“雙碳”視角下露天建材礦山碳排放周期研究

裴明松，劉 海，李小偉，代光俊，劉 林，斯小華，陳愛章

（湖北冶金地質研究所（中南冶金地質研究所），湖北 宜昌 443000）

0 引 言

“雙碳”目標即中國二氧化碳排放量力爭在2030年前達到峰值，并努力爭取2060年前實現碳中和[1]，是習近平總書記在第75屆聯合國大會上向全世界做出的莊嚴承諾，彰顯了我國應對氣候變化挑戰的大國責任擔當，也是我國可持續發展的內在需求[2]。《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確指出，實現碳達峰、碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾[3]。“雙碳”目標的實現路徑主要為改善能源結構、推動節能減排、改變生活方式、提升碳匯能力[4]。礦產資源開發領域作為傳統對環境影響較大的行業，在“雙碳”目標下將面臨更大的挑戰[5]。

“雙碳”目標對我國經濟發展將產生較為深遠的影響。我國電力、會計、城市轉型發展、城鄉規劃、有色金屬、交通、建筑等行業研究人員對各行業碳排放要素、實現“雙碳”目標途徑以及“雙碳”目標對行業發展的新挑戰和新要求等方面進行了研究并取得了一定的成果[6-12]。在礦產領域，鞠建華[13]宏觀分析了礦業發展的機遇、困難和挑戰，認為必須高標準推動礦業綠色低碳轉型和綠色礦山建設才能實現礦業高質量發展；樊大磊等[14]分析了我國能源礦產行業發展現狀和前景，認為在“雙碳”目標下需要加強國內能源發展利用的頂層設計，進而實現能源安全保障及能源行業“雙碳”目標；強海洋等[15]認為在“雙碳”目標下，礦業可持續發展的路徑在于通過優化資源供給側結構性改革和構建多維協同發展路徑促進綠色發展及提升礦區生態系統固碳能力和礦業產業結構轉型升級。綜上，分析礦產行業碳排放要素、提前布局設計、提升礦區固碳能力是礦產行業實現“雙碳”目標的重要路徑。

露天建材礦山是建材原料的主要來源，礦山較多且分布分散。根據不完全統計，僅鄂西某市現有上百家露天建材礦山，實際生產規模多在50萬t以上。上述建材礦山的開發會破壞植被進而引起碳匯能力的減弱，爆破、工程機械設備消耗化石燃料以及外購電力也會增加礦山碳排放量，是建材行業實現“雙碳”目標不可忽視的影響因素。露天建材礦山生態系統不同于一般工業系統，其破壞不是一蹴而就的，礦山的碳排放與地域和生境息息相關，具有一定的周期性，但是“雙碳”視角下對露天建材礦山碳排放等方面的研究還不足。因此，本文在“雙碳”視角下研究露天建材礦山碳排放要素和碳排放量變化的一般規律，為礦山節能減排、生態復綠、提升礦山固碳能力提供指導，同時為建材行業“雙碳”目標的實現提供參考。此外，在時空尺度上為區域礦山布局設計、礦山行業管理和行政監管、綠色礦山建設等提供依據。

1 “雙碳”視角下礦山碳排放周期

1.1 概述

露天礦山一般經歷勘查設計、基建、開采和全面生態復綠等階段。礦山基建和開采階段對周邊地質環境破壞較為嚴重，主要表現在地形地貌、地表景觀以及植被的破壞，其中采場是破壞的主體。礦山生態系統是一種受人類工程活動強擾動的系統，但是也具備一定的自我修復能力。本文將礦山生態系統視作研究對象，在“雙碳”視角下研究其碳排放周期。

1.2 露天建材礦山碳源和碳匯

1.2.1 露天建材礦山碳源

碳源指煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒活動產生的溫室氣體的排放，也包括因使用外購的電力和熱力等所導致的溫室氣體排放。參考張振芳[16]研究成果，露天建材礦山碳源可分為直接碳源和間接碳源，直接碳源一般是指礦山生產消耗的燃油、炸藥等碳排放源，間接碳源一般是指礦山外購電力等。礦山碳排放量是不同碳源消耗量與碳排放因子之積的和。

1.2.2 露天建材礦山碳匯

碳匯一般是指從空氣中消除二氧化碳的過程、活動和機制，主要是指森林吸收并存儲二氧化碳的多少，或者說是森林吸收并儲存二氧化碳的能力。礦山生態系統吸收和存儲二氧化碳主要是依靠礦山范圍內植被實現的。植被是露天建材礦山碳匯來源，是礦山生態系統降低碳排放量進而實現碳中和和碳歸零的必要條件。礦山碳匯是礦山范圍內未破壞的或復綠的植被的固碳能力，依據礦山范圍內植被的種類、郁閉度通過綜合測算獲得的。礦山碳匯可視為不同種類、不同郁閉度等的植被碳匯因子與植被面積之積。不同礦山植被不同，不同植被的碳匯因子也不盡相同。

對礦山生態系統整體而言，碳匯的減少意味著凈碳排放量的增加，因此，本文將礦山破壞植被引起的碳匯減少量也作為間接碳源進行核算，則礦山生態系統碳排放量是碳匯減少量和碳源的碳排放量之和。

1.2.3 露天建材礦山碳排放量和碳匯能力

礦山碳排放量為礦山各種碳源的碳排放量和碳匯減少量之和。參考張振芳[16]研究成果，碳源排放量即碳源的消耗量與其碳排放因子的乘積。同樣的，碳匯減少量可由單位面積植被碳匯因子與破壞面積乘積計算而來。綜上，礦山生態系統碳排放量可用式（1）計算。

式中：Qp為礦山生態系統碳排放量；Fi為礦山第i種碳源的消耗量（i=1,2，…，m）；qi為礦山第i種碳排放源的碳排放因子；fj為破壞的第j類植被碳匯因子（作為碳源的碳排放因子，j=1,2，…，n）；Sj為礦山破壞植被的面積。

同樣地，由露天建材礦山碳匯能力定義可以得到礦山生態系統碳匯能力，見式（2）。

式中：E為礦山植被的碳匯能力；ek為第k類礦山植被的碳匯因子（k=1,2，…，t）；Sk為礦山第k類植被面積。

1.3 露天建材礦山凈碳排放量

露天建材礦山生態系統實際碳排放量即為礦山碳匯能力與礦山碳排放量抵消后的“凈碳排放量”。本文將凈碳排放量作為“雙碳”視角下研究露天建材礦山的碳排放量的對象。露天建材礦山生態系統凈碳排放量可采用式（3）進行計算。

式中，Q、Qp、E分別為礦山生態系統凈碳排放量、礦山碳排放量、碳匯能力。

1.4 “雙碳”視角下露天建材礦山碳排放量周期

建材礦山一般為山坡式露天礦山，按照自上而下分層開采的方式進行開發利用，礦業開發與生態復綠同步推進。礦山碳排放要素主要是機械設備燃燒化石燃料、外購電力以及植被破壞，礦山的碳匯主要來源于植被。從時空尺度來看，礦山生態復綠一般滯后于開發利用環節，隨著礦山開采標高的降低，破壞植被面積逐漸增大。結合已有礦山數據，根據露天建材礦山生態系統凈碳排放量模型，礦山生態系統凈碳排放量曲線如圖1所示。由圖1可知，碳排放量曲線逐漸上升，經歷達峰前后平臺期后迅速下降，即碳排放量在經歷勘查設計階段的微增、基建階段的緩增后在開采階段陡增，并在全面復綠階段減少并進入負排階段。根據曲線特征可將礦山生態系統凈碳排放量分為碳達峰、碳減排和碳歸零三個階段。

圖1 “雙碳”視角下露天建材礦山的碳排放周期圖Fig.1 Carbon emission cycle of open-pit building material mines from the perspective of the “dual carbon”

1）碳達峰階段。礦山勘查設計和基建時破壞了植被，造成了碳匯的少量破壞，開采時形成的大面積露天采坑是植被破壞的主要因素。開采過程中生態復綠對象主要為終了邊幫，面積占比較小，碳匯的恢復程度較低，因而整體呈現碳匯的急劇下降。此外，化石燃料的燃燒、礦山爆破以及外購電力等增加了礦山的碳排放量。因此，在碳匯能力降低和爆破、工程機械設備使用導致的碳排放增加的雙重作用下，礦山生態系統凈碳排放量逐漸增加，處于“爬坡”階段，并最終實現礦山生態系統“碳達峰”。

2）碳減排（含碳中和）階段。主要是礦山服務年限的中后期以及生態復綠階段。復綠的植被穩定成活并形成碳匯能力后，礦山的凈碳排放量逐漸降低，進入碳減排階段。當礦山生態系統的凈碳排放量為零時即實現了碳中和。

3）碳歸零階段。主要是礦山全面生態復綠階段。礦山的采場、建（構）筑物、道路以及工業場地和排土場等破壞土地在該階段實現了全面復綠。該階段礦山破壞的植被已經修復，碳匯能力得到了恢復，礦山直接碳源急劇減少。礦山生態復綠引起的碳匯恢復和直接碳源的減少綜合作用下礦山生態系統的凈碳排放量逐漸降低至負值，進入碳歸零階段。

因此，根據露天建材礦山生態系統碳排放模型，礦山生態系統凈碳排放量由于破壞植被面積的增大以及碳源的增多而呈現逐漸增加的趨勢，達到峰值后由于礦山碳匯的增加而逐漸降低，最終實現碳中和后進入碳歸零階段。

1.5 不同邊坡占比的露天建材礦山凈碳排放量周期

礦山邊坡面積占比等因素決定了礦山開采時破壞植被面積和生態復綠面積的變化規律。一般而言，礦山各分層開采時破壞植被面積與邊坡占比呈負相關、生態復綠面積與邊坡占比呈正相關，即礦山邊坡占比越大，其各分層開采時破壞的植被面積越小，生態復綠時恢復植被面積越大。經過對不同邊坡占比的礦山開發利用及生態復綠情況進行分析，得到礦山生態系統碳排放周期與邊坡占比關系如圖2所示。

圖2 不同邊坡占比露天建材礦山的碳排放周期圖Fig.2 Carbon emission cycle of open-pit building material mines with different proportion of slopes

由圖2可知，邊坡占比影響礦山生態系統碳排放周期，特別是凈碳排放量峰值的絕對值和達峰時間。相對而言，礦山邊坡占比越大，則其破壞的植被面積能夠迅速復綠，礦山生態系統凈碳排放量峰值越小，達峰時間越短。相反地，采場終了底部平盤破壞面積較大，在閉坑后才能夠進行復綠，因此，其碳達峰時間長，且峰值絕對值往往較大。

總的來說，露天建材礦山凈碳排放量規律為先增大后減小，一般經歷碳達峰、碳減排（含碳中和）以及碳歸零三個階段。碳達峰包含礦山勘查設計、基建以及開發利用階段，其達峰時間和峰值與邊坡占比呈負相關。但是，露天建材礦山產能一般較大，匹配的資源量較多，邊坡占比較小，生態復綠工作主要集中在礦山開采中后期，而底部平盤生態復綠形成的碳匯能力增加往往是礦山凈碳排放能力減少的主要因素，因此，露天建材礦山生態系統凈碳排放量達峰階段持續時間較長。碳減排主要包括開發利用中后期和全面生態復綠期，主要是礦山碳匯能力提升，并最終促進凈碳排放量零點的出現。碳歸零主要包括全面生態復綠期，礦山生態系統凈碳排放量進入負排階段。

根據露天建材礦山碳排放周期，建材行業可以在時空尺度上根據需求量和礦山邊坡占比的實際情況，合理銜接安排礦山投放時間和產能，保持碳排放量處于低值，盡早實現碳中和并充分發揮礦山碳匯價值。礦政管理部門可根據礦山相關開發利用方案，對露天建材礦山開發利用與生態復綠等工作提出更高要求，進行宏觀調控，促進區域礦山綠色開發。礦山企業可根據礦山碳排放要素在實際生產過程合理計劃排產，精細化管理，增加清潔能源的使用比例[17-18]和綠電比例，做好復綠植被的撫育工作，盡量減少礦山“碳達峰”時間，使礦山盡早進入“碳減排”階段，減少礦山生產對周邊生態系統的影響，進行綠色開發，實現綠色礦業。

2 實例分析

2.1 礦山概況

鄂西某建材礦山面積0.348 8 km2，隸屬江漢平原向鄂西山區過渡帶的半山區，低山丘陵地貌單元。山坡平緩，植被茂盛，林木資源豐富，森林覆蓋率較高，總體地勢呈北西高南東低。海拔最高點位于礦區北部，高程466 m；最低處為南部山腳，海拔高程約為280 m，最大相對高差185 m。所產礦石為建筑石料用灰巖，最大開采高差約為165 m。礦山范圍及地形概況如圖3所示。

圖3 礦區范圍及地形3D模擬圖Fig.3 3D simulation map of mining area and terrain

2.2 礦山開發利用及生態復綠

該礦山為露天礦山，可采儲量達4 785萬t，年產300萬t建筑石料用灰巖礦石，礦山基建期1 a，服務年限約16 a。礦山采用公路開拓、自卸卡車運輸的開拓運輸方案和爆破落礦的方式，運距小且采裝、運輸設備循環效率較高。礦石爆破后用5.4 m3液壓挖掘機裝入45 t自卸卡車經礦區公路運至原礦轉運場通過外部車輛運至礦石加工廠進行加工，可完成大規模開采。礦山自上而下分層開采并在終了邊幫上形成臺階。礦山邊開采邊采用樹-灌-草相結合的方式對終了邊幫進行復綠，養護時間為3 a。礦山主要開采及復綠的過程如圖4所示。

圖4 礦山開發利用及生態復綠主要過程圖Fig.4 Main process of mine development and utilization and ecological greening

2.3 礦山凈碳排放量周期

2.3.1 礦山碳源和碳匯計算依據

礦山碳排放量主要是不同碳源量與碳排放因子之積，參照張振芳[16]、楊博宇等[19]、胡志奇[20]的研究成果，礦山主要的碳排放因素如燃油、炸藥以及外購電力的碳排放因子見表1。礦山碳匯可視為不同種類、不同郁閉度等植被碳匯因子與植被面積之積。由于礦山植被種類較多，不同植被碳匯因子不盡相同，本文根據國家林業和草原局等相關資料[21-23]進行簡化計算，即我國人工林平均蓄積量為59.3 m3/hm2，按照1.6 t/m3的固定二氧化碳能力計算，人工林平均碳匯量為95 t/hm2，因此，礦山碳匯因子95 t/hm2。礦山碳源的碳排放因子見表1。

表1 露天建材礦山碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of open-pit building material mines

2.3.2 礦山凈碳排放量計算

礦山按照建材礦山的要求開展綠色礦山創建工作，根據礦山各分層服務年限來看，礦山開采和生態復綠過程中礦山范圍內綠化面積和破壞面積各年變化情況如圖5所示。

圖5 礦山破壞及綠化面積變化圖Fig.5 Changes of destruction and greening area of mine

由圖5可知，礦山破壞植被的面積呈現先增后減的趨勢，綠化面積則與之相反，整體上破壞面積與綠化面積呈現此消彼長的關系。礦山碳匯能力與綠化面積呈正相關，則表明礦山碳匯能力也呈現由減到增的變化。

由于礦山生產能力較為固定，則可認為爆破、工程機械設備、外購電力等碳源的歷年碳排放量在其服務期內（不含閉坑生態復綠期）保持不變。礦山所用機械設備較多，主要設備是潛孔鉆機、挖掘機、自卸式卡車等，以柴油設備為主，初步測算每天消耗柴油2.5 t，按照年工作天數250 d計算，消耗柴油約為625 t。礦山電力較少，僅包括少量照明用電，因此，本文中不考慮外購電力的碳源。

根據式（1）和式（2）計算得到礦山各開采水平碳排放量和碳匯變化情況如圖6所示。根據式（3）以及礦山各分層開發利用時間計算，礦山凈碳排放量周期變化情況如圖7所示。

圖6 礦山碳排放量和碳匯能力變化圖Fig.6 Changes of carbon emission & carbon sink capacity of mine

圖7 礦山碳排放量曲線圖Fig.7 Carbon emission curves of mine

由圖7可知，該礦山生態系統的凈碳排放量在0～12 a間逐漸增大，并在12 a時實現“碳達峰”。此后礦山碳匯能力隨綠化面積增大而逐漸增強，進入碳減排階段。礦山開采終了時凈碳排放量為3 022 t，尚未進入碳中和階段。隨著生態復綠期間礦山綠化面積進一步增大，18.4 a時碳匯能力與碳排放量相當，礦山凈碳排放量為零，實現了“碳中和”。此后礦山的碳匯能力進一步增強，凈碳排放量持續減少，礦山完全復綠形成穩定碳匯能力時碳排放量為零，礦山生態系統凈碳排放量為負值，進入碳歸零階段。礦山的碳排放周期與露天建材礦山碳排放模型相符，說明本文建立的露天建材礦山碳排放周期模型是符合實際的，能夠用于指導建材行業進行礦山布局，對于露天建材礦山生態復綠和綠色礦山建設有一定的指導作用。

3 結論和建議

1）“雙碳”視角下露天建材礦山的碳排放周期可分為碳達峰、碳減排（含碳中和）和碳歸零三個階段。露天建材礦山生態系統凈碳排放量呈現先增大后減小的趨勢，峰值一般出現在礦山服務期的中后期，零點一般在生態復綠階段出現，此后進入負值階段。

2）露天建材礦山服務年限一般較短，伴隨著礦山生態系統碳匯能力的降低和恢復。礦山按照綠色礦山標準建設并完成生態復綠義務，則礦山生態系統“雙碳”目標實現是較為容易的。

3）建材礦山是建材產業的上游原料來源之一，需根據不同類型礦山進行合理布局。礦山企業需合理制定生產計劃，邊開采邊及時復綠，恢復礦山生態系統碳匯能力，同時利用清潔能源和綠電等低碳措施，降低單位礦產品碳排放量，為建材行業“雙碳”目標實現貢獻力量。

4）礦山企業要充分認識到森林碳匯在抵消碳排放方面的重要作用以及在碳交易市場的經濟價值，主動及時撫育生態復綠的植被，增加植被固碳能力，增加森林年碳匯量。