“双碳”战略下煤炭矿山生态修复与碳汇估算——以贵州省毕节地区某煤矿为例

陈俊贤,陈振华,吴志强,陈 川,杨江州

(贵州地质矿产勘查开发局117地质大队,贵州 贵阳 550001)

0 引言

“绿水青山就是金山银山”已经成为现如今生态环境保护领域的重要理念,“矿山生态修复”也是保护“青山绿水”的重要环节。赵晶等[1]以景观生态学为基础探索了生态+景观的矿山生态修复模式,并取得治理成效。王根锁等[2]则认为现阶段矿山生态修复侧重于研究诱发的环境负效应原因及其修复治理技术方法,矿山生态修复也侧重于对地形地貌景观和土壤破坏的修复,忽略了植被固碳方面的考虑,在全球“碳达峰、碳中和”目标下,矿山生态修复原有的环境污染治理模式和生态修复治理模式应结合绿色低碳的理念,将矿山生态修复研究的视角从负效应修复治理转向“碳汇经济”治理[2]。摒弃“一刀切”和“一法通”的矿区修复观念,优化矿山土地资源再利用,构建以“碳汇”为引导的矿山生态修复体系是未来矿山生态修复的发展方向。同时在“双碳”战略下,废弃煤炭矿山修复后能够恢复或增强碳汇功能,弥补曾经采煤扰动后导致的碳汇损失,使废弃“碳源”真正转为绿色“碳汇”[3]。鉴于此,对典型煤矿矿山开展以“碳汇”为导向的生态修复工作,估算“碳汇”指标参数具有重要的研究意义。

2 研究区概况

2.1 矿区基本情况

研究区位于毕节地区,属黔中山原向黔西北高原山地过渡地带,为构造剥蚀溶蚀中山地貌。气候特征主要为中亚热带季风气候区,平均气温为14.5 ℃,降水充沛。构造单元主要为毕节北东向构造内大顶坡背斜南东翼。地层主有煤系地层长兴组(P3c)、龙潭组(P3l)和茅口组(P2m)分布于治理区西、北、东部;中部和南部周边则为第四系杂填土(Qml)和残坡积土(Qel+dl),物质成分主要为粉质粘土、亚粘土、煤矸石及其它渣石料。地表水系属长江流域乌江水系。区内无河流,近南北向小冲沟较发育,冲沟水流量随季节变化极明显,雨季有水,旱时干涸,动态变化显著。土壤以黄壤、砖红壤为主,厚度一般为30～50 cm,pH值6.5～7.5。

2.2 研究区地质环境问题

2.2.1 地质灾害现状分析

研究区南东侧为历史煤矿开采时期形成的地质灾害隐患边坡(危岩带,如图1所示),总体向北东45°方向延伸,长度1.13 km,高度在10～80 m范围内。危岩带上除岩层产状外主要发育2组节理裂隙,边坡面以内无结构面组合交线。该边坡的表面受开挖爆破等活动扰动影响,岩体结构类型以碎裂镶嵌装为主,局部为散体状结构,导致边坡表面时常发生零星落石、掉块。整个危岩带底部均可见零星崩塌堆积体,形状以碎块状、孤石为主,主要粒径范围在1～20 cm范围内,整个危岩带底部零星落石掉块形成的崩塌堆积体总体约2 000 m3左右。另外,该边坡顶部局部地段存在零星裂隙,裂隙平面呈圈椅状,圈椅向北西280°方向开口,总长度130 m左右,以垂直发育为主,地表可见宽度在1～10 cm范围内,通村公路路面可见该裂隙宽度2～3 cm,其他地段裂隙宽度在5 cm以上。

图1 研究区土地资源占比Fig.1 Proportion of occupied land resource in the study area

2.2.2 含水层破坏现状分析

研究区范围内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶孔隙裂隙水,含水介质分别为第四系残坡积土、二叠系龙潭组(P3l)粉砂岩和泥岩、二叠系茅口组灰岩。各类含水层的破坏现状分析如下。

溶孔隙裂隙水:根据现场调查,龙潭组未开采贯通至茅口组中间有隔水岩层,只有当导水断层或其他导水通道沟通上覆含水层水力联系时,才会对龙潭组以下地层茅口组含水层造成污染,而地下水被直接污染影响的几率较小。

松散岩类孔隙水:因第四系全部被挖损破坏,二叠系龙潭组地层表层及上部基岩裂隙水含水介质被挖除,原基岩裂隙水含水介质遭受破坏。现状条件下,研究区范围内堆积的渣石料等成为松散岩类孔隙水的含水介质,因渣石料等空隙比大结构松散堆积厚度大,造成松散岩类孔隙水水量增大,使得该类地下水的储水含水条件发生显著变化。

基岩裂隙水:因矿山历史煤矿开采活动,二叠系乐平统龙潭组地层可以储水的基岩裂隙整体海拔高度降低,基岩裂隙水的埋藏深度增加即该类地下水水位下降。

2.2.3 地形地貌景观破坏现状分析

研究区的现状地形地貌景观已发生大幅改变,原始自然斜坡、洼地被挖除破坏后再次堆填改造形成以填方为主的填方地貌,主要包括填方边坡、填方平台(马道、台地)等。地形地貌景观破坏主要分为挖损破坏和压占破坏,如图1所示。挖损破坏主要是煤矿通过露天开采的方式对地表植被层和第四系土层进行剥离,再经过煤矿采挖活动,对山体边坡进行改造,改造后形成近直立岩坡,南东侧岩破坡高度均为80 m左右,落石掉块零星崩塌频繁发生。同时矿业活动会产生大量废弃土石方、煤矸石废料,这部分废料主要堆叠在研究区北西侧造成土地资源压占,同时新建的工业场地设施也会对现场土地资源造成压占破坏。研究区内土地资源、植被等坏损毁殆尽,最终确认研究区范围内地形地貌景观破坏程度为重度。

3 研究区生态修复

李树志、牛晓耕、卞正富等[4-6]学者认为当前生态修复治理倡导自然修复的治理模式,碳中和背景下具有低碳投入特征的生态自修复、引导型修复模式具有一定的优势。SCHLESINGER[7]认为矿区土壤和植被的恢复,将使矿区生态系统固定大气中CO2的潜力得到释放,其中林地在全球碳循环中占有重要作用。植物的种植模式会对煤矿的生态修复产生影响,不同植物的配植可起到增加植物生物量、加快修复进度和吸附降解有害元素等作用[8]。基于以上研究成果结合研究区现状条件,总体规划研究区采取“地质环境治理+生态环境治理”的方式。

3.1 地质环境治理

地质灾害治理:研究区东侧历史时期地质灾害治理形成裸露岩质边坡整体处于稳定状态,但其表面因机械或爆破扰动岩体结构已碎裂镶嵌结构为主,局部为散体状结构,整个边坡表面零星落石掉块现象频繁,故采用“挖填改造+边坡清理”的方式对该裸露岩壁进行治理。

水环境破坏治理:针对研究区西侧由研究区涌向居民区的坡面汇流(强降雨时段),拟在修复区边缘适当位置根据地形条件设置截排水沟疏导,即采用“地表疏排”的方式进行治理。

煤矸石自燃治理:采用“灌浆法”对煤矸石自燃点进行治理,将适当类型的浆液加压注入地质钻孔内,减少煤矸石与氧气等自燃所需气体的接触,阻止煤矸石自燃。

3.2 耕地、林地和草地生态环境治理

耕地旱地复垦区运用施工机械进行土层摊铺平整厚度不小于0.5 m,平整后用耕地机翻耕耙平一次,然后人工撒播光叶紫花苕、三叶草、红车轴草等绿肥草籽和普钙的混合物,以对土壤肥力、微生物环境、蓬松度等进行改良,绿肥作物至少生长枯萎1个周期。设计旱地复垦总面积67.41 hm2。

林地整治区域内设计杉木类型为带土球1～2 a以上育龄杉树全冠苗,栽植方式为坑穴栽植,株距2 m×3 m,每公顷设计栽植株数1 850株,整地方式为机械开挖人工辅助开挖成坑穴,单株整地规格不小于0.6 m×0.6 m×0.6 m。设计复垦林地面积55.56 hm2,栽植杉树总计92 505株。

草地复绿区采用坡面绿化方式对水土流失区域的填土边坡表面进行绿化,绿化草籽为草灌混合型,其中草本作物草籽建议选择红车轴草、白车轴草等,每公顷撒播量不小于167 kg,灌木草籽选择火棘、大叶黄杨等,每亩撒播量不小于134 kg,播种方式为雨后人工撒播。设计播种面积11.54 hm2。

3.3 研究区成效

实施生态修复后,可修复4种地类共计149.07 hm2,见表1。其中旱地67.41 hm2、林地55.56 hm2、草地11.54 hm2和农村道路9.27 hm2,拟修复4类二级地类总面积占研究区总面积的96.44%,不能修复为土地资源的区域为拟绿化的岩质边坡区域,面积5.30 hm2占研究区面积的3.56%。

表1 生态修复工程修复土地统计Table 1 Statistics of restored land by ecological restoration engineering

4 研究区碳汇估算

刘祥宏等[11]通过构建煤矿区生态体系研究得出煤矿陆地生态系统是以土壤碳汇和植被碳汇为主,少数涉及湿地碳汇。根据研究区特征和 IPCC(国际气候变化研究委员会)对陆地生态系统碳库的定义,将研究区碳汇估算转换为“两个方向、三个种类”进行计算,即地上生物量方向和土壤有机质方向,分别计算林地种类碳汇、草地种类碳汇和耕种类地碳汇。而生态修复区域为新建复绿区域,树种为新种,种植后根系发育较为缓慢,地下生物量不做统计计算;同时区内无枯死木、枯落物,也不做碳汇计算。

4.1 地表生物碳汇储量

目前,关于测算地上生物量碳汇的研究方法有生物量法、蓄积量法、涡旋相关法、涡度协方差法、弛豫涡旋积累法等[12]。不同方法计算方式的结果有着明显差异,用生物量推算碳储量是目前地上生物量碳汇计量最为准确的方法。结合研究区生态修复特征,林地恢复树种数量、胸径和树高基本为同一标准,故本研究采用生物量扩展因子法来计算的地上碳汇量。

4.1.1 乔木层

利用林分生物量与木材材积比值的平均值(BEF:生物量扩展系数),乘以该森林类型的总蓄积量,得到该类型乔木层的总生物量[13]。

(1)

B乔木=V×BEF×SVD

(2)

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

(3)

4.1.2 草本层

草本层地上部分碳汇量根据草本部分平均单位面积生物量、草本植物含碳率及草本层面积进行计算。

C草木=B草木×CF草木×S草木

(4)

4.2 土壤有机质碳汇储量

目前土壤有机质的碳储量估算方法研究较少,本研究采用张颖、李晓格等学者对背景是森林碳汇潜力分析论文中计算土壤碳汇的公式进行计算。

(5)

C土壤=SOC×S土壤面积

(6)

4.3 估算结果

根据表2面积数据、设计植被数据和公式(1)至(5)计算见表2。

5 结论

(1)在“双碳”战略下,煤矿矿山生态修复正逐渐从传统的“一刀切”治理思想向新的复合治理模式的转变,考虑碳汇因素后的修复方式将对区域碳平衡及缓解区域气候变化产生重要影响。

(2)选取了贵州省毕节市某煤矿治理区作为生态修复和碳汇研究区,通过地质环境治理和生态环境治理等生态修复手段对矿山进行治理修复面积为134.51 hm2,其中林地55.56 hm2,草地11.54 hm2,耕地67.41 hm2。