“碳中和”背景下我國礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

尹 巖，郗鳳明，王嬌月，邴龍飛，胡琴琴

(1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.遼寧省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳中和重點實驗室，遼寧 沈陽 110016)

0 引言

我國礦產(chǎn)行業(yè)的開采活動和高碳工藝流程排放了大量的溫室氣體[1-2]。一方面，礦產(chǎn)開采活動對礦區(qū)土壤和植被產(chǎn)生了強烈擾動，土壤破壞和植被移除使礦山生態(tài)系統(tǒng)喪失了固碳能力；另一方面，礦石剝離、開采、分(洗)選、球團(tuán)、煉鋼、運輸，以及廢石和尾礦排棄等工藝過程中會排放大量溫室氣體，包括工藝過程中的機械設(shè)備能源消耗和開采過程中的瓦斯等氣體溢散造成的碳排放。鋼鐵行業(yè)在制造業(yè)領(lǐng)域中的碳排放量最大，高達(dá)18億t/a，有色金屬行業(yè)碳排放量達(dá)6.6億t/a，分別占我國碳排放總量的15%和5%[2]。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[3]。2021年2月，《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》中進(jìn)一步明確了2025年和2035年綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)[2]。礦產(chǎn)行業(yè)作為落實我國碳減排的重要責(zé)任主體，亟需調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加快綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型升級[4]。

傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)是基于礦山開采活動對礦山生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成的破壞而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行末端治理，主要集中在土壤修復(fù)和植被恢復(fù)兩方面[5]。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)不僅是重塑礦山生態(tài)系統(tǒng)的重要手段，亦是助力礦區(qū)提高碳匯的有效措施[1]。目前，我國礦山企業(yè)的碳減排路徑主要集中在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面，然而面對巨大的產(chǎn)能需求，礦產(chǎn)行業(yè)的碳排放總量仍居高不下，這對礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)提出了新要求。在此背景下，本文分析了礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源的構(gòu)成與排放量，綜述了礦山企業(yè)碳減排潛力和傳統(tǒng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的碳增匯效果，并在此基礎(chǔ)上提出以實現(xiàn)礦山企業(yè)碳中和為目標(biāo)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)新模式，以期為礦產(chǎn)行業(yè)的低碳循環(huán)與綠色發(fā)展助力。

1 礦產(chǎn)行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

1.1 礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源分析

《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》是目前全球編制溫室氣體排放清單的主要依據(jù)，本文據(jù)此對礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源進(jìn)行了分析，并總結(jié)了礦產(chǎn)行業(yè)主要的碳排放源類別。

1)能源碳排放

礦產(chǎn)資源從開采、加工、運輸和利用的整個過程都會伴隨能源消耗，消耗的能源種類包括電能以及汽油、柴油等化石燃料，而化石燃料在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的碳排放?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中提供了能源燃燒碳排放因子，汽油/柴油CO2排放因子為74 100 kg/TJ。在煤礦開采過程中，煤和煤矸石與空氣接觸時會發(fā)生自燃現(xiàn)象，燃燒過程亦會造成碳排放[6]。

2)采掘工業(yè)碳排放

在以碳酸鹽(如方解石、碳酸鈣等)為原材料的采掘工業(yè)產(chǎn)品利用過程中，煅燒和酸化過程會造成碳排放。如：水泥、石灰、玻璃等的生產(chǎn)過程中，需對碳酸鹽原料進(jìn)行煅燒，從而造成碳排放；在用硫酸對磷酸鹽礦石進(jìn)行酸化的過程中，含有少量碳酸鹽的礦石會產(chǎn)生碳排放。

3)土地利用碳排放

礦產(chǎn)開采活動改變了礦區(qū)內(nèi)的土地利用類型，原來的耕地、林地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈V坑、尾礦庫、排土場等工業(yè)用地。耕地、林地、草地均為豐富的生物量碳庫、死有機質(zhì)碳庫和土壤碳庫。礦產(chǎn)開采活動破壞了土地原有的覆被，使礦區(qū)喪失了生物量固碳能力，并且加快了死有機質(zhì)和土壤碳庫的分解速率，產(chǎn)生了碳排放[7]。

此外，在煤礦開采活動中，還存在煤層氣溢散現(xiàn)象，煤層氣中的CH4是重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的25倍，對臭氧層的破壞程度是CO2的7倍，亦不容忽視[6]。

1.2 礦區(qū)碳排放量估算

對于礦區(qū)碳排放的研究主要集中在煤礦。研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開采活動會破壞地表植被，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)礦化分解而釋放CO2，2001年美國因煤炭開采活動造成的碳排放量高達(dá)550 MtCO2e[8]。李鳳山等[9]對濟(jì)寧三號煤礦的碳排放量進(jìn)行了核算，核算邊界包括采掘、通風(fēng)、排水、提升、輸送、壓風(fēng)等設(shè)備能耗和煤矸石、煤層氣、礦井水等副產(chǎn)物碳排放，核算結(jié)果顯示，該礦年均碳排放量達(dá)0.14 MtCO2e。李鑫[10]構(gòu)建了煤炭企業(yè)碳排放測算模型，并測算了我國煤炭行業(yè)“十三五”期間能源消耗和瓦斯碳排放強度分別為0.035～0.039、0.078～0.084 tCO2e/t。王莉莉[11]對永煤集團(tuán)永城礦區(qū)煤炭開采、洗選、火力發(fā)電等過程的碳排放量進(jìn)行了核算，核算結(jié)果分別為1.21、0.15、0.94 MtCO2e。張媛[12]對山西晉城長河流域11個礦區(qū)的碳排放量進(jìn)行了核算，結(jié)果表明，煤炭開采活動造成的土地利用碳排放量和能源消耗碳排放量分別為0.034、0.290 MtCO2e。

2 礦山企業(yè)碳減排潛力

2.1 典型礦山企業(yè)碳減排措施

2021年，我國典型礦山企業(yè)相繼發(fā)布了碳達(dá)峰、碳減排目標(biāo)和時間表(見表1)。目標(biāo)的制定主要集中在發(fā)布低碳冶金路線圖、減碳能力目標(biāo)、低碳冶金技術(shù)目標(biāo)，以及制定實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的時間等方面。典型礦山企業(yè)如中國寶武、河鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、德龍集團(tuán)、新天鋼集團(tuán)等在2021年發(fā)布了低碳冶金路線圖[2]。河鋼集團(tuán)和中國寶武分別提出將在2022、2023年實現(xiàn)碳達(dá)峰，其他典型礦山企業(yè)將在2025年實現(xiàn)碳達(dá)峰。各礦山企業(yè)提出將在2025-2035年不同程度地實現(xiàn)碳減排目標(biāo)。分析典型礦山企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和實現(xiàn)路徑發(fā)現(xiàn)，碳減排措施主要集中在優(yōu)化工藝流程、研發(fā)低碳冶金技術(shù)、提高資源綜合利用率等方面。鞍鋼集團(tuán)發(fā)揮先進(jìn)采選工藝技術(shù)優(yōu)勢，實施綠色開采，同時研發(fā)碳捕獲、利用與封存技術(shù)。韓城礦業(yè)通過瓦斯抽采和廢水循環(huán)利用等措施實現(xiàn)減污降碳目標(biāo)。中鋁集團(tuán)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，以天然氣替代煤氣(燃煤)，提高清潔能源占比，實現(xiàn)碳減排。江西銅業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。徐礦集團(tuán)首創(chuàng)電力行業(yè)鍋爐大流量連續(xù)排污水回收系統(tǒng)改造，實現(xiàn)碳減排1.62萬t[13]。

表1 我國典型礦山企業(yè)發(fā)布的碳達(dá)峰、碳中和時間表

2.2 典型礦山企業(yè)碳減排潛力估算

目前，我國礦山企業(yè)的碳減排路徑主要集中在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面。鐵礦石加工過程中，通常選礦能耗占單位鐵精礦產(chǎn)品總能耗的55%以上，其中磨礦能耗占選礦能耗的一半以上，因此寶鋼集團(tuán)提出了通過降低入磨粒度、優(yōu)化工藝、開展技術(shù)攻關(guān)等措施，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)[14]。西部礦業(yè)集團(tuán)關(guān)停了6個產(chǎn)能和工藝嚴(yán)重落后的項目，有效提高了能源利用率，實現(xiàn)了綠色轉(zhuǎn)型[15]。大梁礦業(yè)加快低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和設(shè)備升級改造進(jìn)度，實現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和高效利用[16]。研究數(shù)據(jù)顯示，到2030年我國高耗能產(chǎn)業(yè)碳減排潛力可達(dá)5.42億t[17]。礦山企業(yè)通過節(jié)能減排技改可使碳減排潛力增長20%以上[18-19]。

3 傳統(tǒng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)碳增匯效果

截至2018年，我國因采礦活動損毀的土地面積達(dá)361.02萬hm2，累計治理面積93.08萬hm2，治理恢復(fù)率僅為20.50%，遠(yuǎn)低于50%～70%的國際礦山復(fù)墾率[1,20]。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)包括地質(zhì)地貌重塑、植被修復(fù)、土壤基質(zhì)修復(fù)3個方面[21]。地質(zhì)地貌重塑主要涉及回填整平、坡面加固、土方挖運、廢石清理、建筑物拆除等；植被修復(fù)包括植物搭配和植被營造；土壤基質(zhì)修復(fù)包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。

礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的碳效應(yīng)主要集中在礦區(qū)土地利用覆被變化帶來的碳增匯，修復(fù)后的礦山生態(tài)系統(tǒng)可以達(dá)到自然土壤和植被的碳密度，分別為51.60～53.75 t/hm2和6.24～9.95 t/hm2[22]。廖程浩等[22]對山西省陽泉礦區(qū)煤矸石山修復(fù)的碳減排效益進(jìn)行了估算，以自然灌叢進(jìn)行植被恢復(fù)，礦區(qū)土壤碳儲量和植被碳儲量可分別增加2 478.29 t和730.33 t。劉鶴云[23]對山西省平朔礦區(qū)2009-2013年期間的碳減排能力進(jìn)行了評估，通過綠色植被恢復(fù)，礦區(qū)溫室氣體減排量在15.33萬～16.99萬t。張黎明等[24]對安徽省淮北礦區(qū)復(fù)墾碳減排進(jìn)行了測算，對1.05萬hm2損毀土地進(jìn)行復(fù)墾后，CO2年吸收量可增加16.80萬t。

4 面向“碳中和”的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)新模式

4.1 路徑分析

礦產(chǎn)行業(yè)是典型的高能耗、高碳排放行業(yè)，這成為礦產(chǎn)行業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的最大挑戰(zhàn)。在礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)過程中，通過邊采邊修復(fù)、植被重建、土壤重構(gòu)等措施，也會實現(xiàn)源頭減排、植被固碳、土壤固碳等效果，因此礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)與礦山減排增匯具有同根、同源、同過程的協(xié)同關(guān)系。分析礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源發(fā)現(xiàn)，其主要集中在能源消耗碳排放和土地利用變化碳排放。對于能源消耗碳排放，單純淘汰落后產(chǎn)能，實施低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改并不能滿足產(chǎn)能提升的需求，而調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展清潔能源，才能從根本上改變礦產(chǎn)行業(yè)高能耗、高碳排放的現(xiàn)狀。對于土地利用變化碳排放，主要以土壤修復(fù)和植被恢復(fù)為主，可有效提升土壤固碳量和植被固碳量。因此，開發(fā)清潔能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)；恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)，鞏固和發(fā)展碳匯；開展礦山固廢綜合利用，可達(dá)到空間騰挪和工藝減碳的目的，這是實現(xiàn)礦業(yè)綠色低碳發(fā)展的有效路徑(見圖1)。

圖1 面向“碳中和”的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)路徑

4.2 礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式

礦業(yè)主要是對礦產(chǎn)進(jìn)行勘查、采掘和選別，在此過程中二氧化碳排放量與能源消耗總量呈顯著正相關(guān)，因此，開源節(jié)流是礦業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要內(nèi)容[25]。目前，我國清潔能源在全國能源中的占比約為25%，距離2060年“碳中和”清潔能源占比需達(dá)80%的目標(biāo)還有很大提升空間?？刂苹茉磸姸群涂偭浚岣咔鍧嵞茉凑急?，是礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的一個新的切入點。

我國礦山開發(fā)占地面積達(dá)361.02萬hm2[1]，目前大部分處于廢棄閑置狀態(tài)，利用礦山廢棄地發(fā)展太陽能等清潔能源，在恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境的同時，還可以起到節(jié)約化石能源的作用。與火力發(fā)電相比，在我國太陽年輻照量為3 000～9 000 MJ/m2的地區(qū)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很好的碳減排效果[26]。塞爾維亞[27]在退化地區(qū)進(jìn)行了光伏發(fā)電，其發(fā)電量相當(dāng)于43%的火力發(fā)電量，年碳減排量可達(dá)120萬tCO2e。因此，利用礦山廢棄地開展光伏發(fā)電的潛力較大，且具有顯著的碳減排效果。

對礦區(qū)中的中轉(zhuǎn)場地、固體廢棄物堆放場、采空塌陷區(qū)域、恢復(fù)治理區(qū)域可以發(fā)展礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式[28]。充分利用礦區(qū)獨特的地理區(qū)位和優(yōu)厚的土地空間條件發(fā)展光伏發(fā)電，可因地制宜采用“光伏+生物質(zhì)”“光伏+藥材”“光伏+草牧”等多種模式，這種生態(tài)環(huán)境修復(fù)模式可以有效提升土壤肥力、增加土壤生物量，同時可為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供能源和生產(chǎn)原料，生產(chǎn)高附加值的新型生物質(zhì)產(chǎn)品，達(dá)到充分利用土地的目的。

4.3 固廢資源化工藝減碳模式

利用礦山固體廢棄物進(jìn)行資源化生產(chǎn)的過程中，可以減少上游原料采選和運輸產(chǎn)生的化石燃料消耗，從而降低工藝碳排放。同時，以尾礦為生產(chǎn)原料，可以減少生產(chǎn)工藝中的原料粉碎環(huán)節(jié)帶來的能源消耗和碳排放。尾礦和廢石的資源化利用途徑主要為填料化(用于礦山采空區(qū)充填)、原料化(用作建筑材料原料)、基料化(用作修筑公路基料)和肥料化(用作肥料和土壤改良劑)[29-32]。研究表明：用尾礦和廢石生產(chǎn)混凝土、砂漿等建筑材料，可降低碳排放132.62～321.30 kg/m3[33]；用尾礦和廢石作為鐵路隧道基料，每萬t尾礦和廢石可減少二氧化碳排放量30～40 t[34-35]；用鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑，每萬t鐵尾礦可減少二氧化碳排放量1 904.8 t和7 619.0 t[36]；用尾礦制備磷肥，生產(chǎn)每萬t磷肥可減少二氧化碳排放量達(dá)1 650 t[37]。

我國礦山固體廢棄物綜合利用率約為32.5%，與粉煤灰(74.9%)、煤矸石(53.7%)、冶煉廢渣(88.7%)等工業(yè)固體廢棄物的綜合利用率相比差距較大[29,38]。尾礦資源高效利用是礦山可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)，也是推動工業(yè)固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的基本途徑[30,36]。在礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)中，融入固體廢棄物資源化利用修復(fù)模式，在礦區(qū)周邊建設(shè)以尾礦和廢石為原料的建材、基料、肥料生產(chǎn)線，這種模式可以有效提高礦山固體廢棄物資源化利用率，同時為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供生產(chǎn)原料，并大幅降低生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放。

此外，尾礦和廢石排棄對碳排放的影響主要是壓覆土地，原有土壤和植被固碳能力喪失，因此礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的前提是對礦山固體廢棄物即尾礦和廢石進(jìn)行資源化利用，從而為礦山生態(tài)系統(tǒng)提供固碳空間。我國各類金屬尾礦貯存總量多達(dá)60.0億t，且以3.0億t的年均增長率不斷增加，尾礦的積存占用了大量的土地資源[38]。對于尾礦庫、排土(巖)場、矸石或渣土堆場等顯著改變原有土地利用方式和覆被狀況的區(qū)域，通過對尾礦等固廢的資源化利用，可以提供更多的損毀土地用于生態(tài)恢復(fù)[1]。

4.4 展望

礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式還存在一些制約因素，主要涉及政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面。政策方面，礦山光伏發(fā)展過程中存在可再生能源電價附加資金募集不足、政策實施過程中碳指標(biāo)和能源指標(biāo)分配，以及缺乏監(jiān)管等問題[39-41]。技術(shù)方面，礦山光伏發(fā)展過程中面臨電網(wǎng)改造技術(shù)、儲能技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)[42]。經(jīng)濟(jì)方面，礦山光伏發(fā)電存在成本較高、投資回收期長等特點，因此前期開發(fā)、電網(wǎng)接入、儲能設(shè)備投入、人力成本等投資中的資金來源也是礦山光伏發(fā)電的限制因素[43-45]。我國雖然陸續(xù)出臺了多種支持可再生能源發(fā)展的政策和辦法，未來在建立發(fā)展專項基金、促進(jìn)可再生能源消納、資金補貼、技術(shù)創(chuàng)新等方面還需政府給予更多支持。

5 結(jié)語

我國礦產(chǎn)行業(yè)因其開采活動和高碳工藝流程，是重要的能源碳排放源和土地利用碳排放源。雖然我國典型礦山企業(yè)相繼提出了碳達(dá)峰和碳中和時間表，并在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面投入了大量的人力物力，然而面對巨大的產(chǎn)能需求，碳減排任重而道遠(yuǎn)。礦產(chǎn)行業(yè)減排與礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有同根同源性，目前以土壤修復(fù)和植被恢復(fù)為核心的礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)，產(chǎn)生了可觀的碳減排效果。分析礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源發(fā)現(xiàn)，“清潔能源開發(fā)-覆被恢復(fù)-固廢利用” 協(xié)同修復(fù)是面向“碳中和”的礦山修復(fù)有效路徑。