“雙碳”戰(zhàn)略下煤炭礦山生態(tài)修復(fù)與碳匯估算
——以貴州省畢節(jié)地區(qū)某煤礦為例

陳俊賢,陳振華,吳志強(qiáng),陳 川,楊江州

(貴州地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì),貴州 貴陽 550001)

0 引言

“綠水青山就是金山銀山”已經(jīng)成為現(xiàn)如今生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要理念,“礦山生態(tài)修復(fù)”也是保護(hù)“青山綠水”的重要環(huán)節(jié)。趙晶等[1]以景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)探索了生態(tài)+景觀的礦山生態(tài)修復(fù)模式,并取得治理成效。王根鎖等[2]則認(rèn)為現(xiàn)階段礦山生態(tài)修復(fù)側(cè)重于研究誘發(fā)的環(huán)境負(fù)效應(yīng)原因及其修復(fù)治理技術(shù)方法,礦山生態(tài)修復(fù)也側(cè)重于對地形地貌景觀和土壤破壞的修復(fù),忽略了植被固碳方面的考慮,在全球“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,礦山生態(tài)修復(fù)原有的環(huán)境污染治理模式和生態(tài)修復(fù)治理模式應(yīng)結(jié)合綠色低碳的理念,將礦山生態(tài)修復(fù)研究的視角從負(fù)效應(yīng)修復(fù)治理轉(zhuǎn)向“碳匯經(jīng)濟(jì)”治理[2]。摒棄“一刀切”和“一法通”的礦區(qū)修復(fù)觀念,優(yōu)化礦山土地資源再利用,構(gòu)建以“碳匯”為引導(dǎo)的礦山生態(tài)修復(fù)體系是未來礦山生態(tài)修復(fù)的發(fā)展方向。同時在“雙碳”戰(zhàn)略下,廢棄煤炭礦山修復(fù)后能夠恢復(fù)或增強(qiáng)碳匯功能,彌補(bǔ)曾經(jīng)采煤擾動后導(dǎo)致的碳匯損失,使廢棄“碳源”真正轉(zhuǎn)為綠色“碳匯”[3]。鑒于此,對典型煤礦礦山開展以“碳匯”為導(dǎo)向的生態(tài)修復(fù)工作,估算“碳匯”指標(biāo)參數(shù)具有重要的研究意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 礦區(qū)基本情況

研究區(qū)位于畢節(jié)地區(qū),屬黔中山原向黔西北高原山地過渡地帶,為構(gòu)造剝蝕溶蝕中山地貌。氣候特征主要為中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),平均氣溫為14.5 ℃,降水充沛。構(gòu)造單元主要為畢節(jié)北東向構(gòu)造內(nèi)大頂坡背斜南東翼。地層主有煤系地層長興組(P3c)、龍?zhí)督M(P3l)和茅口組(P2m)分布于治理區(qū)西、北、東部;中部和南部周邊則為第四系雜填土(Qml)和殘坡積土(Qel+dl),物質(zhì)成分主要為粉質(zhì)粘土、亞粘土、煤矸石及其它渣石料。地表水系屬長江流域?yàn)踅怠^(qū)內(nèi)無河流,近南北向小沖溝較發(fā)育,沖溝水流量隨季節(jié)變化極明顯,雨季有水,旱時干涸,動態(tài)變化顯著。土壤以黃壤、磚紅壤為主,厚度一般為30～50 cm,pH值6.5～7.5。

2.2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分析

研究區(qū)南東側(cè)為歷史煤礦開采時期形成的地質(zhì)災(zāi)害隱患邊坡(危巖帶,如圖1所示),總體向北東45°方向延伸,長度1.13 km,高度在10～80 m范圍內(nèi)。危巖帶上除巖層產(chǎn)狀外主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙,邊坡面以內(nèi)無結(jié)構(gòu)面組合交線。該邊坡的表面受開挖爆破等活動擾動影響,巖體結(jié)構(gòu)類型以碎裂鑲嵌裝為主,局部為散體狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致邊坡表面時常發(fā)生零星落石、掉塊。整個危巖帶底部均可見零星崩塌堆積體,形狀以碎塊狀、孤石為主,主要粒徑范圍在1～20 cm范圍內(nèi),整個危巖帶底部零星落石掉塊形成的崩塌堆積體總體約2 000 m3左右。另外,該邊坡頂部局部地段存在零星裂隙,裂隙平面呈圈椅狀,圈椅向北西280°方向開口,總長度130 m左右,以垂直發(fā)育為主,地表可見寬度在1～10 cm范圍內(nèi),通村公路路面可見該裂隙寬度2～3 cm,其他地段裂隙寬度在5 cm以上。

圖1 研究區(qū)土地資源占比Fig.1 Proportion of occupied land resource in the study area

2.2.2 含水層破壞現(xiàn)狀分析

研究區(qū)范圍內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶孔隙裂隙水,含水介質(zhì)分別為第四系殘坡積土、二疊系龍?zhí)督M(P3l)粉砂巖和泥巖、二疊系茅口組灰?guī)r。各類含水層的破壞現(xiàn)狀分析如下。

溶孔隙裂隙水:根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,龍?zhí)督M未開采貫通至茅口組中間有隔水巖層,只有當(dāng)導(dǎo)水?dāng)鄬踊蚱渌麑?dǎo)水通道溝通上覆含水層水力聯(lián)系時,才會對龍?zhí)督M以下地層茅口組含水層造成污染,而地下水被直接污染影響的幾率較小。

松散巖類孔隙水:因第四系全部被挖損破壞,二疊系龍?zhí)督M地層表層及上部基巖裂隙水含水介質(zhì)被挖除,原基巖裂隙水含水介質(zhì)遭受破壞。現(xiàn)狀條件下,研究區(qū)范圍內(nèi)堆積的渣石料等成為松散巖類孔隙水的含水介質(zhì),因渣石料等空隙比大結(jié)構(gòu)松散堆積厚度大,造成松散巖類孔隙水水量增大,使得該類地下水的儲水含水條件發(fā)生顯著變化。

基巖裂隙水:因礦山歷史煤礦開采活動,二疊系樂平統(tǒng)龍?zhí)督M地層可以儲水的基巖裂隙整體海拔高度降低,基巖裂隙水的埋藏深度增加即該類地下水水位下降。

2.2.3 地形地貌景觀破壞現(xiàn)狀分析

研究區(qū)的現(xiàn)狀地形地貌景觀已發(fā)生大幅改變,原始自然斜坡、洼地被挖除破壞后再次堆填改造形成以填方為主的填方地貌,主要包括填方邊坡、填方平臺(馬道、臺地)等。地形地貌景觀破壞主要分為挖損破壞和壓占破壞,如圖1所示。挖損破壞主要是煤礦通過露天開采的方式對地表植被層和第四系土層進(jìn)行剝離,再經(jīng)過煤礦采挖活動,對山體邊坡進(jìn)行改造,改造后形成近直立巖坡,南東側(cè)巖破坡高度均為80 m左右,落石掉塊零星崩塌頻繁發(fā)生。同時礦業(yè)活動會產(chǎn)生大量廢棄土石方、煤矸石廢料,這部分廢料主要堆疊在研究區(qū)北西側(cè)造成土地資源壓占,同時新建的工業(yè)場地設(shè)施也會對現(xiàn)場土地資源造成壓占破壞。研究區(qū)內(nèi)土地資源、植被等壞損毀殆盡,最終確認(rèn)研究區(qū)范圍內(nèi)地形地貌景觀破壞程度為重度。

3 研究區(qū)生態(tài)修復(fù)

李樹志、牛曉耕、卞正富等[4-6]學(xué)者認(rèn)為當(dāng)前生態(tài)修復(fù)治理倡導(dǎo)自然修復(fù)的治理模式,碳中和背景下具有低碳投入特征的生態(tài)自修復(fù)、引導(dǎo)型修復(fù)模式具有一定的優(yōu)勢。SCHLESINGER[7]認(rèn)為礦區(qū)土壤和植被的恢復(fù),將使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固定大氣中CO2的潛力得到釋放,其中林地在全球碳循環(huán)中占有重要作用。植物的種植模式會對煤礦的生態(tài)修復(fù)產(chǎn)生影響,不同植物的配植可起到增加植物生物量、加快修復(fù)進(jìn)度和吸附降解有害元素等作用[8]。基于以上研究成果結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀條件,總體規(guī)劃研究區(qū)采取“地質(zhì)環(huán)境治理+生態(tài)環(huán)境治理”的方式。

3.1 地質(zhì)環(huán)境治理

地質(zhì)災(zāi)害治理:研究區(qū)東側(cè)歷史時期地質(zhì)災(zāi)害治理形成裸露巖質(zhì)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但其表面因機(jī)械或爆破擾動巖體結(jié)構(gòu)已碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)為主,局部為散體狀結(jié)構(gòu),整個邊坡表面零星落石掉塊現(xiàn)象頻繁,故采用“挖填改造+邊坡清理”的方式對該裸露巖壁進(jìn)行治理。

水環(huán)境破壞治理:針對研究區(qū)西側(cè)由研究區(qū)涌向居民區(qū)的坡面匯流(強(qiáng)降雨時段),擬在修復(fù)區(qū)邊緣適當(dāng)位置根據(jù)地形條件設(shè)置截排水溝疏導(dǎo),即采用“地表疏排”的方式進(jìn)行治理。

煤矸石自燃治理:采用“灌漿法”對煤矸石自燃點(diǎn)進(jìn)行治理,將適當(dāng)類型的漿液加壓注入地質(zhì)鉆孔內(nèi),減少煤矸石與氧氣等自燃所需氣體的接觸,阻止煤矸石自燃。

3.2 耕地、林地和草地生態(tài)環(huán)境治理

耕地旱地復(fù)墾區(qū)運(yùn)用施工機(jī)械進(jìn)行土層攤鋪平整厚度不小于0.5 m,平整后用耕地機(jī)翻耕耙平一次,然后人工撒播光葉紫花苕、三葉草、紅車軸草等綠肥草籽和普鈣的混合物,以對土壤肥力、微生物環(huán)境、蓬松度等進(jìn)行改良,綠肥作物至少生長枯萎1個周期。設(shè)計(jì)旱地復(fù)墾總面積67.41 hm2。

林地整治區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)杉木類型為帶土球1～2 a以上育齡杉樹全冠苗,栽植方式為坑穴栽植,株距2 m×3 m,每公頃設(shè)計(jì)栽植株數(shù)1 850株,整地方式為機(jī)械開挖人工輔助開挖成坑穴,單株整地規(guī)格不小于0.6 m×0.6 m×0.6 m。設(shè)計(jì)復(fù)墾林地面積55.56 hm2,栽植杉樹總計(jì)92 505株。

草地復(fù)綠區(qū)采用坡面綠化方式對水土流失區(qū)域的填土邊坡表面進(jìn)行綠化,綠化草籽為草灌混合型,其中草本作物草籽建議選擇紅車軸草、白車軸草等,每公頃撒播量不小于167 kg,灌木草籽選擇火棘、大葉黃楊等,每畝撒播量不小于134 kg,播種方式為雨后人工撒播。設(shè)計(jì)播種面積11.54 hm2。

3.3 研究區(qū)成效

實(shí)施生態(tài)修復(fù)后,可修復(fù)4種地類共計(jì)149.07 hm2,見表1。其中旱地67.41 hm2、林地55.56 hm2、草地11.54 hm2和農(nóng)村道路9.27 hm2,擬修復(fù)4類二級地類總面積占研究區(qū)總面積的96.44%,不能修復(fù)為土地資源的區(qū)域?yàn)閿M綠化的巖質(zhì)邊坡區(qū)域,面積5.30 hm2占研究區(qū)面積的3.56%。

表1 生態(tài)修復(fù)工程修復(fù)土地統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of restored land by ecological restoration engineering

4 研究區(qū)碳匯估算

劉祥宏等[11]通過構(gòu)建煤礦區(qū)生態(tài)體系研究得出煤礦陸地生態(tài)系統(tǒng)是以土壤碳匯和植被碳匯為主,少數(shù)涉及濕地碳匯。根據(jù)研究區(qū)特征和 IPCC(國際氣候變化研究委員會)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的定義,將研究區(qū)碳匯估算轉(zhuǎn)換為“兩個方向、三個種類”進(jìn)行計(jì)算,即地上生物量方向和土壤有機(jī)質(zhì)方向,分別計(jì)算林地種類碳匯、草地種類碳匯和耕種類地碳匯。而生態(tài)修復(fù)區(qū)域?yàn)樾陆◤?fù)綠區(qū)域,樹種為新種,種植后根系發(fā)育較為緩慢,地下生物量不做統(tǒng)計(jì)計(jì)算;同時區(qū)內(nèi)無枯死木、枯落物,也不做碳匯計(jì)算。

4.1 地表生物碳匯儲量

目前,關(guān)于測算地上生物量碳匯的研究方法有生物量法、蓄積量法、渦旋相關(guān)法、渦度協(xié)方差法、弛豫渦旋積累法等[12]。不同方法計(jì)算方式的結(jié)果有著明顯差異,用生物量推算碳儲量是目前地上生物量碳匯計(jì)量最為準(zhǔn)確的方法。結(jié)合研究區(qū)生態(tài)修復(fù)特征,林地恢復(fù)樹種數(shù)量、胸徑和樹高基本為同一標(biāo)準(zhǔn),故本研究采用生物量擴(kuò)展因子法來計(jì)算的地上碳匯量。

4.1.1 喬木層

利用林分生物量與木材材積比值的平均值(BEF:生物量擴(kuò)展系數(shù)),乘以該森林類型的總蓄積量,得到該類型喬木層的總生物量[13]。

(1)

B喬木=V×BEF×SVD

(2)

V單ij=0.000 079 852 4×D1.742 20×H1.011 98

(3)

4.1.2 草本層

草本層地上部分碳匯量根據(jù)草本部分平均單位面積生物量、草本植物含碳率及草本層面積進(jìn)行計(jì)算。

C草木=B草木×CF草木×S草木

(4)

4.2 土壤有機(jī)質(zhì)碳匯儲量

目前土壤有機(jī)質(zhì)的碳儲量估算方法研究較少,本研究采用張穎、李曉格等學(xué)者對背景是森林碳匯潛力分析論文中計(jì)算土壤碳匯的公式進(jìn)行計(jì)算。

(5)

C土壤=SOC×S土壤面積

(6)

4.3 估算結(jié)果

根據(jù)表2面積數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)植被數(shù)據(jù)和公式(1)至(5)計(jì)算見表2。

5 結(jié)論

(1)在“雙碳”戰(zhàn)略下,煤礦礦山生態(tài)修復(fù)正逐漸從傳統(tǒng)的“一刀切”治理思想向新的復(fù)合治理模式的轉(zhuǎn)變,考慮碳匯因素后的修復(fù)方式將對區(qū)域碳平衡及緩解區(qū)域氣候變化產(chǎn)生重要影響。

(2)選取了貴州省畢節(jié)市某煤礦治理區(qū)作為生態(tài)修復(fù)和碳匯研究區(qū),通過地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)環(huán)境治理等生態(tài)修復(fù)手段對礦山進(jìn)行治理修復(fù)面積為134.51 hm2,其中林地55.56 hm2,草地11.54 hm2,耕地67.41 hm2。