储碳能力逐步增强。
3 矿区固废、能源资源化利用助力减排增汇措施分析
3.1 矿区自身能源循环利用
矿山生态修复以及自身能源循环利用主要包括煤矿瓦斯清洁利用和尾矿资源化利用，在废弃煤矿中会存在煤层瓦斯(煤层气)，该气体的主要成分为甲烷、二氧化碳等。当空气中瓦斯含量为7%～12%时，遇火会引起爆炸造成事故，且该气体污染空气，对大气的危害程度相当于单纯二氧化碳的10～15倍。因此可以利用该部分气体作为燃料进行发电，一方面可以消除矿山瓦斯中的甲烷含量，另一方面利用其发电可供矿区生产以及周边居民生活使用，可以替代从电网购买的煤电为主的同等电量，从而减少温室气体的排放[22]。煤层瓦斯发电的优点在于可以避免常规发电过程中温室气体和其他污染物的排放，显著减少煤炭开采过程的温室气体排放，并为矿区周边居民提供更多的就业机会，从而促进我国矿山行业向资源综合利用、清洁矿山的方向发展。瓦斯能源利用工艺流程如图2所示。
图2 瓦斯能源利用工艺流程
尾矿是指在金属或者非金属矿山开采活动的过程中会产生一定的矿石，这些矿石经过选矿厂筛选、提纯后会产生一些废渣。尾矿从严格意义上说属于工业固废类别，目前我国尾矿的产生数量较大，随意排放将会造成资源流失，对土壤及地下水产生不同程度的污染，甚至会大面积淹没矿区周边农用地或淤塞河道，对环境造成污染。尾矿固体废弃物资源化利用减排增汇的方式主要有2种：一是利用尾矿废石经过加工后形成石子等建筑材料，可用于建筑施工，或者对于地下水煤矿采空区进行填充，这使矿区被压占的土地得到了恢复且有利于后期的土地利用及指标流转[23]；二是尾矿碳矿化，使尾矿中CO2封存起来的机理是二氧化碳与尾矿废石中的矿物质发生矿化反应生成相对稳定的碳酸盐矿物；三是尾渣中通常会含有多种金属，充分回收利用可产生可观的收益。具体是通过多种方式浸提，从矿渣中提取锌、银、铁等元素，进而使尾矿达到高效的资源化利用。例如昆钢集团股份有限公司对昆明大红山、研山矿中的铜和铁进行回收利用，取得了良好的收益。国外关于尾矿资源化利用方面也有相关方面的进展，位于乌兹别克斯坦撒马尔罕州的英吉奇卡钨矿，首次从尾矿中提取出钨精矿，并将继续研究生产具有高附加值的出口型钨产品，通过开发英吉奇卡钨矿的残渣和尾矿，预计可生产钨100 t/a，为当地创造150个就业岗位[24]，不仅避免了尾矿暴露到大气中产生碳排放污染，还能够带来一定的经济效益。
3.2 引进并发展新能源助力减排增汇
2021年10月，国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中指出，“到2025年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升。单位国内生产总值能耗比2020年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%；非化石能源消费比重达到20%左右；森林覆盖率达到24.1%，森林蓄积量达到180亿m3，为实现碳达峰、碳中和奠定坚实基础。到2030年，经济社会全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。单位国内生产总值能耗大幅下降；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上；森林覆盖率达到25%左右，森林蓄积量达到190亿m3，二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降。到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生新境界。”随着全域土地综合整治的大面积实施，废弃矿区全方位的综合生态修复治理，充分利用工程整治的空间范围、广大地域，扩大增加风电、太阳能技术系统投资和应用，可以成为矿山生态修复领域实施路径的方向[25]。
在碳中和背景下，矿山企业要想实现碳中和，可以通过发挥自身独特的优势，走节能减排、绿色低碳技术路线，因地制宜开发光伏、太阳能和风能等新能源。同时，鼓励购买“绿电”、发展“绿电”项目，这也进一步表明在“双碳”目标及政策的影响下，矿山企业在碳减排方面能够充分发挥主观能动性，在市场上也具有更大的竞争优势。“绿电”项目主要通过在排土场复垦区、自然山体场地安装太阳能发电装置，将所发电量并入动力部采区开闭所，代替矿山部分生产用电。如山西代县矿业公司初期完成山西1816排土场顶部平台和南部自然山体发电项目，总计发电能力达到3 MW，发电量约300万(kW·h)/a，实现自发自用绿电零突破，有效降低矿山生产中工业供电比例，同时实现碳减排量约为82.5万t/a。
目前，光伏扬水系统是矿区光伏行业应用较广泛的方向之一，其应用领域主要有农业节水灌溉、灌溉荒漠治理、水利抗旱提水、滴灌盐碱地改良、渗灌草原牧业、城市水景景观、村庄生活供水、海水淡化等[26]，是当前形式下助力碳中和的措施之一，其本质上是太阳能到水的势能的转变，光伏扬水系统的组成包括水泵、扬水逆变器和太阳电池阵列等，其优点是储能装置由原来的蓄电换成了现在的蓄水，以蓄水替代蓄电从而直接驱动水泵扬水，这一系统的改进避免了矿区扬水灌溉消耗电力等传统能源，节省用电量，同时避免了二氧化碳等温室气体的排放，从而增加了项目范围内的生态系统容量，改善了矿区及周边的生态环境，使生态系统向更稳定、更优化的方向发展。例如在新疆阿图什市、阿克陶县、阿合奇县和乌恰县这4个地方实施的光伏扬水系统，可实现低碳环保、零排放[27]。
在发展新能源减排增汇方面，内蒙古乌海能源有限责任公司在矿区积极响应国家碳中和目标及相关政策，规划利用已治理的矸石渣堆和采煤沉陷区，建设“光伏+矿山生态修复、采煤沉陷区生态治理综合利用项目”。项目建成可充分提高土地利用率，有效解决土地利用结构和布局，加强土壤的固碳能力，同时有利于土壤治理和建立良好的土地生态环境，且促进地区光伏产业规模化和基地化发展[29]。
4 碳汇能力巩固技术助力减排增汇措施
碳汇能力巩固主要包括生态固碳和技术固碳2个方面，生态固碳是对矿山进行覆绿，具体机理是通过矿山上的特定植物、树木的光合作用，吸收二氧化碳，从而进一步提升植被和土壤碳库体系的固碳能力；而技术固碳的核心主要为碳捕捉技术、碳利用技术和碳封存技术等[28]，技术固碳又称之为二氧化碳的“负排放”技术，目前对该技术的研究尚未形成体系，在应用过程中不确定因素较多，稳定性与生态固碳相比存在成本较高且在国内没有进行大规模应用等缺点。
技术固碳方面，其中的碳捕捉技术与其他2种核心技术相比在市场上应用广泛，对于从矿区释放到空气中的二氧化碳进行收集，这些二氧化碳是由于人类不合理的矿山开采活动产生，通过该技术可以避免其排放到大气中造成温室效应等环境问题。碳捕捉主要技术方向有3个，分别是碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用，通过该技术完成二氧化碳的捕捉后即对其封存，主要封存过程为先通过地勘调查矿区地下风化岩的深度、然后铺设管道至矿区地下岩层中，捕捉后的二氧化碳即通过管道注入岩层中长期储存。
生态固碳技术不仅是矿山覆绿的过程，在矿山生态修复过程中还应与产业相结合，给矿区带来社会、经济和环境效益的同时，可促进环境和社会的协调高质量发展，属于生态环境导向的开发模式(EOD)。有研究表明，美国、加拿大、法国和澳大利亚等国已在该模式上开展大量研究，并形成较为成熟的开发利用模式，且进行了规模应用[29]，因此植入绿色产业(如旅游生态景观、光伏发电等)可以有效解决当地就业、吸纳人才，也可成为矿山可持续发展的有力保障。
5 结语
矿山生态修复除了要考虑生态系统恢复以外，同时还需要兼顾自然生态系统和社会经济系统两大方面，生态修复过程也是一个促进碳减排的过程，后期在矿山生态修复过程中在生态修复、碳减排之间要充分权衡两者关系，在两者之间找到一个最佳的平衡点，还需要做大量的工作去探索。在后续的矿山生态修复工作中，通过地灾治理，土壤改良、植被重构，固废、能源资源化利用，固碳增汇技术，产业导入等方式可进行减排增汇，同时，还需要加大技术支撑，并在矿山修复实施过程中实时调整修复技术，建立切实有效的生态修复带动碳中和的技术体系，争取早日实现“双碳”目标。
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MA Xun, ZHANG Aiwei, HUANG Lei, et al. Research on measures for reducing emissions and increasing sinks in mine ecological restoration under the goals of carbon peak and carbon neutrality[J]. China Coal, 2023,49(6):109-115. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.016
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