礦區土地復墾碳減排效果測度模型與實證分析

張黎明，張紹良，侯湖平，張 毅，許幫貴(．中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 6；.淮北礦業集團技術中心，安徽 淮北 35006)

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礦區土地復墾碳減排效果測度模型與實證分析

張黎明1，張紹良1，侯湖平1，張 毅2，許幫貴2
(1．中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.淮北礦業集團技術中心，安徽 淮北 235006)

礦區土地復墾是改善礦區受損生態環境和恢復破壞土地利用的重要技術途徑，但它對土壤碳庫和植被碳庫的作用及其大小目前研究還不充分。本文以淮北礦區為例，在綜合現有農地、林地、濕地、草地、建設用地等碳源碳匯模型的基礎上，建立了礦區土地復墾碳減排效果測度模型并評估了淮北礦區土地復墾碳減排效果。結果表明：耕地(復墾前)—耕地(復墾后)的復墾模式的碳匯能力有所提高，廢棄地—耕地、林地的碳減排效果最顯著，積水區向其它用地類型轉化的碳減排效應并不明顯甚至會變成碳源，煤矸石充填復墾可有效減少CO2的潛在排放。測算結果表明，淮北礦區已復墾的1.05×104hm2損毀土地，年CO2吸收量可增加1.68×108kg，碳減排效益明顯。由此證明，礦區土地復墾是礦山碳減排的一條重要途徑。

土地復墾；碳減排；測度模型；淮北礦區

關于碳排放測度方法，主要有兩類：一是基于靜態氣室法[8]、渦渡相關法[9-10]、光合儀測定[11]等的碳通量直接測量；二是根據實地樣本采集[12]、已有普查統計資料[13]、遙感解譯模擬[14]等獲得數據，通過建立模型間接測算。對此，本文在綜合現有農地、林地、濕地、草地等碳源碳匯模型的基礎上，對復墾前后土地CO2吸收量進行測算，通過礦區復墾前后碳吸收能力的差異來評估復墾的碳減排潛力，然后以淮北礦區為例進行實證分析。

1 研究區概況

淮北礦區位于安徽省北部，介于東經115°58′～117°12′、北緯33°20′～34°28′之間。礦區東西長約140km，南北寬約110km，面積9600km2，其中含煤面積約4100km2。據淮北礦業集團統計，該區采煤造成的塌陷土地達2×104hm2。截至2013年，礦區累計復墾面積約為1.05×104hm2。復墾前后各用地類型詳細面積情況見表1，其中煤矸石充填復墾面積約2.3×103hm2，占總復墾面積的21.9%，填充煤矸石累計使用量約3.78×1010kg。

表1 復墾前后用地類型及其面積

注：數據來源于淮北礦業集團統計結果。

2 測度模型

不同用地方式間碳匯能力存在明顯差異，而且同一利用方式的土地因其區位、土壤、管理方式等的不同碳匯能力也不同。正是這種差異性，使得礦區損毀土地復墾前后不同用途單位面積的碳匯能力(碳源視為負的碳匯)會有一個Δi的變化(i=1，2，…，14，表示不同用地類型)，如圖1所示。那么土地復墾總體碳減排效果測度模型可用式(1)表示：

(1)

式中：ΔC為復墾前后碳匯差異總量；Δi第i類不同用地類型間單位面積碳匯增量；Si第i類不同用地類型間轉換面積。考慮各類型用地轉換面積統計的不確定性，可將式(1)轉化為式(2)，其中Ca為復墾后區域碳匯總量；Cb為復墾前區域碳匯總量。Ca可通過對復墾前區域常年積水區、荒草地、蘆葦濕地、耕地、廢棄地等各類型用地CO2固定量求和得到，Cb則可通過對復墾后區域林地、魚塘、耕地、建設用地等各類型用地CO2固定量的求和得到。

圖1 復墾前后土地利用變化示意圖
注：其他廢棄地指復墾前裸地、廢棄居民點等用地類型；;耕地指復墾前受損耕地；耕地*指已復墾治理耕地；濕地指季節性積水區形成的類濕地類型。

2.1 耕地碳匯測算模型

耕地主要通過農作物的光合作用將大氣中的碳同化為有機碳固定在植物體內，植被固定的碳量的估算常采用作物經濟產量-生物量-含碳量的計算模型，其計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：Cd指農作物生育期CO2吸存總量(光合作用-呼吸作用)，kg；Cdi指i類農作物的CO2吸存量，kg；Ci指i類農作物的含碳率；Pi指i類農作物的產量，kg；Vi指i類農作物果實的含水率；Ri指i類農作物的根冠比；Hi指i類作物的經濟系數；44/12指C與CO2轉化系數即CO2分子量與C分子量之比。各作物含碳率、含水率、根冠比、經濟系數參數取值見表2。

黨的十九大立足新時代新征程，作出了建設交通強國的重大決策部署，這是全國人民對交通運輸工作的殷切期望，也是新時代全體交通人為之奮斗的新使命。四川省委省政府立足省情、對標全國、放眼世界，提出了“加快建設交通強省”戰略目標。

表2 作物碳儲量估算參數表

注：參數因子引自參考文獻[15]。

農地在利用過程中的碳源效應也不可忽視。碳源類型可以歸納為：農藥、農膜、化肥生產和使用過程中直接或間接引起的碳排放；農業機械使用時柴油消耗引起的碳排放；灌溉過程因電能的消耗間接引起的碳排放。據相關研究[16-18]，各類碳源的碳排放系數分別為：農藥4.9341kg/kg、農膜5.18kg/kg、化肥0.8956kg/kg、柴油0.5927kg/kg，可見，該類碳釋放總量與其使用量有線性關系，可采用式(4)計算。

(4)

式中：Cr指農地CO2釋放總量，kg；Ai指各類碳源的使用總量，kg；δi指各類碳源的碳排放系數。

現有研究表明水稻田在水稻生長發育過程中，腐殖質等在微生物厭氧作用下會釋放CH4氣體，《省級溫室氣體排放清單指南》[19]中單季稻生育期內CH4排放量的推薦數值為215.5kg/hm2。CH4與C02雖同為溫室氣體，但兩種氣體的溫室效應存在顯著差異，據IPCC第二次評估報告，CH4氣體是C02氣體的25倍。鑒于CH4氣體的增溫能力，可將CH4釋放量轉化為產生同等增溫效果的CO2當量，具體見式(5)。

Cδ=S×φ×25

(5)

式中：Cδ指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的CO2當量，kg；S指稻田種植面積，hm2；φ指CH4氣體排放系數，取值排放清單中推薦數值即215.5kg/hm2；25為CH4與當量CO2的轉化系數。

綜上，農地CO2吸收總量與CO2釋放總量的差值即為農地年可從大氣中固定的CO2固定總量。具體公式為式(6)。

Eα=Cd-Cr-Cδ

(6)

式中：Eα指農地年可從大氣中吸存的CO2總量，kg；Cd指農作物生育期CO2吸存總量，kg；Cr指農地CO2釋放總量，kg；Cδ指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的CO2當量，kg。

2.2 林地碳匯測算模型

林地CO2固定總量采用林木年凈增長生物量中的含碳總量估算。可以實地統計所得林地林木蓄積量數據為基礎，通過蓄積量與林木密度的乘積估算林木樹干生物量，再根據樹干生物量占活立木總生物量的比例推算出林木總生物量，進而估算CO2固定總量，具體測算公式見式(7)。

(7)

式中：Eβ指林地CO2固定總量，kg；Vi指林木蓄積量，m3；ρi指樹干密度，kg/m3；Ri指林木總生物量中樹干生物量所占比例；fi指林木含碳率；44/12指C與CO2轉化系數。由于研究條件的限制，林木總生物量中樹干生物量所占比例R值參考了王效科等[20]的已有研究成果。其對森林生態系統內部生物量分配結果統計分析后得出R的均值為0.5183。林木樹干、樹皮、樹枝、樹根等器官含碳率的不同使林木含碳率的確定變得極為困難，故采用GEF中國林業溫室氣體清單課題組的研究成果0.5作為平均含碳率。

2.3 草地碳匯測算模型

草地CO2年吸收量的估算與農作物CO2吸收量估算基本原理一致，即通過草地植被年凈增長生物量估算。通過草地植被年經生長生物量乘以草類平均含碳率進行估算，具體計算公式為式(8)。

(8)

式中：Eγ指草地年吸收CO2總量，kg；Mg指草類年凈生長生物量，kg；fw指草類平均含碳率，本次采用研究中常用值0.45；44/12指C與CO2轉化系數。

2.4 濕地碳匯測算模型

濕地CO2年吸收量的估算與草地CO2年吸收量估算模型有一定差別，因為濕地會釋放一定量的CH4氣體。據Matthews測定結果[21]，全球5.3×1012m2的濕地CH4年釋放量為110 Tg。因而在估算濕地CO2年吸收總量時也應將CH4釋放量轉化為產生同等增溫效果的CO2當量，具體計算公式如式(9)。

?×S×25

(9)

式中：Eδ指濕地CO2年吸收總量，kg；Mw指濕地植被年凈生長生物量，kg；fw指濕地植被平均含碳率取值0.45；44/12指C與CO2轉化系數；?指單位面積CH4年釋放量，kg/hm2；S為濕地面積，hm2；25為CH4與當量CO2的轉化系數。

對于其他土地類型，實地調查發現常年積水的坑塘以及復墾后的水產養殖場，水面植被生物量極小，對區域CO2碳匯影響不大，在此不予考慮。因沉陷導致的無法使用的廢棄居民點和建設用地因地表的硬化或者墻體的坍塌等因素使得該區域喪失了植被固碳能力，可將此類廢棄地作無碳源/碳匯過程處理。復墾后建設用地區域內雖然每年會因各種能源使用、燃燒過程釋放出大量的CO2，但考慮其為復墾后利用過程產生，與復墾本身并無關聯性，故也不作考慮。

3 評價結果與分析

根據上述模型，首先對淮北礦區土地復墾碳減排量進行估算，然后將估算結果和相關文獻比較，對模型進行評價。實地調查發現，淮北礦區種植作物包括小麥、油菜、水稻、豆類、玉米和棉花。將復墾前后各作物產量代入式(3)得到復墾前農作物CO2年吸存量為1.48×108kg，復墾后其值為3.18×108kg。據《淮北統計年鑒》，多年間農藥、農膜、化肥、柴油單位面積使用量基本穩定，各類型碳源單位面積使用量分別為：化肥474.076kg·hm-2a-1；農膜7.0252kg·hm-2a-1；農藥10.267kg·hm-2a-1；柴油129.617kg·hm-2a-1。結合式(4)得復墾前各類碳源CO2年釋放總量為3.72×107kg，復墾后為4.89×107kg。復墾前水稻種植面積約為206.29hm2，復墾后水稻種植面積約為270.94hm2，據式(5)得復墾前因考慮CH4氣體而排除的CO2量為1.11×106kg；復墾后為1.46 ×106kg。根據式(6)，則復墾前耕地類型可從大氣中吸收的CO2總量為1.10×108kg，復墾后耕地類型可從大氣中吸收的CO2總量為2.67 ×108kg。對888.63hm2復墾林地，林木蓄積量的統計值約為5.80×105m3，蓄積量年增長率預估為12.5%，結合式(7)，得復墾后林地類型CO2年吸收量約1.28 ×108kg。草地碳吸收量估算時，將標準樣方內植被完整采集，稱取干重，確定其單位面積生物量均值為8.05×103kg·hm-2。結合式(8)得損毀區荒草地CO2年吸收量為8.84 ×106kg。復墾前，損毀區濕地植被以蘆葦為主，偶伴生雜草。濕地類型單位面積植被年凈增長的生物量的確定與草地類似即實地樣方采集，均值約為8.72×104kg·hm-2，結合式(9)，濕地類型年可從大氣中吸收的CO2量為1.08 ×108kg。

將復墾前后各用地類型CO2吸收總量代入式(2)，可得復墾治理后，研究區域年可從大氣中多吸收CO21.68 ×108kg，約為16.82萬t，具體如表3所示。此外，在復墾過程中大量使用煤矸石作為填充材料，有效抑制其自燃的發生。以淮北礦務集團測定的14.2%的平均含碳率計，假定充分自燃，截至2013年煤矸石累計封存碳量約536.76萬t，可減少潛在CO2排放量約1968.12萬t。

從表3我們可以看出，不同用地類型碳吸收能力存在顯著差異。其中林地碳吸收能力最為突出，高達1.44×105kg·hm-2，占研究區域總面積約8.5%的林地碳吸收總量占區域總碳吸收量的32.4%。此外，通過對受采動影響耕地的治理，極大的增強了耕地保水保肥的能力，大幅提高了土地生產力。復墾后農田單位面積碳吸收增量約為2.26×104kg·hm-2，增幅高達63%。正是林地出色的碳吸收能力以及原有農田碳吸收能力的顯著提高，使得復墾后區域單位面積碳吸收能力提高約1.60×104kg·hm-2，從而實現了土地復墾的碳減排效果。

表3 復墾土地CO2吸收量

注：其他指復墾前其他廢棄地、水域等用地類型；其他*指復墾后建設用地、水產養殖場、水域等用地類型。

圖3 用地類型轉換的碳吸收差異量
注：其他指復墾前其他廢棄地、水域等用地類型；其他*指復墾后建設用地、水產養殖場、水域等用地類型;耕地指復墾前受損耕地；耕地*指已復墾治理耕地。

4 討 論

不同用地類型間轉換，其單位面積的碳吸收差值存在明顯差異，如圖3所示，草地、耕地、廢棄地、水域等向林地轉化其碳吸收效果均有明顯提高，而濕地向林地的轉化碳吸收能力的提升并不明顯。向耕地類型的轉化中，廢棄地、水域、草地轉化后碳吸收能力提升的相對顯著，原有耕地的治理其碳吸收能力的提升效果次之。將濕地復墾為耕地后，碳吸收能力有明顯的下降。此外，原有耕地、草地、濕地類型轉變為建設用地、水域后其碳吸收能力均有明顯下降，尤以濕地類型最為顯著。因而，僅從提升復墾碳減排效果的角度出發，優先將草地、耕地、廢棄地、水域等復墾為林地，盡量避免復墾為建設用地等用地類型，將有效增強碳減排效果。針對原有濕地類型，應以治理為主，盡量避免其向其它用地類型的轉化。

如前所述，目前土地復墾碳減排效果研究文獻少，缺乏直接類比案例，這給本文估算結果的精度評價和模型可靠性評價帶來了一定困難。盡管如此，我們還是可以做些分析。第一，測算的單位面積林地CO2吸收量與王巍巍等人[22]對天津林地CO2吸收量的估算結果1.98×105kg·hm-2相接近，相對誤差為27%。其誤差主要源自地理位置的不同導致林木生長環境的差異以及估算方法不同導致的估算誤差等。第二，測算的復墾后單位面積耕地CO2吸收量的估算值4.93×104kg·hm-2，大于段華平等人[23]測定的安徽省農田平均CO2碳吸收量3.07×104kg·hm-2，這主要因為本文研究中：①在估算農作物地上碳吸收的同時，也估算了地下根系的固碳效果；②估算過程中充分考慮淮北地區作物一年兩熟的特點，農作物的復種指數為190%，較高的取值也是造成本次估算值偏高的原因。第三，根據安徽省草地資源監察報告，安徽省草地類型為溫帶草地，詳細劃分又可分為暖性草叢、熱性草叢、暖性灌草叢、熱性灌草叢。據王健林、馬文紅等人對該類草地生物量的研究[24-26]，單位面積生物量在7644.44～9964.44kg·hm-2，溫性草叢生物量較低、熱帶草叢生物量較高。本文草地實地取樣所得草地單位面積生物量8052.59kg·hm-2，在已有研究文獻測算結果的范圍內，且偏向于最小值，這與淮北地區溫性草叢比重較大的草地特征相吻合。第四，綜合分析濕地蘆葦已有研究[27-31]，結果顯示，年均氣溫13～16℃、年均降水600～1000mm時，蘆葦濕地蘆葦植被年均生長生物量在83000～100000kg·hm-2之間，表明氣溫和降水量差異不大條件下，蘆葦植被年均生長生物量差異也較小。淮北礦區年平均氣溫14.5℃，多年年均降水量為770～950mm，有較好的水熱組合條件，濕地單位面積生物量的實地樣本采集數值87232.21kg·hm-2，與已有研究成果較為吻合。由此可見，本文提出的模型及實證分析結果有相當的可靠性和可信度。

5 結 論

礦區土地復墾碳減排效果主要表現在：通過整治濕地，抑制了CH4氣體的排放；荒草地轉變為耕地、林地，提升了單位面積碳吸收量；整治現有土地利用類型如耕地等，提高了單位面積碳吸收量等；復墾過程中，大量煤矸石的填充利用能夠有效減少煤矸石因自燃產生的碳排放。淮北礦區復墾碳減排測算結果表明，礦區損毀土地的復墾，不但可治理污染、修復生態、恢復土地生產力，而且碳減排效益也十分顯著。為實現礦區土地復墾最優碳減排效果，應充分考慮不同復墾模式下碳減排量之間的差異，同時著力培育碳匯能力強的植物群落。

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Evaluation model and empirical study of carbon emission reduction effect from mining land reclamation

ZHANG Li-ming1，ZHANG Shao-liang1，HOU Hu-ping1，ZHANG YI2，XU Bang-gui2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 22116，China；2.Huaibei Mining Group Technology Center，Huaibei 235006，china)

Mining land reclamation is an important way to improve the ecological environment of mining area and restore the service of damaged land，but little studies focused quantitatively on its effect to soil carbon pool，plant carbon pool.This paper developed an effect model of carbon emission reduction of land reclamation synthesizing the existing models of carbon resource，carbon sink of agricultural land，forest land，wet land and construction land，and evaluated the carbon emission reduction effect of land reclamation in Huaibei mining area.The results show that the carbon reduction effect of cultivated land(before damaged) to cultivated land(after reclamation) reclaimed improves，but waste landreclaimed to cultivated land or forest land is most effective，and carbon emission effect of original wet land which transformed to other type of land use turnsout inconspicuous or even becomes a carbon resource，and coal gauge used as filling material can effectively reduce potential emission of CO2.Results of calculation show that Huaibei mining land reclamation succeeded on 1.05x104hm2damaged land and annually absorbed dose of CO2increased by 1.68 x108kg，so carbon sink effect was obvious.Therefore，mining land reclamation is an important way of carbon emission reducing.

landreclamations；carbon emission reduction；measure model；Huaibei mining area

2015-07-04

國家自然科學基金項目資助(編號：51474214)

張黎明(1992-)，男，漢族，江蘇徐州人，碩士生，主要從事土地復墾與生態修復的研究。E-mail：lmzhang@cumt.edu.cn。

張紹良(1968-)，男，漢族，安徽太湖縣人，教授，博士生導師。主要研究方向為礦區生態監測與評價。E-mail：slzhang@cumt.edu.cn。

X171

A

1004-4051(2015)11-0065-06