“双碳”视角下露天建材矿山碳排放周期研究

裴明松，刘 海，李小伟，代光俊，刘 林，斯小华，陈爱章

（湖北冶金地质研究所（中南冶金地质研究所），湖北 宜昌 443000）

0 引 言

“双碳”目标即中国二氧化碳排放量力争在2030年前达到峰值，并努力争取2060年前实现碳中和[1]，是习近平总书记在第75届联合国大会上向全世界做出的庄严承诺，彰显了我国应对气候变化挑战的大国责任担当，也是我国可持续发展的内在需求[2]。《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确指出，实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺[3]。“双碳”目标的实现路径主要为改善能源结构、推动节能减排、改变生活方式、提升碳汇能力[4]。矿产资源开发领域作为传统对环境影响较大的行业，在“双碳”目标下将面临更大的挑战[5]。

“双碳”目标对我国经济发展将产生较为深远的影响。我国电力、会计、城市转型发展、城乡规划、有色金属、交通、建筑等行业研究人员对各行业碳排放要素、实现“双碳”目标途径以及“双碳”目标对行业发展的新挑战和新要求等方面进行了研究并取得了一定的成果[6-12]。在矿产领域，鞠建华[13]宏观分析了矿业发展的机遇、困难和挑战，认为必须高标准推动矿业绿色低碳转型和绿色矿山建设才能实现矿业高质量发展；樊大磊等[14]分析了我国能源矿产行业发展现状和前景，认为在“双碳”目标下需要加强国内能源发展利用的顶层设计，进而实现能源安全保障及能源行业“双碳”目标；强海洋等[15]认为在“双碳”目标下，矿业可持续发展的路径在于通过优化资源供给侧结构性改革和构建多维协同发展路径促进绿色发展及提升矿区生态系统固碳能力和矿业产业结构转型升级。综上，分析矿产行业碳排放要素、提前布局设计、提升矿区固碳能力是矿产行业实现“双碳”目标的重要路径。

露天建材矿山是建材原料的主要来源，矿山较多且分布分散。根据不完全统计，仅鄂西某市现有上百家露天建材矿山，实际生产规模多在50万t以上。上述建材矿山的开发会破坏植被进而引起碳汇能力的减弱，爆破、工程机械设备消耗化石燃料以及外购电力也会增加矿山碳排放量，是建材行业实现“双碳”目标不可忽视的影响因素。露天建材矿山生态系统不同于一般工业系统，其破坏不是一蹴而就的，矿山的碳排放与地域和生境息息相关，具有一定的周期性，但是“双碳”视角下对露天建材矿山碳排放等方面的研究还不足。因此，本文在“双碳”视角下研究露天建材矿山碳排放要素和碳排放量变化的一般规律，为矿山节能减排、生态复绿、提升矿山固碳能力提供指导，同时为建材行业“双碳”目标的实现提供参考。此外，在时空尺度上为区域矿山布局设计、矿山行业管理和行政监管、绿色矿山建设等提供依据。

1 “双碳”视角下矿山碳排放周期

1.1 概述

露天矿山一般经历勘查设计、基建、开采和全面生态复绿等阶段。矿山基建和开采阶段对周边地质环境破坏较为严重，主要表现在地形地貌、地表景观以及植被的破坏，其中采场是破坏的主体。矿山生态系统是一种受人类工程活动强扰动的系统，但是也具备一定的自我修复能力。本文将矿山生态系统视作研究对象，在“双碳”视角下研究其碳排放周期。

1.2 露天建材矿山碳源和碳汇

1.2.1 露天建材矿山碳源

碳源指煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧活动产生的温室气体的排放，也包括因使用外购的电力和热力等所导致的温室气体排放。参考张振芳[16]研究成果，露天建材矿山碳源可分为直接碳源和间接碳源，直接碳源一般是指矿山生产消耗的燃油、炸药等碳排放源，间接碳源一般是指矿山外购电力等。矿山碳排放量是不同碳源消耗量与碳排放因子之积的和。

1.2.2 露天建材矿山碳汇

碳汇一般是指从空气中消除二氧化碳的过程、活动和机制，主要是指森林吸收并存储二氧化碳的多少，或者说是森林吸收并储存二氧化碳的能力。矿山生态系统吸收和存储二氧化碳主要是依靠矿山范围内植被实现的。植被是露天建材矿山碳汇来源，是矿山生态系统降低碳排放量进而实现碳中和和碳归零的必要条件。矿山碳汇是矿山范围内未破坏的或复绿的植被的固碳能力，依据矿山范围内植被的种类、郁闭度通过综合测算获得的。矿山碳汇可视为不同种类、不同郁闭度等的植被碳汇因子与植被面积之积。不同矿山植被不同，不同植被的碳汇因子也不尽相同。

对矿山生态系统整体而言，碳汇的减少意味着净碳排放量的增加，因此，本文将矿山破坏植被引起的碳汇减少量也作为间接碳源进行核算，则矿山生态系统碳排放量是碳汇减少量和碳源的碳排放量之和。

1.2.3 露天建材矿山碳排放量和碳汇能力

矿山碳排放量为矿山各种碳源的碳排放量和碳汇减少量之和。参考张振芳[16]研究成果，碳源排放量即碳源的消耗量与其碳排放因子的乘积。同样的，碳汇减少量可由单位面积植被碳汇因子与破坏面积乘积计算而来。综上，矿山生态系统碳排放量可用式（1）计算。

式中：Qp为矿山生态系统碳排放量；Fi为矿山第i种碳源的消耗量（i=1,2，…，m）；qi为矿山第i种碳排放源的碳排放因子；fj为破坏的第j类植被碳汇因子（作为碳源的碳排放因子，j=1,2，…，n）；Sj为矿山破坏植被的面积。

同样地，由露天建材矿山碳汇能力定义可以得到矿山生态系统碳汇能力，见式（2）。

式中：E为矿山植被的碳汇能力；ek为第k类矿山植被的碳汇因子（k=1,2，…，t）；Sk为矿山第k类植被面积。

1.3 露天建材矿山净碳排放量

露天建材矿山生态系统实际碳排放量即为矿山碳汇能力与矿山碳排放量抵消后的“净碳排放量”。本文将净碳排放量作为“双碳”视角下研究露天建材矿山的碳排放量的对象。露天建材矿山生态系统净碳排放量可采用式（3）进行计算。

式中，Q、Qp、E分别为矿山生态系统净碳排放量、矿山碳排放量、碳汇能力。

1.4 “双碳”视角下露天建材矿山碳排放量周期

建材矿山一般为山坡式露天矿山，按照自上而下分层开采的方式进行开发利用，矿业开发与生态复绿同步推进。矿山碳排放要素主要是机械设备燃烧化石燃料、外购电力以及植被破坏，矿山的碳汇主要来源于植被。从时空尺度来看，矿山生态复绿一般滞后于开发利用环节，随着矿山开采标高的降低，破坏植被面积逐渐增大。结合已有矿山数据，根据露天建材矿山生态系统净碳排放量模型，矿山生态系统净碳排放量曲线如图1所示。由图1可知，碳排放量曲线逐渐上升，经历达峰前后平台期后迅速下降，即碳排放量在经历勘查设计阶段的微增、基建阶段的缓增后在开采阶段陡增，并在全面复绿阶段减少并进入负排阶段。根据曲线特征可将矿山生态系统净碳排放量分为碳达峰、碳减排和碳归零三个阶段。

图1 “双碳”视角下露天建材矿山的碳排放周期图Fig.1 Carbon emission cycle of open-pit building material mines from the perspective of the “dual carbon”

1）碳达峰阶段。矿山勘查设计和基建时破坏了植被，造成了碳汇的少量破坏，开采时形成的大面积露天采坑是植被破坏的主要因素。开采过程中生态复绿对象主要为终了边帮，面积占比较小，碳汇的恢复程度较低，因而整体呈现碳汇的急剧下降。此外，化石燃料的燃烧、矿山爆破以及外购电力等增加了矿山的碳排放量。因此，在碳汇能力降低和爆破、工程机械设备使用导致的碳排放增加的双重作用下，矿山生态系统净碳排放量逐渐增加，处于“爬坡”阶段，并最终实现矿山生态系统“碳达峰”。

2）碳减排（含碳中和）阶段。主要是矿山服务年限的中后期以及生态复绿阶段。复绿的植被稳定成活并形成碳汇能力后，矿山的净碳排放量逐渐降低，进入碳减排阶段。当矿山生态系统的净碳排放量为零时即实现了碳中和。

3）碳归零阶段。主要是矿山全面生态复绿阶段。矿山的采场、建（构）筑物、道路以及工业场地和排土场等破坏土地在该阶段实现了全面复绿。该阶段矿山破坏的植被已经修复，碳汇能力得到了恢复，矿山直接碳源急剧减少。矿山生态复绿引起的碳汇恢复和直接碳源的减少综合作用下矿山生态系统的净碳排放量逐渐降低至负值，进入碳归零阶段。

因此，根据露天建材矿山生态系统碳排放模型，矿山生态系统净碳排放量由于破坏植被面积的增大以及碳源的增多而呈现逐渐增加的趋势，达到峰值后由于矿山碳汇的增加而逐渐降低，最终实现碳中和后进入碳归零阶段。

1.5 不同边坡占比的露天建材矿山净碳排放量周期

矿山边坡面积占比等因素决定了矿山开采时破坏植被面积和生态复绿面积的变化规律。一般而言，矿山各分层开采时破坏植被面积与边坡占比呈负相关、生态复绿面积与边坡占比呈正相关，即矿山边坡占比越大，其各分层开采时破坏的植被面积越小，生态复绿时恢复植被面积越大。经过对不同边坡占比的矿山开发利用及生态复绿情况进行分析，得到矿山生态系统碳排放周期与边坡占比关系如图2所示。

图2 不同边坡占比露天建材矿山的碳排放周期图Fig.2 Carbon emission cycle of open-pit building material mines with different proportion of slopes

由图2可知，边坡占比影响矿山生态系统碳排放周期，特别是净碳排放量峰值的绝对值和达峰时间。相对而言，矿山边坡占比越大，则其破坏的植被面积能够迅速复绿，矿山生态系统净碳排放量峰值越小，达峰时间越短。相反地，采场终了底部平盘破坏面积较大，在闭坑后才能够进行复绿，因此，其碳达峰时间长，且峰值绝对值往往较大。

总的来说，露天建材矿山净碳排放量规律为先增大后减小，一般经历碳达峰、碳减排（含碳中和）以及碳归零三个阶段。碳达峰包含矿山勘查设计、基建以及开发利用阶段，其达峰时间和峰值与边坡占比呈负相关。但是，露天建材矿山产能一般较大，匹配的资源量较多，边坡占比较小，生态复绿工作主要集中在矿山开采中后期，而底部平盘生态复绿形成的碳汇能力增加往往是矿山净碳排放能力减少的主要因素，因此，露天建材矿山生态系统净碳排放量达峰阶段持续时间较长。碳减排主要包括开发利用中后期和全面生态复绿期，主要是矿山碳汇能力提升，并最终促进净碳排放量零点的出现。碳归零主要包括全面生态复绿期，矿山生态系统净碳排放量进入负排阶段。

根据露天建材矿山碳排放周期，建材行业可以在时空尺度上根据需求量和矿山边坡占比的实际情况，合理衔接安排矿山投放时间和产能，保持碳排放量处于低值，尽早实现碳中和并充分发挥矿山碳汇价值。矿政管理部门可根据矿山相关开发利用方案，对露天建材矿山开发利用与生态复绿等工作提出更高要求，进行宏观调控，促进区域矿山绿色开发。矿山企业可根据矿山碳排放要素在实际生产过程合理计划排产，精细化管理，增加清洁能源的使用比例[17-18]和绿电比例，做好复绿植被的抚育工作，尽量减少矿山“碳达峰”时间，使矿山尽早进入“碳减排”阶段，减少矿山生产对周边生态系统的影响，进行绿色开发，实现绿色矿业。

2 实例分析

2.1 矿山概况

鄂西某建材矿山面积0.348 8 km2，隶属江汉平原向鄂西山区过渡带的半山区，低山丘陵地貌单元。山坡平缓，植被茂盛，林木资源丰富，森林覆盖率较高，总体地势呈北西高南东低。海拔最高点位于矿区北部，高程466 m；最低处为南部山脚，海拔高程约为280 m，最大相对高差185 m。所产矿石为建筑石料用灰岩，最大开采高差约为165 m。矿山范围及地形概况如图3所示。

图3 矿区范围及地形3D模拟图Fig.3 3D simulation map of mining area and terrain

2.2 矿山开发利用及生态复绿

该矿山为露天矿山，可采储量达4 785万t，年产300万t建筑石料用灰岩矿石，矿山基建期1 a，服务年限约16 a。矿山采用公路开拓、自卸卡车运输的开拓运输方案和爆破落矿的方式，运距小且采装、运输设备循环效率较高。矿石爆破后用5.4 m3液压挖掘机装入45 t自卸卡车经矿区公路运至原矿转运场通过外部车辆运至矿石加工厂进行加工，可完成大规模开采。矿山自上而下分层开采并在终了边帮上形成台阶。矿山边开采边采用树-灌-草相结合的方式对终了边帮进行复绿，养护时间为3 a。矿山主要开采及复绿的过程如图4所示。

图4 矿山开发利用及生态复绿主要过程图Fig.4 Main process of mine development and utilization and ecological greening

2.3 矿山净碳排放量周期

2.3.1 矿山碳源和碳汇计算依据

矿山碳排放量主要是不同碳源量与碳排放因子之积，参照张振芳[16]、杨博宇等[19]、胡志奇[20]的研究成果，矿山主要的碳排放因素如燃油、炸药以及外购电力的碳排放因子见表1。矿山碳汇可视为不同种类、不同郁闭度等植被碳汇因子与植被面积之积。由于矿山植被种类较多，不同植被碳汇因子不尽相同，本文根据国家林业和草原局等相关资料[21-23]进行简化计算，即我国人工林平均蓄积量为59.3 m3/hm2，按照1.6 t/m3的固定二氧化碳能力计算，人工林平均碳汇量为95 t/hm2，因此，矿山碳汇因子95 t/hm2。矿山碳源的碳排放因子见表1。

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

2.3.2 矿山净碳排放量计算

矿山按照建材矿山的要求开展绿色矿山创建工作，根据矿山各分层服务年限来看，矿山开采和生态复绿过程中矿山范围内绿化面积和破坏面积各年变化情况如图5所示。

图5 矿山破坏及绿化面积变化图Fig.5 Changes of destruction and greening area of mine

由图5可知，矿山破坏植被的面积呈现先增后减的趋势，绿化面积则与之相反，整体上破坏面积与绿化面积呈现此消彼长的关系。矿山碳汇能力与绿化面积呈正相关，则表明矿山碳汇能力也呈现由减到增的变化。

由于矿山生产能力较为固定，则可认为爆破、工程机械设备、外购电力等碳源的历年碳排放量在其服务期内（不含闭坑生态复绿期）保持不变。矿山所用机械设备较多，主要设备是潜孔钻机、挖掘机、自卸式卡车等，以柴油设备为主，初步测算每天消耗柴油2.5 t，按照年工作天数250 d计算，消耗柴油约为625 t。矿山电力较少，仅包括少量照明用电，因此，本文中不考虑外购电力的碳源。

根据式（1）和式（2）计算得到矿山各开采水平碳排放量和碳汇变化情况如图6所示。根据式（3）以及矿山各分层开发利用时间计算，矿山净碳排放量周期变化情况如图7所示。

图6 矿山碳排放量和碳汇能力变化图Fig.6 Changes of carbon emission & carbon sink capacity of mine

图7 矿山碳排放量曲线图Fig.7 Carbon emission curves of mine

由图7可知，该矿山生态系统的净碳排放量在0～12 a间逐渐增大，并在12 a时实现“碳达峰”。此后矿山碳汇能力随绿化面积增大而逐渐增强，进入碳减排阶段。矿山开采终了时净碳排放量为3 022 t，尚未进入碳中和阶段。随着生态复绿期间矿山绿化面积进一步增大，18.4 a时碳汇能力与碳排放量相当，矿山净碳排放量为零，实现了“碳中和”。此后矿山的碳汇能力进一步增强，净碳排放量持续减少，矿山完全复绿形成稳定碳汇能力时碳排放量为零，矿山生态系统净碳排放量为负值，进入碳归零阶段。矿山的碳排放周期与露天建材矿山碳排放模型相符，说明本文建立的露天建材矿山碳排放周期模型是符合实际的，能够用于指导建材行业进行矿山布局，对于露天建材矿山生态复绿和绿色矿山建设有一定的指导作用。

3 结论和建议

1）“双碳”视角下露天建材矿山的碳排放周期可分为碳达峰、碳减排（含碳中和）和碳归零三个阶段。露天建材矿山生态系统净碳排放量呈现先增大后减小的趋势，峰值一般出现在矿山服务期的中后期，零点一般在生态复绿阶段出现，此后进入负值阶段。

2）露天建材矿山服务年限一般较短，伴随着矿山生态系统碳汇能力的降低和恢复。矿山按照绿色矿山标准建设并完成生态复绿义务，则矿山生态系统“双碳”目标实现是较为容易的。

3）建材矿山是建材产业的上游原料来源之一，需根据不同类型矿山进行合理布局。矿山企业需合理制定生产计划，边开采边及时复绿，恢复矿山生态系统碳汇能力，同时利用清洁能源和绿电等低碳措施，降低单位矿产品碳排放量，为建材行业“双碳”目标实现贡献力量。

4）矿山企业要充分认识到森林碳汇在抵消碳排放方面的重要作用以及在碳交易市场的经济价值，主动及时抚育生态复绿的植被，增加植被固碳能力，增加森林年碳汇量。