“碳中和”背景下我国矿山生态环境修复研究现状及发展趋势

我国矿产行业的开采活动和高碳工艺流程排放了大量的温室气体[1-2]。一方面，矿产开采活动对矿区土壤和植被产生了强烈扰动，土壤破坏和植被移除使矿山生态系统丧失了固碳能力；另一方面，矿石剥离、开采、分(洗)选、球团、炼钢、运输，以及废石和尾矿排弃等工艺过程中会排放大量温室气体，包括工艺过程中的机械设备能源消耗和开采过程中的瓦斯等气体溢散造成的碳排放。钢铁行业在制造业领域中的碳排放量最大，高达18亿t/a，有色金属行业碳排放量达6.6亿t/a，分别占我国碳排放总量的15%和5%。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年2月，《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》中进一步明确了2025年和2035年绿色低碳循环发展经济系统建设目标。矿产行业作为落实我国碳减排的重要责任主体，亟需调整能源结构，加快绿色发展转型升级。传统的矿山生态环境修复是基于矿山开采活动对矿山生态系统结构与功能造成的破坏而采取相应的措施进行末端治理，主要集中在土壤修复和植被恢复两方面[5]。传统的矿山生态环境修复不仅是重塑矿山生态系统的重要手段，亦是助力矿区提高碳汇的有效措施[1]。目前，我国矿山企业的碳减排路径主要集中在低碳技改和工艺优化及节能技改方面，然而面对巨大的产能需求，矿产行业的碳排放总量仍居高不下，这对矿山生态环境修复提出了新要求。在此背景下，本文分析了矿产行业碳排放源的构成与排放量，综述了矿山企业碳减排潜力和传统矿山生态环境修复的碳增汇效果，并在此基础上提出以实现矿山企业碳中和为目标的矿山生态环境修复新模式，以期为矿产行业的低碳循环与绿色发展助力。1矿产行业碳排放现状1.1矿产行业碳排放源分析《IPCC国家温室气体排放清单指南》是目前全球编制温室气体排放清单的主要依据，本文据此对矿产行业碳排放源进行了分析，并总结了矿产行业主要的碳排放源类别。1)能源碳排放矿产资源从开采、加工、运输和利用的整个过程都会伴随能源消耗，消耗的能源种类包括电能以及汽油、柴油等化石燃料，而化石燃料在燃烧过程中会产生大量的碳排放。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中提供了能源燃烧碳排放因子，汽油/柴油CO2排放因子为74100kg/TJ。在煤矿开采过程中，煤和煤矸石与空气接触时会发生自燃现象，燃烧过程亦会造成碳排放。2)采掘工业碳排放在以碳酸盐(如方解石、碳酸钙等)为原材料的采掘工业产品利用过程中，煅烧和酸化过程会造成碳排放。如：水泥、石灰、玻璃等的生产过程中，需对碳酸盐原料进行煅烧，从而造成碳排放；在用硫酸对磷酸盐矿石进行酸化的过程中，含有少量碳酸盐的矿石会产生碳排放。3)土地利用碳排放矿产开采活动改变了矿区内的土地利用类型，原来的耕地、林地、草地转变为矿坑、尾矿库、排土场等工业用地。耕地、林地、草地均为丰富的生物量碳库、死有机质碳库和土壤碳库。矿产开采活动破坏了土地原有的覆被，使矿区丧失了生物量固碳能力，并且加快了死有机质和土壤碳库的分解速率，产生了碳排放[7]。此外，在煤矿开采活动中，还存在煤层气溢散现象，煤层气中的CH4是重要的温室气体，其温室效应是CO2的25倍，对臭氧层的破坏程度是CO2的7倍，亦不容忽视。1.2矿区碳排放量估算对于矿区碳排放的研究主要集中在煤矿。研究发现，煤炭开采活动会破坏地表植被，导致土壤有机质矿化分解而释放CO2，2001年美国因煤炭开采活动造成的碳排放量高达550MtCO2e。李凤山等对济宁三号煤矿的碳排放量进行了核算，核算边界包括采掘、通风、排水、提升、输送、压风等设备能耗和煤矸石、煤层气、矿井水等副产物碳排放，核算结果显示，该矿年均碳排放量达0.14MtCO2e。李鑫构建了煤炭企业碳排放测算模型，并测算了我国煤炭行业“十三五”期间能源消耗和瓦斯碳排放强度分别为0.035～0.039、0.078～0.084tCO2e/t。王莉莉]对永煤集团永城矿区煤炭开采、洗选、火力发电等过程的碳排放量进行了核算，核算结果分别为1.21、0.15、0.94MtCO2e。张媛对山西晋城长河流域11个矿区的碳排放量进行了核算，结果表明，煤炭开采活动造成的土地利用碳排放量和能源消耗碳排放量分别为0.034、0.290MtCO2e。2矿山企业碳减排潜力2.1典型矿山企业碳减排措施2021年，我国典型矿山企业相继发布了碳达峰、碳减排目标和时间表(见表1)。目标的制定主要集中在发布低碳冶金路线图、减碳能力目标、低碳冶金技术目标，以及制定实现碳达峰、碳中和的时间等方面。典型矿山企业如中国宝武、河钢集团、鞍钢集团、德龙集团、新天钢集团等在2021年发布了低碳冶金路线图[2]。河钢集团和中国宝武分别提出将在2022、2023年实现碳达峰，其他典型矿山企业将在2025年实现碳达峰。各矿山企业提出将在2025-2035年不同程度地实现碳减排目标。分析典型矿山企业碳达峰、碳中和实现路径发现，碳减排措施主要集中在优化工艺流程、研发低碳冶金技术、提高资源综合利用率等方面。鞍钢集团发挥先进采选工艺技术优势，实施绿色开采，同时研发碳捕获、利用与封存技术。韩城矿业通过瓦斯抽采和废水循环利用等措施实现减污降碳目标。中铝集团调整能源结构，以天然气替代煤气(燃煤)，提高清洁能源占比，实现碳减排。江西铜业淘汰落后产能，推进能源结构优化。徐矿集团首创电力行业锅炉大流量连续排污水回收系统改造，实现碳减排1.62万t[13]。表1我国典型矿山企业发布的碳达峰、碳中和时间表2.2典型矿山企业碳减排潜力估算目前，我国矿山企业的碳减排路径主要集中在低碳技改和工艺优化及节能技改方面。铁矿石加工过程中，通常选矿能耗占单位铁精矿产品总能耗的55%以上，其中磨矿能耗占选矿能耗的一半以上，因此宝钢集团提出了通过降低入磨粒度、优化工艺、开展技术攻关等措施，实现节能降耗目标。西部矿业集团关停了6个产能和工艺严重落后的项目，有效提高了能源利用率，实现了绿色转型。大梁矿业加快低碳技术成果转化和设备升级改造进度，实现了能源结构优化调整和高效利用[16]。研究数据显示，到2030年我国高耗能产业碳减排潜力可达5.42亿t。矿山企业通过节能减排技改可使碳减排潜力增长20%以上。3传统矿山生态环境修复碳增汇效果截至2018年，我国因采矿活动损毁的土地面积达361.02万hm2，累计治理面积93.08万hm2，治理恢复率仅为20.50%，远低于50%～70%的国际矿山复垦率[1,20]。传统的矿山生态环境修复包括地质地貌重塑、植被修复、土壤基质修复3个方面[21]。地质地貌重塑主要涉及回填整平、坡面加固、土方挖运、废石清理、建筑物拆除等；植被修复包括植物搭配和植被营造；土壤基质修复包括物理修复、化学修复和生物修复。矿山生态环境修复的碳效应主要集中在矿区土地利用覆被变化带来的碳增汇，修复后的矿山生态系统可以达到自然土壤和植被的碳密度，分别为51.60～53.75t/hm2和6.24～9.95t/hm2[。廖程浩等[对山西省阳泉矿区煤矸石山修复的碳减排效益进行了估算，以自然灌丛进行植被恢复，矿区土壤碳储量和植被碳储量可分别增加2478.29t和730.33t。刘鹤云对山西省平朔矿区2009-2013年期间的碳减排能力进行了评估，通过绿色植被恢复，矿区温室气体减排量在15.33万～16.99万t。张黎明等对安徽省淮北矿区复垦碳减排进行了测算，对1.05万hm2损毁土地进行复垦后，CO2年吸收量可增加16.80万t。4面向“碳中和”的矿山生态环境修复新模式4.1路径分析矿产行业是典型的高能耗、高碳排放行业，这成为矿产行业实现绿色转型的最大挑战。在矿山生态环境修复过程中，通过边采边修复、植被重建、土壤重构等措施，也会实现源头减排、植被固碳、土壤固碳等效果，因此矿山生态环境修复与矿山减排增汇具有同根、同源、同过程的协同关系。分析矿产行业碳排放源发现，其主要集中在能源消耗碳排放和土地利用变化碳排放。对于能源消耗碳排放，单纯淘汰落后产能，实施低碳技改和工艺优化及节能技改并不能满足产能提升的需求，而调整能源结构、大力发展清洁能源，才能从根本上改变矿产行业高能耗、高碳排放的现状。对于土地利用变化碳排放，主要以土壤修复和植被恢复为主，可有效提升土壤固碳量和植被固碳量。因此，开发清洁能源，调整能源结构；恢复矿山生态系统，巩固和发展碳汇；开展矿山固废综合利用，可达到空间腾挪和工艺减碳的目的，这是实现矿业绿色低碳发展的有效路径(见图1)。图1面向“碳中和”的矿山生态环境修复路径4.2矿山生态环境修复“光伏+”模式矿业主要是对矿产进行勘查、采掘和选别，在此过程中二氧化碳排放量与能源消耗总量呈显著正相关，因此，开源节流是矿业绿色低碳发展的重要内容[25]。目前，我国清洁能源在全国能源中的占比约为25%，距离2060年“碳中和”清洁能源占比需达80%的目标还有很大提升空间。控制化石能源强度和总量，提高清洁能源占比，是矿山生态环境修复的一个新的切入点。我国矿山开发占地面积达361.02万hm2[1]，目前大部分处于废弃闲置状态，利用矿山废弃地发展太阳能等清洁能源，在恢复矿山生态环境的同时，还可以起到节约化石能源的作用。与火力发电相比，在我国太阳年辐照量为3000～9000MJ/m2的地区采用光伏发电系统具有很好的碳减排效果。塞尔维亚在退化地区进行了光伏发电，其发电量相当于43%的火力发电量，年碳减排量可达120万tCO2e。因此，利用矿山废弃地开展光伏发电的潜力较大，且具有显著的碳减排效果。对矿区中的中转场地、固体废弃物堆放场、采空塌陷区域、恢复治理区域可以发展矿山生态环境修复“光伏+”模式。充分利用矿区独特的地理区位和优厚的土地空间条件发展光伏发电，可因地制宜采用“光伏+生物质”“光伏+药材”“光伏+草牧”等多种模式，这种生态环境修复模式可以有效提升土壤肥力、增加土壤生物量，同时可为传统产业提供能源和生产原料，生产高附加值的新型生物质产品，达到充分利用土地的目的。4.3固废资源化工艺减碳模式利用矿山固体废弃物进行资源化生产的过程中，可以减少上游原料采选和运输产生的化石燃料消耗，从而降低工艺碳排放。同时，以尾矿为生产原料，可以减少生产工艺中的原料粉碎环节带来的能源消耗和碳排放。尾矿和废石的资源化利用途径主要为填料化(用于矿山采空区充填)、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剂。研究表明：用尾矿和废石生产混凝土、砂浆等建筑材料，可降低碳排放132.62～321.30kg/m3；用尾矿和废石作为铁路隧道基料，每万t尾矿和废石可减少二氧化碳排放量30～40t；用铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂，每万t铁尾矿可减少二氧化碳排放量1904.8t和7619.0t；用尾矿制备磷肥，生产每万t磷肥可减少二氧化碳排放量达1650t。我国矿山固体废弃物综合利用率约为32.5%，与粉煤灰(74.9%)、煤矸石(53.7%)、冶炼废渣(88.7%)等工业固体废弃物的综合利用率相比差距较大[29,38]。尾矿资源高效利用是矿山可持续发展的重要一环，也是推动工业固体废弃物综合利用产业绿色、循环、低碳发展的基本途径。在矿山生态环境修复中，融入固体废弃物资源化利用修复模式，在矿区周边建设以尾矿和废石为原料的建材、基料、肥料生产线，这种模式可以有效提高矿山固体废弃物资源化利用率，同时为传统产业提供生产原料，并大幅降低生产过程中产生的碳排放。此外，尾矿和废石排弃对碳排放的影响主要是压覆土地，原有土壤和植被固碳能力丧失，因此矿山生态环境修复的前提是对矿山固体废弃物即尾矿和废石进行资源化利用，从而为矿山生态系统提供固碳空间。我国各类金属尾矿贮存总量多达60.0亿t，且以3.0亿t的年均增长率不断增加，尾矿的积存占用了大量的土地资源[38]。对于尾矿库、排土(岩)场、矸石或渣土堆场等显著改变原有土地利用方式和覆被状况的区域，通过对尾矿等固废的资源化利用，可以提供更多的损毁土地用于生态恢复。4.4展望矿山生态环境修复“光伏+”模式还存在一些制约因素，主要涉及政策、技术、经济等方面。政策方面，矿山光伏发展过程中存在可再生能源电价附加资金募集不足、政策实施过程中碳指标和能源指标分配，以及缺乏监管等问题。技术方面，矿山光伏发展过程中面临电网改造技术、储能技术等方面的挑战。经济方面，矿山光伏发电存在成本较高、投资回收期长等特点，因此前期开发、电网接入、储能设备投入、人力成本等投资中的资金来源也是矿山光伏发电的限制因素。我国虽然陆续出台了多种支持可再生能源发展的政策和办法，未来