高曉云 陳 萍

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

淮南塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾的碳減排效益

高曉云 陳 萍

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

以淮南礦區(qū)塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾為例，計(jì)算了煤矸石堆存帶來的潛在碳排放量、矸石山侵占土地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化及塌陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化。結(jié)果表明，淮南礦區(qū)煤矸石山堆存碳密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其覆蓋的當(dāng)?shù)卦咀匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲存密度，二氧化碳排放潛在風(fēng)險很高。煤矸石充填復(fù)墾，能固定煤矸石中的大量的碳，還可以增加塌陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，有著很好的碳減排效益。

煤矸石 塌陷區(qū) 充填復(fù)墾 碳減排

我國共有煤矸石山超過1500座，矸石積存量超過35億t，占地面積約2.2萬hm2。大量煤矸石的堆積破壞了大片土地，加上煤矸石自身的高含碳量和自燃風(fēng)險，地表煤矸石山堆積導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化不容忽視。近年來國內(nèi)外學(xué)者對溫室氣體的排放和吸收過程、生態(tài)系統(tǒng)各部分中的碳儲量及其變化機(jī)制進(jìn)行了大量研究，但是關(guān)于煤矸石山、塌陷區(qū)復(fù)墾與碳排放相互關(guān)系的研究至今還沒有報道。本文以淮南礦區(qū)矸石山的煤矸石堆積帶來的碳儲量變化為例，計(jì)算煤矸石山的潛在碳排放量以及造成的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化。通過對矸石山碳排放風(fēng)險和矸石充填復(fù)墾碳儲存效益的分析，促進(jìn)我國矸石山修復(fù)治理和塌陷區(qū)復(fù)墾工作的開展，減少碳的排放。

1 研究區(qū)概況

淮南市地處安徽省中北部、淮河中游，煤炭資源豐富。淮南市煤炭資源的遠(yuǎn)景儲量達(dá)444億t，已探明儲量153.6億t，占安徽省的63%、華東地區(qū)的32%?；茨鲜忻禾坎粌H儲量豐富，而且煤質(zhì)優(yōu)良，屬以氣煤為主的多品種優(yōu)質(zhì)煉焦及動力用煤，被譽(yù)為華東的“工業(yè)糧倉”。

然而在煤炭工業(yè)迅速發(fā)展的同時，淮南環(huán)境也遭到嚴(yán)重破壞，煤矸石的堆積不僅占用了大量土地，而且破壞了土壤和植被，造成初始生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤所儲存的碳的排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，淮南礦區(qū)因采煤而造成的地面塌陷面積10150hm2。

2011年淮南礦區(qū)煤炭產(chǎn)量約8000萬t，按開采萬噸煤塌陷率0.11hm2（淮南礦區(qū)開采萬噸煤塌陷率0.11hm2～0.27hm2）計(jì)算，每年造成的地面塌陷面積880hm2。根據(jù)淮南煤炭開發(fā)規(guī)劃分析，到2135年，采煤沉陷地將增加到58448hm2，其中可耕地面積將減少46.75%，園林面積將減少46.29%。

另據(jù)統(tǒng)計(jì)，淮南礦區(qū)有矸石山34座，累計(jì)堆存巖矸約3000萬t，占地面積約621hm2，占淮南固體廢棄物總面積的46.7%。

2 計(jì)算方法

2.1 煤矸石含碳量

通過實(shí)驗(yàn)測定煤矸石中碳含量，以此計(jì)算淮南礦區(qū)矸石山中總含碳量。

采用重鉻酸鉀容量法測定煤矸石中的碳含量。在加熱的條件下，煤矸石中有機(jī)碳被過量的重鉻酸鉀－硫酸溶液氧化，重鉻酸鉀中六價鉻（Cr6＋）被還原為三價鉻（Cr3＋），其含量與樣品中有機(jī)碳的含量成正比，于585nm波長處測定吸收光度，根據(jù)三價鉻的含量計(jì)算煤矸石的有機(jī)碳含量。

表1 淮南礦區(qū)煤矸石山碳含量測定表

在淮南礦區(qū)李一礦、謝一礦、新莊孜礦、潘一礦、潘三礦和顧橋礦矸石山取樣15件，于安徽理工大學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碳含量測定，結(jié)果見表1。

2.2 植被碳密度

自然灌叢植被碳密度根據(jù)胡會峰等算的安徽省灌叢平均植被碳密度11.01t／hm2。按復(fù)墾4年的植被生物量近似生態(tài)修復(fù)后的植被狀況，也可以根據(jù)植被碳密度約等于植被生物量乘以0.45來計(jì)算塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)后的植被碳密度。

2.3 植物固碳能力測定

采用CI－340便攜式光合作用測定儀測定植物光合速率，然后代入式1、2、3中可計(jì)算出植物單位葉面積的固碳能力、復(fù)墾區(qū)植被年總固碳量。

在植物的光合作用日變化曲線中，其同化量是凈光合速率曲線和時間橫軸圍合的面積。以此為基礎(chǔ)，設(shè)凈同化量為P，各種植物在測定當(dāng)日的凈同化量計(jì)算公式為：

式中：P——測定日的凈同化總量（8：00－18：00日凈同化總量），mmol／m2s）；

Pi——初測點(diǎn)的瞬時光合作用速率；

Pi＋1——下一測點(diǎn)的瞬時光合作用速率，μmol／m2s；

ti——初測點(diǎn)的瞬時時間；

ti＋1——下一測點(diǎn)的時間；

j——測試次數(shù)。

用測定日的同化總量換算為測定日固定碳量為：

式中：WC——單位面積的葉片固定碳的質(zhì)量，g／m2s；

12——碳的摩爾質(zhì)量。

經(jīng)實(shí)測大通、潘一礦及新莊孜礦塌陷復(fù)墾區(qū)植被固碳能力，測定的植物如表2所示，計(jì)算得植被單位葉面積的平均固碳能力2.52×10－5g／m2s。

計(jì)算一年內(nèi)復(fù)墾區(qū)植被的總固碳量時要引入葉面積指數(shù)ILAI，指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)。

式中：Q——總固碳量；

S——復(fù)墾區(qū)面積，m2；

ILAI——葉面積指數(shù)，取值3（一般為3～10）；2180——淮南地區(qū)年均日照時數(shù)，h。

表2 測定光合速率的植物種類

3 結(jié)果與分析

3.1 煤矸石的碳儲量

通過計(jì)算可得出，淮南礦區(qū)煤矸石中的碳含量平均為14.2%。目前，淮南礦區(qū)煤矸石堆存量約3000萬t，折合潛在碳排放源426萬t。而按煤矸石年排放700萬t計(jì)算，每年還將新增潛在碳排放源約99.4萬t，占我國林業(yè)工程建設(shè)規(guī)劃2010年完成時年新增固碳潛力115.46Mt的0.86%。可以看出煤矸石山這種特定的土地利用場地由于煤矸石的堆積儲存積存了大量的碳，如果處理不當(dāng)，將成為巨大的碳源，排放大量CO2。

3.2 植被的固碳量

矸石堆積直接破壞的植被碳儲量可達(dá)6837.2t。根據(jù)植被生物量計(jì)算的植被碳密度可知矸石山生態(tài)修復(fù)后植被碳密度可以達(dá)到11.01t／hm2?；茨系V區(qū)塌陷區(qū)矸石充填復(fù)墾后植被碳儲量將可達(dá)118588.7t。通過計(jì)算可知，復(fù)墾區(qū)生態(tài)恢復(fù)后植被每年通過光合作用吸收碳量達(dá)6萬t，同時釋放大量O2。

3.3 塌陷區(qū)煤矸石充填復(fù)墾的效益

淮南礦區(qū)矸石充填復(fù)墾碳儲量計(jì)算結(jié)果見表3。矸石山煤矸石的堆存碳密度超過了當(dāng)?shù)卦咀匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲存密度的420倍。截止到2010年，淮南礦區(qū)煤矸石山堆積造成426萬t的潛在碳排放風(fēng)險。如果通過矸石充填復(fù)墾方式對矸石山進(jìn)行治理，防止煤矸石山自燃的發(fā)生，并恢復(fù)塌陷區(qū)和矸石山侵占地植被，則可以固定4378588.7t以上的碳。生態(tài)修復(fù)后的煤矸石山和塌陷區(qū)可以增加綠化和造林面積，增加土壤和植被的碳儲量。

表3 淮南礦區(qū)矸石充填復(fù)墾碳儲量計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié)語

煤矸石的堆積和采煤塌陷都是煤炭開采導(dǎo)致的嚴(yán)重環(huán)境問題，亟待解決。煤矸石不僅破壞了排矸場原本的土地利用方式，改變了當(dāng)?shù)氐耐恋馗脖缓托夂驐l件，破壞了土壤和植被，造成初始生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤所儲存的碳的排放，而且煤矸石的堆存還帶來了數(shù)量巨大的潛在碳排放源。煤矸石塌陷區(qū)充填復(fù)墾解決了煤矸石山巨大潛在碳排放源，同時恢復(fù)了矸石山侵占地和塌陷區(qū)的生態(tài)壞境。今后，應(yīng)加強(qiáng)煤矸石山的碳排放、節(jié)能減排和土地利用與碳排放等方面的研究，煤矸石塌陷區(qū)充填復(fù)墾將成為我國切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)有效的碳減排途徑。通過對煤矸石山和塌陷區(qū)進(jìn)行整治和修復(fù)，將可以儲存大量的碳，切實(shí)減少我國的碳排放量。

今后還可以研究如何篩選出適宜采煤沉陷復(fù)墾區(qū)碳減排的優(yōu)勢植物物種及建立碳減排的最佳植物群落組合。根據(jù)不同季節(jié)植物單位面積的固碳釋氧能力大小，篩選出適宜采煤沉陷復(fù)墾區(qū)環(huán)境生長的優(yōu)勢植物物種，建立能產(chǎn)生最大碳減排生態(tài)效益的喬灌木復(fù)合景觀植物組合。

［1］ 李松，萬潔.煤矸石自燃機(jī)理及其防治技術(shù)研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005（2）

［2］ 李鵬波，胡振琪，吳軍等.煤矸石山植被恢復(fù)技術(shù)模式的研究［J］.山東林業(yè)科技，2006（4）

［3］ 吳婕等.深圳特區(qū)城市植被的固碳釋氧效應(yīng)［J］.中山大學(xué)學(xué)報，2010（4）

［4］ 趙敏，周廣勝.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳貯量及其影響因子分析［J］.地理科學(xué)，2004（1）

［5］ 楊渺等.植被覆蓋變化過程中土壤有機(jī)碳庫動態(tài)及其影響因素研究進(jìn)展［J］.草原學(xué)報，2007（4）

［6］ 何棟材.森林固碳能力的國內(nèi)外研究進(jìn)展［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)報，2007（1－4）

［7］ 閻伍玖.淮南采煤塌陷區(qū)環(huán)境綜合整治分析［J］.中國煤炭，2006（6）

［8］ 陳永春，李守勤，周春財.淮南礦區(qū)煤矸石的物質(zhì)組成特征及資源化評價［J］.中國煤炭地質(zhì)，2011（11）

［9］ 環(huán)境保護(hù)部.HJ615－2011土壤有機(jī)碳的測定—重鉻酸鉀氧化－分光光度法［S］.中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011

［10］ 胡會峰等.中國主要灌叢植被碳儲量［J］.植物生態(tài)學(xué)報，2006（4）

［11］ 廖程浩，劉雪華，張永富.煤矸石山修復(fù)的碳減排效益——以陽泉礦區(qū)為例［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009（3）

［12］ 王希群等.葉面積指數(shù)的研究和運(yùn)用進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2005（5）

［13］ 吳慶標(biāo)，王效科，段曉男等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被固碳現(xiàn)狀和潛力［J］.生態(tài)學(xué)報，2008（2）

Carbon emission reduction benefits of coal gangue filling reclamation in Huainan coal mining subsidence area

Gao Xiaoyun，Chen Ping
（School of Earth ＆Environmental Sciences，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Taking ecosystem in Huainan mining area as an example，potential carbon emission from coal gangue dumps and consequential change of carbon storage were：measured.Results showed that carbon density of coal gangue dumps in Huainan was 420times higher than original local ecosystem，the potential risk of carbon dioxide emissions is very high.Coal gangue filling reclamation，can fixed coal gangue a large number of carbon.Filling reclamation with coal gangue dumps can be of great benefit in reducing carbon emissions.

subsided land，coal gauge，filling reclamation，carbon emission reduction

TD993

A

高曉云（1986－），女，安徽合肥人，在讀研究生，從事礦山生態(tài)環(huán)境治理方面研究。

（責(zé)任編輯 張大鵬）