王丹丹 高愛林
收稿日期:2023-12-18;修回日期:2024-04-23
第一作者簡介:王丹丹(1980- ),女,碩士,高級工程師,從事礦山生態(tài)修復、土地綜合整治等方面的研究。 E-mail:wdd04@126.com
引用格式:王丹丹,高愛林,2024.“雙碳”戰(zhàn)略下石灰?guī)r礦山生態(tài)修復設計[J].城市地質(zhì),19(2):184-189
摘 要:“雙碳”是我國重大的戰(zhàn)略決策,礦業(yè)作為具有高能源消費和高碳排放特征的行業(yè),已經(jīng)成為我國實現(xiàn)碳中和的重要戰(zhàn)場?!半p碳”戰(zhàn)略下,如何在恢復礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的同時,又能有效提高礦區(qū)減排增匯能力,成為一個新的議題。文章以涇陽某礦山修復項目為例,針對存在的地質(zhì)災害隱患、土壤污染、土地閑置和土壤、植被碳匯能力降低甚至喪失等生態(tài)環(huán)境問題,提出以消除地質(zhì)災害隱患、恢復土地使用功能和增強減排增匯能力為目的,采用“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”的模式,統(tǒng)籌山水林田湖草沙系統(tǒng)治理,構(gòu)建綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式,助力鄉(xiāng)村振興,踐行兩山理論。
關鍵詞:礦山生態(tài)修復;“雙碳”戰(zhàn)略;減排增匯;生態(tài)環(huán)境
Mine ecological restoration design under "Double Carbon" strategy
WANG Dandan, GAO Ailin
(Beijing Urban Construction Survey and Design Institute Co., Ltd., Beijing 100101, China)
Abstract: Since China adopted its “Double Carbon” strategy, mining with its high energy consumption and high carbon emissions characteristics has become an important battlefield for China to achieve carbon neutrality. It has become a new issue how to recover the ecosystem of the mining areas, and at the same time to effectively improve mining area emission reduction and sink augmentation capacity. Taking a mine restoration project in Jingyang County as an example, this paper focuses on ecological and environmental problems such as potential geological hazards, soil pollution, idle land and the reduction or even loss of carbon sequestration capacity of soil and vegetation. A model of “ecological restoration + photovoltaic energy + combination of agriculture and animal husbandry” is proposed to eliminate the hidden danger of geological disasters, restore land use function and enhance the ability of emission reduction and carbon sinks. It helps implement systematic control of mountains, forests, lakes, grass and sand, build a green and low-carbon circular industry model, promote rural revitalization, and stick to the theory of Two Mountains.
Keywords: mine ecological restoration; "double carbon" strategy; emission reduction; ecological environment
“雙碳”即“碳達峰”“碳中和”的簡稱。2020年9?月,我國在第75屆聯(lián)合國大會上宣布中國二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值和努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2021年3月,中央財經(jīng)委員會第九次會議提出,2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和,是我國的重大戰(zhàn)略決策?!半p碳”已成為我國生態(tài)文明建設中十分重要的建設內(nèi)容(白暴力等,2021;張寧等,2021)。礦產(chǎn)資源是我國重要的基礎性資源,礦山開采造成的土地利用結(jié)構(gòu)變化以及對土壤、植被的擾動破壞,是影響礦區(qū)碳排放的重要因素。一方面礦產(chǎn)開發(fā)挖損壓占土地,導致耕地、園地、林地、草地等高碳匯型用地轉(zhuǎn)為工業(yè)場地、選礦廠、礦坑、矸石山、排土場等碳源型用地,改變了土地利用結(jié)構(gòu),造成礦區(qū)固碳能力的損失;另一方面礦山剝離、開采等采礦過程會對土壤理化特性產(chǎn)生不同程度影響,使土壤中微生物、有機質(zhì)含量降低,土壤板結(jié)破壞,植被被移除,進而導致土壤、植被碳匯能力降低甚至喪失(楊博宇等,2021;郭冬艷等,2021;蘇健等,2021;侯朋,2023;陳剛等,2024)。礦業(yè)已經(jīng)成為我國實現(xiàn)碳中和的重要戰(zhàn)場(尹巖等,2022),如何在恢復礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的同時,又能有效提高礦區(qū)減排增匯能力,成為一個新的議題。
傳統(tǒng)的礦山生態(tài)修復重點關注地質(zhì)災害消除、生態(tài)系統(tǒng)功能恢復和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過以最小的代價達到礦區(qū)土地復墾和生態(tài)復綠的目的,因地制宜將其復墾為耕地、林地、園地和草地。對降低碳排放量、提高碳儲存、提高碳中和的研究較少(顧清華等,2023;馬迅等,2023)。目前對礦區(qū)生態(tài)修復的主要途徑與措施為采取工程措施以實現(xiàn)地質(zhì)隱患的減少,與傳統(tǒng)農(nóng)田整治方法相結(jié)合進行簡單粗放的土地復墾,固碳增匯水平較低。同時修復工作缺乏系統(tǒng)規(guī)劃,未能從規(guī)劃設計階段就統(tǒng)籌考慮山水林田湖草沙,僅通過某項具體工程來實現(xiàn)修復目標,無法達到預期的生態(tài)修復效果,也不利于提升減排增匯能力。另外,大部分礦區(qū)并沒有因地制宜根據(jù)自身特色促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展,無法形成健康穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)修復和固碳增匯效果不明顯(何振嘉等,2022;卞正富等,2022;樊大磊等,2021)。本文以陜西省涇陽某礦山為研究對象,根據(jù)“雙碳”戰(zhàn)略要求,結(jié)合目前礦山生態(tài)修復的痛點,針對存在的生態(tài)環(huán)境問題,統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)修復,消除地質(zhì)災害隱患、恢復土地使用功能、構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng),增強固碳增匯能力;同時利用涇陽的光熱條件和礦山的空間優(yōu)勢,實施“光伏+種植+養(yǎng)殖”,構(gòu)建“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式,助力鄉(xiāng)村振興,踐行兩山理論。研究成果可為礦山生態(tài)修復減排增匯工作提供借鑒。
1? 研究區(qū)概況
1.1? 自然地理
研究區(qū)位于涇陽縣西北嵯峨山南麓,距離涇陽縣城約18 km。該區(qū)緊鄰口鎮(zhèn)山底何村、安吳鎮(zhèn)薛家村,G211國道從區(qū)內(nèi)經(jīng)過,有簡易鄉(xiāng)村公路與國道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)相連,交通較為便利。
涇陽縣屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫13.9℃,一月平均氣溫-1.5℃,七月平均氣溫26.5℃,極端最低氣溫-11.4℃,極端最高氣溫39.2℃;多年平均降雨量為535.97 mm,降水最多為829.7 mm (1958年),降水最少為349.2 mm(1977年),降雨多集中在7—9月,強度大;最大積雪深度14 cm,最大凍土厚度15 cm,無霜期215 d;全年主導風向為西風,頻率為11%,次主導向為東風,頻率為9%,年平均風速為2.2 m·s-1,年靜風頻率為24%;日照時數(shù)年平均為2 195.2 h,最多(8月)為241.6 h,最少(2月)為146.2 h。涇河在研究區(qū)西側(cè)穿谷而過,區(qū)內(nèi)河溝均屬涇河流域冶峪河的支溝。
該區(qū)地處渭北高原向關中平原過渡地帶,整體呈北高南低的趨勢。海拔418.8~1 443 m,落差1 000 m以上,平原區(qū)有溝壑分布,落差為30~50 m。南向坡面較多,坡面受日照影響,溝壑縱橫,山體破碎,坡面坡向復雜。
區(qū)內(nèi)土壤類型為黃灰色粉質(zhì)黏土、亞黏砂土。植被主要為荒坡草地和次生人工栽培植被楊樹、槐樹和桐樹等,沒有珍稀瀕危植物分布。
1.2? 地質(zhì)環(huán)境
1)地層巖性
區(qū)內(nèi)地層主要由奧陶系馬家溝組下段及第四系組成。
填土①(Q4ml):黃褐色,以黏性土為主,含植物根系等,局部含母巖巖塊及礦渣等。該層主要分布在場地坡腳及低山丘陵前緣處,土層厚度0.30~1.20 m。
黃土②(Q3eol):褐黃色,可塑,濕;大孔隙及針狀孔隙發(fā)育,含大量鈣質(zhì)結(jié)核及碎石塊,局部富集成層;該層主要分布在前緣低山丘陵處,未揭穿。
石灰?guī)r③(O):青灰色—褐紅色,巖體較為破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育;層面產(chǎn)狀方位175~182°∠50~65°,順坡產(chǎn)出;節(jié)理323∠85°。
2)地質(zhì)構(gòu)造
研究區(qū)處于山王溝-嵯峨山向斜北東翼,總體為一單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,地層走向北西-南東,局部見次級小褶皺,節(jié)理、裂隙是礦區(qū)主要的結(jié)構(gòu)形跡,構(gòu)造簡單。
據(jù)GB l8306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,本區(qū)地震峰值加速度0.158,抗震設防烈度為Ⅶ度,特征周期0.4 s。
1.3? 礦山開采歷史
區(qū)內(nèi)石灰?guī)r資源豐富,20世紀70—80年代起,當?shù)厝罕娮孕虚_設了一批規(guī)模小、利用率低、資源浪費大的小型采石場,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成較為嚴重破壞。研究區(qū)共有23處礦山,占地7.25 km2,形成長度17 km的連續(xù)破壞帶。
1.4? 生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與問題
衛(wèi)星遙感圖像解譯和實地勘查資料顯示,研究區(qū)整體山體開挖面積大,連片開采現(xiàn)象嚴重,山體基巖裸露(圖1),植被覆蓋率低,自然地形地貌和自然景觀損毀嚴重,與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào),嚴重影響了當?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境;灰?guī)r偏堿性,降雨天氣隨地勢灌注入下游農(nóng)田,造成土壤污染;開采活動對土地的挖損和壓占,造成大量土地閑置,土地資源浪費。同時,由于研究區(qū)距離周邊村莊距離較近,礦山可能產(chǎn)生崩塌、滑坡、水土流失等潛在地質(zhì)災害隱患(圖2),對附近村民和過往行人的生命財產(chǎn)和安全產(chǎn)生威脅。
礦山開采使礦區(qū)土地由高碳匯型用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚葱陀玫仡愋?,改變了土地利用結(jié)構(gòu),土壤、植被的破壞使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)喪失了固碳能力。
2? 總體規(guī)劃設計
2.1? 規(guī)劃原則
總體規(guī)劃設計遵循5項原則:1)保護優(yōu)先,自然恢復為主。遵循生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律,科學修復、道法自然,堅持自然恢復為主,人工修復為輔,恢復山體自然植物群落,形成穩(wěn)定健康的生態(tài)系統(tǒng)(李樹志等,2021)。2)統(tǒng)籌規(guī)劃,系統(tǒng)修復。堅持規(guī)劃引領、頂層謀劃,合理布局,統(tǒng)籌考慮礦區(qū)山、水、林、田、湖、草、沙各要素相互關系,綜合治理,系統(tǒng)修復受損生態(tài)功能。3)因地制宜,分類施策。統(tǒng)籌考慮礦區(qū)生態(tài)問題的多樣性、復雜性、多因性,依據(jù)國土空間規(guī)劃確定的土地用途,宜林則林、宜耕則耕、宜水則水、宜草則草,并針對植物生長限制因子,進行科學、智慧管護。以實現(xiàn)碳中和思想指導下的自然資源綠色和諧發(fā)展的目標。4)提升修復技術水平,提高固碳增匯水平。采用先進的修復技術,有效改善土地環(huán)境及土壤質(zhì)量,最大程度上提高礦區(qū)土壤可利用率與植被覆蓋率,提升土壤與植被的固碳增匯能力。5)優(yōu)化創(chuàng)新礦區(qū)土地的利用模式。結(jié)合實際情況對礦區(qū)土地進行合理布局, 采用“生態(tài)修復+產(chǎn)業(yè)融合”的模式,植入特色產(chǎn)業(yè),進一步提升礦區(qū)減排增匯能力。
2.2? 規(guī)劃思路
規(guī)劃思路主要考慮問題導向和產(chǎn)業(yè)需求。
針對研究區(qū)存在的生態(tài)環(huán)境問題,結(jié)合已有礦區(qū)治理經(jīng)驗,根據(jù)國土空間規(guī)劃,依據(jù)地形地貌、土壤植被、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及土地利用情況,采取工程措施和生物措施,消除地質(zhì)災害隱患,恢復土地使用功能,構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng),有效提高礦區(qū)減排增匯能力。
根據(jù)研究區(qū)所在地理位置、交通條件、光熱條件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況,構(gòu)建綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式,助力鄉(xiāng)村振興。
2.3? 規(guī)劃設計
以消除礦區(qū)地質(zhì)災害隱患、恢復土地使用功能和增強減排增匯能力為目的,采用“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”的模式,統(tǒng)籌山水林田湖草沙系統(tǒng)治理,尊重自然、遵從自然、統(tǒng)籌規(guī)劃;構(gòu)建綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式,助力鄉(xiāng)村振興,實現(xiàn)“由污水荒山轉(zhuǎn)換成綠水青山,再由綠水青山轉(zhuǎn)換成金山銀山”的“兩級轉(zhuǎn)換”(王丹丹,2020;田占良,2022)。
2.3.1? 生態(tài)修復
采用近自然的手段,針對不同區(qū)域(邊坡、平臺、采坑等)采用相應的治理手段,消除地質(zhì)災害、改善生態(tài)環(huán)境,恢復生物多樣性;依據(jù)國土空間規(guī)劃,因地制宜,將礦區(qū)廢棄土地復墾為林地和草地,恢復土地使用功能,改善土壤的環(huán)境質(zhì)量及生產(chǎn)力,提高植被覆蓋率,提升土壤與植被的固碳增匯能力(圖3)。利用場地內(nèi)現(xiàn)有洼地,結(jié)合匯水分析結(jié)果,收集山體匯水,建立生態(tài)蓄水池,滿足植被養(yǎng)護需求,有利于植物的生長發(fā)育,直接增加植物碳儲量,進而提升土壤中有機碳的含量(毛喆等,2023)。
1)邊坡修復
根據(jù)坡度、坡向、穩(wěn)定性分析結(jié)果,采取機械和人工手段對破損坡面進行危巖浮石清理,消除崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害隱患,構(gòu)建喬灌草復合模式的植被群落。通過深根錨固、淺根加筋作用力,使坡體呈現(xiàn)自然、穩(wěn)態(tài)的群落結(jié)構(gòu);采用生態(tài)袋、植物纖維毯、高次團粒噴播等技術解決高陡邊坡復綠難題,提高邊坡植被覆蓋度,增強植被固碳增匯能力。
喬灌草復合模式選擇耐瘠薄、耐干旱、抗堿性、根系發(fā)達適合當?shù)厣L的常綠側(cè)柏和紫穗槐混植,以及撒播草層緊密、耐鹽堿、萌蘗力強,且固土作用強的草種。
側(cè)柏種植間距為2 m × 2 m,苗高大于100 cm,帶營養(yǎng)杯種植;紫穗槐間距為1 m × 1 m,每穴3株種植,苗高大于50 cm,混合草籽中有草苜蓿、沙打旺、高羊茅、黑麥草、狗牙根、紫花苜蓿、北方野花組合、波斯菊、野菊花等。
2)平臺修復
通過地形整理、表土重構(gòu)和植被重建工程,改良土壤結(jié)構(gòu),提高地表植被覆蓋度,增強土壤和植被的碳吸收和儲存能力。
地形整理:對現(xiàn)場固廢堆進行清運,局部坑凹區(qū)進行回填、平整。
土壤改良:覆蓋種植土厚50 cm;石膏粉與硫酸亞鐵粉末按1∶2重量比混合后按每平方米150 g施入,腐殖酸每平方米施入量50 g,泥炭施入量100 g,之后采用旋耕機旋耕拌合,旋耕深度為20~30 cm;提取地方土壤有益微生物菌種進行培育繁殖后,采用霧化噴霧方式對土壤微生物菌種嫁接,并對土壤中所缺失的微量元素進行補充。
植被恢復:種植石榴、花椒2種經(jīng)濟作物。石榴種植間距為3 m × 3 m,花椒種植間距為2 m × 3 m。
3)水系梳理
針對山體水土保持的特點,山體不同區(qū)位采用不同的修復策略。山頂修復采用坡面修復、固土攔沙的策略,修復山體破損創(chuàng)面,穩(wěn)固坡面土石,匯水支線設置生態(tài)攔沙措施,降低降水對坡面的影響;山腰修復采用留水固土、蓄排有序的修復策略,坡面采用魚鱗坑、水平溝等水保措施增大植被蓋度,增強水源涵養(yǎng)能力,結(jié)合匯水線路設置排水、蓄水工程,留水固土,做到蓄排有序;山腳修復采用低影響開發(fā)、水景觀再現(xiàn)的修復策略,降水匯集到山腳后,合理規(guī)劃利用水體,徹底將水體留在山下,即可用于植被養(yǎng)護,也可實現(xiàn)水景再現(xiàn)(圖4)。
2.3.2? 產(chǎn)業(yè)融合
利用涇陽的光熱和礦山的空間優(yōu)勢,發(fā)展光伏清潔能源,通過“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”,創(chuàng)新實施“光伏+種植+養(yǎng)殖”,構(gòu)建“板上發(fā)電、板下板間種植養(yǎng)殖”立體發(fā)展模式,恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,發(fā)展畜牧業(yè),探索生態(tài)修復與低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機融合的新模式,減排增匯,助力鄉(xiāng)村振興。
3? 效益分析
1)生態(tài)效益
項目實施后,將消除地質(zhì)災害隱患,增強水源涵養(yǎng)能力,減少水土流失,恢復土地使用功能,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建大西安都市圈北部生態(tài)屏障。同時,將礦區(qū)廢棄地復墾為林地和草地,將顯著提升土壤與植被的固碳增匯能力;光伏發(fā)電每發(fā)1度電,每年可節(jié)約標煤304.9 g,減少CO2排放量832 g,減少SO2排放量0.16 g,減少NO2排放量0.179 g,減少碳粉塵排放量0.032 g。生態(tài)效益顯著。
2)社會效益
通過“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”的模式,將生態(tài)修復、減排增匯和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合,既可消除礦山地質(zhì)環(huán)境問題及礦山地質(zhì)災害對當?shù)厣鷳B(tài)的威脅,保證當?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活安全,為區(qū)域經(jīng)濟社會的健康發(fā)展提供保障;又將會有力地促進和帶動全縣全面生態(tài)治理的進程,逐步恢復北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境,推動當?shù)芈糜魏偷胤浇?jīng)濟的轉(zhuǎn)型,緩和當?shù)氐牡V地關系,促進當?shù)氐纳鐣€(wěn)定,為當?shù)貥?gòu)建新的生態(tài)安全格局樹立標桿。
3)經(jīng)濟效益
“光伏+種植+養(yǎng)殖”立體發(fā)展模式的實施,將極大地提高礦區(qū)的開發(fā)經(jīng)濟效益潛力,對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展起到推動作用;與此同時,治理工程的實施也將給當?shù)貏?chuàng)造大量的就業(yè)機會,提高當?shù)鼐用竦慕?jīng)濟收入,提高幸福指數(shù),有利于社會和諧穩(wěn)定,助力鄉(xiāng)村振興。
4? 結(jié)論
1)研究區(qū)位于涇陽縣西北部,嵯峨山南麓,連片開采現(xiàn)象嚴重,基巖裸露,植被覆蓋率低,地形地貌景觀破壞,土壤污染,大量土地閑置,存在崩塌、滑坡、水土流失等潛在地質(zhì)災害隱患。同時,土壤、植被的破壞使礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)喪失了固碳能力。
2)根據(jù)“雙碳”戰(zhàn)略要求,結(jié)合目前礦山生態(tài)修復的痛點,將消除地質(zhì)災害隱患、恢復土地使用功能、構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng)、增強固碳增匯能力和發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)相結(jié)合;構(gòu)建“生態(tài)修復+光伏能源+農(nóng)牧結(jié)合”綠色低碳循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式,助力鄉(xiāng)村振興,踐行兩山理論。
3)依據(jù)地形地貌、土壤植被、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及土地利用情況,采用近自然的手段,消除地質(zhì)災害隱患,因地制宜,恢復土地使用功能,改善土壤質(zhì)量,提高植被覆蓋率,構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng),增強固碳增匯能力。根據(jù)研究區(qū)所在地理位置、交通條件、光熱條件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況,實施“光伏+種植+養(yǎng)殖”,構(gòu)建“板上發(fā)電、板下板間種植養(yǎng)殖”立體發(fā)展模式。
4)礦業(yè)作為我國實現(xiàn)碳中和的重要戰(zhàn)場,如何在恢復礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的同時,既能有效提高礦區(qū)減排增匯能力,又能根據(jù)自身特色促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展,形成健康穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),將是重要的研究方向。
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