提升中国矿山生态恢复固碳潜力的优先行动

陈浮 ,  朱燕峰 ,  毕银丽 ,  杨永均 ,  马静 ,  彭苏萍

Engineering ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4) : 20 -25.

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Engineering ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4) : 20 -25. DOI: 10.1016/j.eng.2024.09.012
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High-Priority Actions to Improve Carbon Sequestration Potential for Mining Ecological Restoration in China

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陈浮,朱燕峰,毕银丽,杨永均,马静,彭苏萍. 提升中国矿山生态恢复固碳潜力的优先行动[J]. 工程(英文), 2025, 47(4): 20-25 DOI:10.1016/j.eng.2024.09.012

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1 引言

土地利用变化是促进全球气候变化的关键因素。采矿活动是许多地区土地利用变化的最直接原因,破坏了土壤、植被和生物多样性,导致陆地生态系统碳循环失衡。联合国大会强调了大规模恢复退化土地的必要性,并宣布2021—2030年为全球生态系统恢复十年[12],这有助于提高全球对退化土地生态修复的认识。世界各地主要的矿业公司在未来10~15年内最大限度地减少碳排放,力争2050年实现净零排放[34]。中国政府已将煤炭年生产能力削减3.2亿吨[4]。此外,中国政府已经下令关闭了2万多座矿山,这些废弃矿山亟待开展生态修复。尽管中国矿山土地复垦和生态治理已有40多年,但主要聚焦于地质灾害消除和植被恢复,对矿山退化土地碳固持研究几乎空白[5]。

本研究简要介绍了中国矿产资源空间分布、采矿损毁土地面积及治理情况,探讨了矿区生态修复的碳汇形成机制,并提出了加强矿山生态碳汇关键技术的研发方向。因此,本研究将为全球决策者和实践者提供科学基准。

2 中国采矿损毁土地及其治理状况

当前,中国约有非油气矿山11万座,矿山土地总面积为104 000 km2,占国土总面积的1.08% [6]。其中,在产矿山77 700个,在建矿山11 300多个,关闭矿山22 200个,分别占69.8%、10.2%和20.0%。截至2019年,中国采矿累计损毁土地面积达36 100 km2。采矿损毁土地主要分布于华北、东北和西北地区,占全国总量的81.5%。山西、内蒙古、河北、山东、新疆和甘肃六个省(自治区)损毁土地面积均超过200 000 hm2。按损毁土地类型划分,采矿场损毁土地1 459 300 hm2,采空区塌陷损毁844 500 hm2,固废堆放等压占土地1 306 700 hm2。从采矿种类上看,煤炭开采损毁的总量最大,约为135 260 hm2,占全国采矿损毁总量的37.46%;建材和化工原料非金属矿山次之,分别占总量的32.40%和14.73% [7](图1)。

20世纪90年代,中国政府主导的矿山生态修复开始大规模实施,主要以消除地质灾害隐患和植被恢复为目标。2006年,中国财政部、国土资源部、环境保护部联合发布了《关于逐步建立矿山环境治理和生态恢复责任机制的指导意见》,提出设立矿山地质环境治理专项基金,专门用于矿山生态环境治理[7]。然而,矿业经济受国际市场波动的影响极大。市场低迷时一些矿山企业宁愿放弃开采权,也不愿承担巨额的矿山生态修复成本,严重干扰了矿山地质环境治理的执行力度,并且中国历史遗留矿山未治理情况十分普遍。与国际上主要国家的矿山土地复垦率(50%~70%)相比,中国矿山土地复垦率(30%)明显偏低[3]。截至2019年,中国累计矿山生态治理面积仅930 800 hm2,仍有2 679 700 hm2损毁土地未得到治理。值得注意的是,在已完成的矿山生态修复工程中,也积累了一些成功的经验和模式。例如,江苏省徐州市将采煤塌陷地治理与城市规划、新农村建设、生态农业相结合,形成了著名的潘安湖城市湿地生态系统。根据2019年自然资源部印发的《关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见》,中国采矿损毁治理面积达65 000 hm2,首次大于新增采矿损毁土地面积(48 000 hm2)[8]。然而,在当前矿山修复技术和资金投入条件下,仍未得到治理的2 679 700 hm2的废弃矿山土地和今后新增的采矿损毁土地面积巨大,治理任务任重而道远。

3 矿山生态修复碳汇形成机制

陆地生态系统碳库的75%储存在土壤中,主要来源于植物光合碳的转移[9]。采矿引发的植被破坏和水土流失是矿区土壤碳库损失的主要原因。受损矿山土壤碳库的稳定性差,如地表植被减少导致土壤温度升高,从而加大了有机碳的矿化速率[10]。因此,矿区生态修复的最重要一步是植被覆盖,并提高土壤肥力。通常情况下,矿山土地复垦主要采用先充填煤矸石、粉煤灰等固体废弃物,再回填表土并机械压实,最后重建植被覆盖的方法。但是,复垦土壤的质地差、结构散、肥力低、渗透性弱,不同植被适应性迥异,一些矿山自身自然情况又十分恶劣,导致植被存活并形成生态碳汇的难度巨大,不利于碳封存[11]。

矿区土壤碳固存机制主要包括物理作用、化学作用、生物作用及其交互作用(图2)。具体如下。

3.1 土壤团聚体

土壤恢复和植被重建可以促进团聚体发育,并增加有机碳的积累。土壤团聚体对碳的长期封存具有重要意义,它们保护碳免受分解,使有机碳的停留时间更长。活性有机碳组分以及土壤自身属性(如养分状况、酸碱性和盐分含量等)因素会对有机碳的分布和储量产生最直接影响[12]。

3.2 黏土矿物交互

高价铁铝氧化物和黏土矿物通过配位体置换、高价离子键桥、范德华力和络合作用等提高土壤有机碳稳定性[13]。由于矿物质可以保存动植物残体和微生物代谢产生的可溶性有机化合物,因此土壤有机碳的积累很大程度上取决于铁铝氧化物的巨大表面积对可溶性有机物的吸附能力。微生物-矿物-有机碳的相互作用对矿区碳的保存起着重要调控作用[14]。金属氧化物、黏土矿物组成、黏粒含量及其表面性质会强烈影响土壤有机碳的稳定性。黏土矿物具有较强的表面吸附能力,更易吸附降解性较差的疏水性有机碳。除直接影响有机碳的稳定性外,黏土矿物和铁铝氧化物还通过土壤团聚过程对稳定性产生间接影响[15]。

3.3 凋落物降解

重建的植被类型是影响矿区土壤有机质浓度的重要因素,其直接影响凋落物输入的质量和数量。例如,与森林土壤相比,草地土壤因其高有机质生产率而表现出更高的有机碳储量[16]。另外一些研究表明,复垦表层土壤中有机碳的增加可能是由于较高的植被覆盖率,其中森林表土的有机碳来源主要为凋落物的输入[1718],而在草地中主要为地下根系(特别是细根)的分解[19]。

3.4 微生物调控

土壤碳库储量和稳定性与微生物活性显著相关,且不同类群的微生物对有机质分解的贡献存在差异。例如,微生物和酶在有机质矿化过程中发挥重要作用,其对有机物的选择性分解可将较难降解的复杂化学物质富集,形成土壤有机质物理性保护作用[20]。另外,某些微生物具有特殊的固碳机制。例如,假单胞菌属等含有叶绿素的微生物可固定有机碳;β-变形菌可降解芳香化合物进行呼吸作用[21]。研究表明,微生物群落的生长速度和效率越高,土壤中碳的积累就越多[22]。有机碳的化学结构和复杂性取决于微生物“体内周转”和“体外修饰”两种途径的相对贡献。经过微生物持续的“体内周转”,不同化学成分的外源性有机碳输入将趋于相同;而“体外修饰”使得植物源碳组分趋于不同[23]。另外,某些微生物及其代谢产物(如微生物产生的难降解细胞壁和复杂聚合物)也是难降解有机碳的重要成分。

3.5 生物过程调节

与自然形成的土壤不同,矿区复垦土壤是由采矿过程中挖掘的覆盖层建造的。这些土壤通常具有不利的物理、化学和生物条件,如养分水平低,土壤结构差且受到淋溶重金属、有机物质污染,因此受扰动程度较高[24]。另外,中国矿山生态环境条件具有复杂、多维度和地域分异特征。例如,具有腐殖质和非腐殖质物质属性的土壤有机碳组分被认为是湿润和半湿润矿区土壤中碳的主要存在形式;而在干旱半干旱矿区土壤中,土壤无机碳是主要的碳形式,由碳酸盐和碳酸氢盐等物质组成[2526]。

气候变化、土地利用和管理实践等因素亦影响碳汇的形成与稳定性。不过,这些因素对有机碳的形成及稳定性会随着修复年限的推移逐渐弱化,这是矿山修复生态系统由次生演替转化为近自然演替的结果。矿山修复初期,植被生长状况、土壤养分、土壤微生物等对气候、人为管理的敏感性极高,介导了土壤碳汇的形成与稳定性[27]。

4 中国矿区生态修复可持续提升策略

在全球范围内,采矿和相关的土地利用变化是土壤碳库损失和温室气体排放的重要贡献者。换言之,可持续的修复实践和适当的采后生态系统管理将为全球气候危机提供巨大的缓解潜力。因此,本文提出了4个支撑未来可持续提升退化矿区土壤碳汇的研究方向和关键技术策略(图3)。

4.1 准确估算矿区修复生态碳汇

准确估算矿区生态修复对全球碳汇的贡献到底有多大仍是一个巨大的挑战,主要原因是不同复垦模式下矿区碳汇具有高度的空间异质性以及矿区碳汇估算方法的误差。尽管大量研究在场地尺度上量化了植被和土壤中的碳储量,但当研究结果扩大到区域尺度时,存在很大的不确定性。无论是通过清单研究还是涡协方差测量,碳的风横向转移都很少被估量[28]。此外,大多数碳通量监测数据来自人为干扰较低的地点,但在退化矿区缺乏长期监测。因此,需要整合各种方法来加强退化矿区有机和无机碳动力学以及横向碳转移的测量。这可以通过结合地面库存、磁通量监测和模型仿真来实现。此外,现代遥感技术(如高光谱成像、数字摄影测量和激光扫描)能够在大区域尺度上监测植被动态,并有效估计土壤碳库的大小和分布。通过准确量化不同时空尺度上矿区碳平衡的变化,还可以确定优先修复或实施碳固存项目的最佳位置[29]。

4.2 扭转非生物过程的影响

非生物过程驱动了土壤碳循环,可能导致土壤有机和无机碳的损失。最近的研究表明,非生物过程及其驱动的植物和微生物活动可以极大地改变土壤碳固存和营养循环[30]。并且,非生物过程对全球变化的响应具有高度的不确定性。相较于自然非生物过程,当前研究对采矿引起的非生物过程及其介导的碳效应关注很少。例如,采煤破坏了地下围岩原有的应力平衡,将极大增加地面裂缝和坍塌的频率,造成水土流失和土壤侵蚀,导致碳的迅速流失。另外,重金属富集阻碍微生物对外源碳的调控,酸沉降增加引起无机碳损失并激活重金属毒性,从而产生负反馈,不利于整个生态系统的碳储存[31]。此外,其他非生物过程(如降雨量、气温变化或光照引起的光降解变化)都可能显著改变矿区碳平衡,但这些过程受到的关注非常有限。因此,需要进一步的研究工作来确定非生物过程的变化可能影响未来矿区生态修复碳平衡的过程,明确它们如何相互作用以及与生物过程之间的关系。更好地了解非生物过程对矿区碳循环的相对贡献将为保护或增加碳储量提供科学的证据。

4.3 开发多功效的“绿色”技术

适当的复垦技术和复垦后管理策略对矿山生态修复至关重要。研究表明,利用矿山和其他有机废弃物重塑土壤以进行矿山复垦,可以抵消高达60%(1.00 Gt CO2当量)的土壤CO2排放[32]。对地形和水流的重新设计,可以最大限度地抑制水土流失,并为植被恢复提供介质基础。此外,越来越多的证据表明,碳基技术在提高土壤质量和固定土壤中重金属方面具有巨大的潜力。生物质衍生的碳材料已成为修复工程中的流行材料。据估计,如果广东省的所有农业生物质都能碳化并返回农业用地,大约每年可以封存900万吨碳在土壤中[33]。然而,在矿区修复中,应用这些持久性生物炭缓解温室气体排放和稳固土壤碳的前景未被量化。作为外源碳输入,其在修复中的可持续性评估及其与非生物因子的相互作用仍需深入探究。

将植被恢复到近自然状态是矿区复垦的关键。然而,植被凋落物的数量和质量及其菌根的碳输入具有显著差异性,不同植被类型对环境的适应性迥异,未来研究工作须进一步筛选符合本地矿区复垦的植被物种。另外,采矿后的土地必须通过开发由地面植被(草豆科植物)、灌木层、亚树层、冠层和涌现层组成的分层植被覆盖体系来恢复生态,但各植被类型引入时机、碳足迹分析未被充分考虑在内[34]。

当前,微生物技术是各领域的研究热点。事实上,根据卡尔文-本森-巴沙姆循环固定CO2的自养微生物(如蓝藻和光自养细菌)在土壤碳平衡中发挥着核心作用。现代分子生物学的高速发展和高通量测序技术的普及,大大提高了基因技术定向筛选和合成特定功能的微生物的可能性。总之,绿色技术已经成为中国“双碳”目标愿景下的新命题。为了在最短的时间内最大化矿区修复的固碳效应,仍然需要做出更多努力来统筹以提高这些技术的效益。

4.4 完善适应性管理策略

矿区生态系统是一个多稳态系统,具有动态性。因此,复垦工程实施后,矿区恢复程度的衡量与紧急方案的应对,必须建立综合和整体的适应性管理框架和行动指南。例如,黄土高原区采用生物技术与工程技术相结合的生态恢复措施,先引入先锋植物,促进有机质的增长,再引入适生植被[35];内蒙古草原区重点关注草原和草甸植被的恢复,以生物技术为主、工程技术为辅[36]。

另外,根据生态系统变化情况,修正和改进矿区生态保护修复政策和实践措施,针对不同阶段特征进行差异性管理,促使矿区生态系统恢复或正在达到稳定的自我维持、自我复原的状态。

正如上述提到的,恢复中的矿山生态系统是动态的,因此矿区生态修复碳汇潜力提升技术是耦合的,这是我们必须强调的。矿区生态修复的提碳峰值是进阶的——从修复初期的敏感状态到修复后期的自维持阶段,因此必须明确在生态恢复阶段限制生态碳汇提高的主要驱动因素,按照实际情况合理地配置生态修复的技术手段。这将有利于碳汇的长期稳定和提升。

当前,中国经济发展离不开能源消耗,而能源消耗又与碳排放息息相关。如何既保证能源安全,又减少碳排放,是改变部分行业和地方政府碳减排不力现状的重要途径。因此,按照中国经济结构,单纯减少煤炭使用量在目前是不可取的,煤炭行业必须“绿色化”。过去30年,西方国家将大部分制造业转移至中国,导致中国土地和大气被污染。西方国家保留了“后工业化”版图,而中国却被迫过度工业化。另外,西方政府在敦促中国减少碳排放的同时,屡屡拒绝履行相应的减排义务。例如,2017年6月1日,美国政府宣布将拒绝接受2015年《巴黎协定》。

中国政府已为未来几十年的经济增长做出战略规划。2021年7月,中共中央明确调整了中国的“碳减排”策略,要求制定系统性计划,在确保新能源安全可靠的前提下逐步淘汰传统化石燃料。中国的煤炭行业在未来可能实现“更绿色”的净零排放模式。因此,采矿碳补偿行动在中国是自上而下的、强有力的,与美国或全球主义者的碳排放控制政策的反复变化无关[37]。

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