王化齐,李彦娥,孙芳强,刘 江,马洪云,李成柱
(1.中国地质调查局西安地质调查中心(西北地质调查科技创新中心)，西安 710054;2.陕西省水资源与环境工程技术研究中心,西安 710054)
“双碳”目标是中国一项重大战略决策，也是推动建设人类命运共同体的必然选择。矿区生态系统是以矿区作业区为核心的一个独特的人工、半人工的特殊生态系统[1]。化石能源的开采过程中的地面、地下工程或多或少会改变区域的土地利用类型与地表植被覆盖率变化，对生态系统产生一定的扰动，干扰碳库平衡和生态系统的碳汇功能，对区域环境和碳循环会产生重要影响。据研究，美国俄亥俄州因采煤活动导致土壤有机碳损失了70%，经修复后增加的土壤有机碳库容量相当于燃煤50 a排放碳量；
淮北矿区已复垦1.05万hm2受损土地面积，年CO2吸收量可增加16.8×104t。
目前，国内外学者对矿区碳循环的研究多集中在矿区不同土地利用类型的碳汇评估及时空变化[1-3]、碳排放测算[4-5]、矿区复垦生态系统价值[6]等方面，也取得了一些有借鉴意义的成果，但从宏观尺度对矿山生态修复减排增汇路径和潜力挖掘研究的深度仍然不够。因此，本文围绕“双碳”目标的实现，深入分析矿区减排增汇的必要性，剖析国内外研究进展及其存在的问题，有针对性地提出现阶段矿区减排增汇潜力的提升路径，促进矿区逐渐步入绿色、低碳和可持续发展的轨道。
双碳目标是我国一项重要发展战略，中央经济工作会议更是将“要正确认识和把握碳达峰碳中和”列为2022年的重点任务之一。矿区又是双碳目标实现的重点区域，因此，矿山企业转型发展是实现双碳目标的关键。实现双碳目标就必须做好碳的加减法，也就是做好减排增汇工作。
能源开发、能源产品使用过程是碳排放的重要方面。能源产品的使用中的减排，主要是依靠能源结构调整来进行。在其生产和开发环节中的碳排放在整个煤炭的碳排放链中的占比较低，但其绝对值较大，暂时还未纳入碳排放权交易的覆盖范围，但未来应该会逐步纳入，排放成本将逐步附加于煤炭产品及企业。因此，对于能源企业，通过碳监测和指标管理，测算煤炭生产用能、煤矿瓦斯以及矿后活动的碳排放现状，提出了能源开发过程中的减排技术、新能源代替、产业集群协同等低碳路径，分析测算减排潜力，实现能源企业的转型发展，具有重要的现实意义。
矿山开采过程中或多或少产生碳排放，同时也会扰动或者损毁土地，破坏地表原有植被造成碳储量部分丧失或全部丧失。碳吸收主要包括生态系统碳汇、工程封存、碳的利用。如期实现碳达峰、碳中和目标，一个重要方面在于提升生态碳汇能力，鼓励企业承担国土绿化行动责任，增强植物光合作用、挖掘提升土壤和植物固碳能力，有效发挥森林、草原、湿地、海洋、土壤和冻土的固碳作用，以增加碳汇规模，抵消企业一部分碳排量。大多数矿山企业在生态碳汇方面则存在未能深入研究生态碳汇的相关规划、功能体系和建设方略(特别是对全周期的矿区生态碳汇构建研究不足)，缺乏对矿区生态系统的固碳机制和限制性因素等方面系统探索。碳捕集、利用与封存技术(CCUS技术)是指将排放的CO2在生产中进行分离并收集，并循环再利用到生产中或者直接将其封存处理，从而实现碳减排的工业过程，是实现碳中和、保障能源安全和实现可持续发展的重要技术，但目前碳捕集-利用-封存技术仍处于研究和试点阶段，还未达到商业化应用。
因此，基于山水林田湖草生命共同体理念，结合自然生态地质环境特征，主要考虑水土资源约束，加强碳排放的监测与科学管理，进行增汇减排潜力及路径分析，既符合绿色矿山建设要求，也是企业积极参与国际气候变化应对和国家碳汇减排战略的重要行动内容，是企业实现双碳目标的一项重要举措。
2.1 矿区碳循环的研究进展
(1)矿区碳循环
碳元素是形成地球生命至关重要的元素，是所有生物、包括人体中仅次于氧的第二富有元素，约占人体质量的18.5%。碳元素存在于空气、土壤、海洋、矿藏、动植物中，并且不断地循环。这种碳循环，类似的水和氮循环，是地球上生命持续的一个关键原因。碳循环或进入大气、或停留或积累在地球上的土壤、沉积岩或化石沉积物矿藏中，或溶解在海洋中，然后又通过自然沉积的侵蚀或形成各种有机体后的降解、释放再进入大气碳循环。光合作用和土壤腐殖化过程是碳循环的主要驱动力。矿山开发引起地表植被破坏、上覆岩层移动、土壤质地变化，导致碳排和碳汇交织耦合，形成了矿区特有的碳循环机制。矿区生态系统的碳汇主要包括植被碳汇和土壤碳汇两个部分。植被和土壤碳汇系统又通过光合作用、呼吸作用和生物质流通与环境进行碳物质交换。矿区碳排放主要是
(2)矿区生态系统碳汇
目前，生态系统碳汇的评估方法主要有地面调查、通量观测、大气监测与反演、模型模拟等。部分学者对矿区生态系统碳汇开展了深入研究，尤其是针对土地复垦、生态修复后的土地进行了碳汇储量和碳汇变化研究，有一些企业开展了碳汇林建设。刘祥宏等[5-7]人指出矿区生态碳汇损失形式主要包括煤炭开采活动损失、生态植被建植过程损失和长期条件下生态稳定风险损失等，并针对土壤碳汇和植被碳汇提出煤矿区生态碳汇功能提升方法和碳汇损失防控措施，结果可为煤矿区生态碳汇方面的科学研究与工程建设提供参考。碳汇的提升路径主要包括：① 增加生态系统的输入，加强生态保护措施，例如：扩大森林面积、农作物轮作、秸秆还田，增加湿地面积，提高净初级生产力；
② 减少生态系统输出量。减少土壤呼吸、控制水土流失和淋溶；
③ 增加生态系统稳定性，减少人为干扰。
(3)矿区碳排
目前，针对碳排放的研究主要集中在碳排放的监测、评价、管理等方面。碳排放有两种成熟的统计评价方法，即核算法和连续在线监测法。连续在线监测法可及时、直接获得碳排放量，并且比核算法获得的数据精度高。核算法是国外主要碳市场和国内试点碳市场碳排放主流统计方法。无论是欧盟碳市场，还是美国加州、RGG碳市场，与核算获得的碳排放数据一样，均要求对连续在线监测获得的碳排放数据进行严格的第三方核查，包括采用核算法进行校验，以确保碳排放数据质量。目前，我国七省市试点碳市场均要求管控企业开展碳排放核算，仅极少数管控的发电企业开展了碳排放连续在线监测。纵观国内外，碳排放管理已成为国内国外企业管控新常态，但在理论技术方法和制度上深度还是不够。
2.2 “双碳”目标下的矿山开发中存在问题
(1)缺乏碳排、碳汇的科学监测、核算标准
目前，国内外在碳排的监测和估算方面，取得了一些有价值的研究成果，但在理论技术上，没有形成一种科学的监测、核算标准和技术方法体系，急需要建立健全统一、规范的碳排放数据监测计量、核算、报告、核查等技术规范体系。生态系统是个复杂系统，碳汇估算方法多，但仍存在很大的不确定性，尺度转化、评判口径不一致等问题，因此，缺乏科学合理统一的评价理论技术方法。因此，亟需建立碳排、碳汇科学的评价技术方法体系。
(2)矿山开发全流程中碳管理技术方法仍在探索
碳减排对企业而言不是简单的增加减排技术或关停产能，而是系统化地实施碳管理。碳中和是零碳过程，是抵消的过程，需要从生产方式、生活方式、发展的角度来系统化地思考。这就需要企业认清自身的碳排放和能耗情况，实施矿山开发全流程的碳管理制度研究的深度，制定应对气候变化的战略，即碳管理战略。
(3)碳交易等市场经济机制的研究深度不够
2011年10月29日，国家发展与改革委员会发布《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》，同意北京市、天津市、上海市、重庆市、湖北省、广东省及深圳市开展碳排放权交易试点。2021年7月中国碳市场正式开市，首批纳入的2225家发电企业年碳排放总额预计超过40亿t，占全国年碳排放总量的40%左右。我国在碳市场体系建设上，自下而上，先试点后推广，先区域后全国，先现货后期货的传统方式稳步推进。国内碳交易市场在从区域试点向全国市场的发展过程中。我国的碳交易市场的发展仍然面临一些体制、机制、监管和激励方面的障碍。目前，碳交易的研究取得了一些初步进展，但急需要探索碳资产管理和碳交易管理的研究深度，以支撑双碳战略。
3.1 加强多能源互补与能源开发结构优化
不同的能源结构有不同的碳排放结果，近年来我国狠抓产业结构调整与节能减排，单位GDP能耗从2010年的0.9062 t标煤/万元下降到2015年的0.6412 t标煤/万元，2020年下降至0.4902 t标煤/万元，节能成效显著。但是我国2017年的能源强度是世界平均水平的1.8倍、美国的2.5倍、欧盟的3.3倍、日本的4.3倍，差距很大，因此，能源利用效率仍有很大的提升空间。通过产业升级、原料替代、工艺优化、资源整合、区域协同等举措，调整转变重点领域高耗能产业结构与高排放生产方式，持续提高能源利用效率和资源循环利用水平，实现零碳排放或低碳排放，也是我国矿山实现碳中和最重要、最经济的路径。以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点，加快推进大型风电、光伏发电基地建设，对区域内现有煤电机组进行升级改造，探索建立送受两端协同为新能源电力输送提供调节的机制，支持新能源电力能建尽建、能并尽并、能发尽发。另外，应尽可能的降低矿区开采过程中的碳排放强度，实现矿业用地节约集约，减少对周围敏感地区的影响。
3.2 建立科学的碳监测、评价和清单管理体系
为确保净碳汇量的透明性、可测定性和可核查性，必须加强碳汇监测，构建空天地一体化碳监测与评估平台，融合了卫星遥感、物联传感、大数据、云计算等技术，从卫星对地观测角度，规定了遥感森林碳指标分级体系、森林碳指标遥感监测产品体系和监测技术体系框架等，可实现时空动态的碳源碳汇多维度监测。生态系统碳汇目前的评价方法较多，有土壤碳汇、植被固碳的碳汇；
林地、农田、湿地等不同生态系统类型的碳汇估算，要从概念内涵上统一认识；
考虑碳汇碳源的转化机制，注意其动态评价，最终，建立公认的科学的碳汇评价体系。
目前，碳排放的测算方法主要包括“碳核算”及“碳估算”两大类。碳核算主要包括：排放因子法、质量平衡法及实测法。由于部分地区的碳排放测算存在着研究方法及数据的限制，则需要采用模型估算法进行测算。碳排放因子法根据生产生活所消耗的燃料值与相应的CO2排放量的总和来计算，通常用于国家、省、市等较为宏观的核算层面，粗略对特定区域的整体情况进行宏观把握。质量平衡法是基于质量守恒定律，针对生产过程中的二氧化碳排放量进行定量分析。实测法是通过采集排放气体，并测量其流速、流量、浓度等，从而计算气体的排放总量。碳估算主要是通过构造符合研究区实际情况的数学模型，采集相关关键参数对研究区情况进行数学模拟的一种方法，主要有F-carbon模型、COMAP模型、TEM模型等。
加强矿山开发过程中的碳排放过程监测和清单阈值管理。分析企业碳排现状，根据企业发展规划进行碳排放的预测，对标企业碳排的行业标准，提出企业运行过程碳排重要指标的监测和清单阈值管理制度。基于生命周期评价方法，通过对液化天然气、煤制天然气、管输天然气等全生命周期过程的CO2排放清单进行比较，构建煤制天然气全生命周期碳排放核算模型[8]，并提出“低碳”途径。
3.3 构建低碳型矿区开发的国土空间新格局
矿区作为碳排放的重要区域，直接体现人类活动对生态系统的影响，是“双碳”目标达成的关键治理区域，其国土空间的保护、开发利用与“双碳”目标的实现密切相关，因此，实现“双碳”目标需要落实到国土空间资源的保护和利用方式上。
(1)在矿区国土空间规划编制和用途管制中，提出必要的减排增汇的制度保障，融入国土空间规划中。在掌握碳循环规律的基础上，明确规定相应的碳排放约束条件，鼓励使用低碳环保型建设技术与建筑材料，引导矿区向减排增汇的方向发展。以碳资产价值最大化为目标，以水土资源为约束，构建低碳化国土空间优化调控模型，从矿区规划、土地利用类型调控等方面建立优化调控的情景集，进行仿真模拟，提出不同组合情景下，碳汇提升潜力，促进碳源向碳汇转变。
(2)在加强对现有自然生态系统保护的同时，通过矿山生态修复工程，对退化的生态系统进行重建与修复，增加自然生态系统的固碳能力。将损毁土地优先复垦为林地、草地、耕地，补偿矿区开采产生的大量碳排。同时也得重视土地复垦后期管控，实现涵养水源、净化空气、保健修养、动物栖息等。因此，在国土空间生态修复工作中，要坚持因地制宜、以自然恢复为主；
坚持分类施策，分别采取保育保护、自然恢复、辅助修复、生态重塑的办法，应对不同的退化、损害和破坏生态区域，这样才能最大程度地发挥国土空间生态修复对增强国土空间的碳汇能力的作用。通过地貌重塑、土壤重构、植被重建等土地复垦工程的实施，将矿区生态系统内“碳源”型用地逐渐向“碳汇”型用地转变[9]。
(3)受水资源与气候条件的双重约束，半干旱区矿区生态修复建议采取引导型修复措施，即前期采取适度人工引导、后期以自然恢复为主，以提升修复后生态系统的自维持能力，促进或实现矿区生态系统的自主正向演替，尤其要重视修复后自然碳汇的稳定与提升。人工引导措施主要包括土地整治、环境整治、产业转型、社会转型等。探索开展“生态修复+”模式创新(生态修复+碳减排、生态修复+碳汇、生态修复+可再生、生态修复+新能源、生态修复+废弃矿井利用等)以及“渔光互补”、“农光互补”、“牧光互补”等绿色低碳产业新模式，积极布局碳捕捉、封存和利用技术，提升固碳、负碳能力，为实现“碳达峰、碳中和”战略目标及构建“生态文明建设先行区”提供有力支撑。
3.4 通过碳交易推动矿区开发的“公平与效益”
碳交易作为近些年才被提出的一种交易方式，应该加强碳交易宣传以及碳储量的价值研究。建立相关的法律法规，促进碳汇市场的良性发展。2011年10月29日，中国国家发展与改革委员会发布《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》，同意北京市、天津市、上海市、重庆市、湖北省、广东省及深圳市开展碳排放权交易试点。中国碳市场于2021年7月正式开市，首批纳入的2225家发电企业年碳排放总额预计超过40亿t，占全国年碳排放总量的40%左右。随着钢铁、有色、造纸等行业逐步被纳入全国碳市场中，碳控排企业规模不断扩大，风险偏好或将逐步分化：风险偏好较低的碳控排企业或更重视碳市场的碳资产管理职能，主要希望借助碳资产管理帮助自身降低履约成本等；
风险偏好较高的碳控排企业或更关注碳市场的交易职能，希望参与套保或投机的操作。从碳市场实际作用看，碳交易和碳资产管理是两大核心职能。
3.5 建立碳数智技术赋能矿区全周期碳管理机制
从碳汇、碳减排到碳交易都离不开数据的真实性、可靠性和可持续性，只有这样才能确保从数据发现、控制和解决问题。同时也可以防止企业为短期经济利益铤而走险，实现有效的事前监管。因此数据核心的全流程管理，从数据发现问题，不断迭代，修正流程和政策管理边界是关键。
卫星对地观测和数字地球技术是空天地一体监测碳循环的重要手段，能为碳中和研究提供高时空分辨率的基础观测数据和分析工具。碳卫星、多光谱卫星为监测温室气体浓度提供数据支撑；
数字地球技术综合全球植被、大气、气候数据，为自然生态系统碳收支提供时空分析与可视化展示。
矿区作为碳排放的重要区域，是“双碳”目标实现的关键治理区，其减排增汇的潜力挖掘和路径分析具有重要的战略意义。目前，本文深入分析了矿区开发过程中存在的问题，有针对性地提出加强多能源互补与结构优化、建立科学的碳监测评价和管理体系、构建矿区开发的低碳国土空间新格局、推动矿区碳交易、数字化赋能矿区双碳目标等低碳提升路径，支撑“双碳”目标分配、碳排放核算、碳补偿决策，促进矿区逐渐步入绿色、低碳和可持续发展道路。
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