張黎明，張紹良，侯湖平，張 毅，許幫貴(．中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 6；.淮北礦業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心，安徽 淮北 35006)

?

礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果測度模型與實(shí)證分析

張黎明1，張紹良1，侯湖平1，張 毅2，許幫貴2
(1．中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.淮北礦業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心，安徽 淮北 235006)

礦區(qū)土地復(fù)墾是改善礦區(qū)受損生態(tài)環(huán)境和恢復(fù)破壞土地利用的重要技術(shù)途徑，但它對土壤碳庫和植被碳庫的作用及其大小目前研究還不充分。本文以淮北礦區(qū)為例，在綜合現(xiàn)有農(nóng)地、林地、濕地、草地、建設(shè)用地等碳源碳匯模型的基礎(chǔ)上，建立了礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果測度模型并評估了淮北礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果。結(jié)果表明：耕地(復(fù)墾前)—耕地(復(fù)墾后)的復(fù)墾模式的碳匯能力有所提高，廢棄地—耕地、林地的碳減排效果最顯著，積水區(qū)向其它用地類型轉(zhuǎn)化的碳減排效應(yīng)并不明顯甚至?xí)兂商荚矗喉肥涮顝?fù)墾可有效減少CO2的潛在排放。測算結(jié)果表明，淮北礦區(qū)已復(fù)墾的1.05×104hm2損毀土地，年CO2吸收量可增加1.68×108kg，碳減排效益明顯。由此證明，礦區(qū)土地復(fù)墾是礦山碳減排的一條重要途徑。

土地復(fù)墾；碳減排；測度模型；淮北礦區(qū)

關(guān)于碳排放測度方法，主要有兩類：一是基于靜態(tài)氣室法[8]、渦渡相關(guān)法[9-10]、光合儀測定[11]等的碳通量直接測量；二是根據(jù)實(shí)地樣本采集[12]、已有普查統(tǒng)計(jì)資料[13]、遙感解譯模擬[14]等獲得數(shù)據(jù)，通過建立模型間接測算。對此，本文在綜合現(xiàn)有農(nóng)地、林地、濕地、草地等碳源碳匯模型的基礎(chǔ)上，對復(fù)墾前后土地CO2吸收量進(jìn)行測算，通過礦區(qū)復(fù)墾前后碳吸收能力的差異來評估復(fù)墾的碳減排潛力，然后以淮北礦區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證分析。

1 研究區(qū)概況

淮北礦區(qū)位于安徽省北部，介于東經(jīng)115°58′～117°12′、北緯33°20′～34°28′之間。礦區(qū)東西長約140km，南北寬約110km，面積9600km2，其中含煤面積約4100km2。據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)采煤造成的塌陷土地達(dá)2×104hm2。截至2013年，礦區(qū)累計(jì)復(fù)墾面積約為1.05×104hm2。復(fù)墾前后各用地類型詳細(xì)面積情況見表1，其中煤矸石充填復(fù)墾面積約2.3×103hm2，占總復(fù)墾面積的21.9%，填充煤矸石累計(jì)使用量約3.78×1010kg。

表1 復(fù)墾前后用地類型及其面積

注：數(shù)據(jù)來源于淮北礦業(yè)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2 測度模型

不同用地方式間碳匯能力存在明顯差異，而且同一利用方式的土地因其區(qū)位、土壤、管理方式等的不同碳匯能力也不同。正是這種差異性，使得礦區(qū)損毀土地復(fù)墾前后不同用途單位面積的碳匯能力(碳源視為負(fù)的碳匯)會有一個(gè)Δi的變化(i=1，2，…，14，表示不同用地類型)，如圖1所示。那么土地復(fù)墾總體碳減排效果測度模型可用式(1)表示：

(1)

式中：ΔC為復(fù)墾前后碳匯差異總量；Δi第i類不同用地類型間單位面積碳匯增量；Si第i類不同用地類型間轉(zhuǎn)換面積?？紤]各類型用地轉(zhuǎn)換面積統(tǒng)計(jì)的不確定性，可將式(1)轉(zhuǎn)化為式(2)，其中Ca為復(fù)墾后區(qū)域碳匯總量；Cb為復(fù)墾前區(qū)域碳匯總量。Ca可通過對復(fù)墾前區(qū)域常年積水區(qū)、荒草地、蘆葦濕地、耕地、廢棄地等各類型用地CO2固定量求和得到，Cb則可通過對復(fù)墾后區(qū)域林地、魚塘、耕地、建設(shè)用地等各類型用地CO2固定量的求和得到。

圖1 復(fù)墾前后土地利用變化示意圖
注：其他廢棄地指復(fù)墾前裸地、廢棄居民點(diǎn)等用地類型；;耕地指復(fù)墾前受損耕地；耕地*指已復(fù)墾治理耕地；濕地指季節(jié)性積水區(qū)形成的類濕地類型。

2.1 耕地碳匯測算模型

耕地主要通過農(nóng)作物的光合作用將大氣中的碳同化為有機(jī)碳固定在植物體內(nèi)，植被固定的碳量的估算常采用作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量-生物量-含碳量的計(jì)算模型，其計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

式中：Cd指農(nóng)作物生育期CO2吸存總量(光合作用-呼吸作用)，kg；Cdi指i類農(nóng)作物的CO2吸存量，kg；Ci指i類農(nóng)作物的含碳率；Pi指i類農(nóng)作物的產(chǎn)量，kg；Vi指i類農(nóng)作物果實(shí)的含水率；Ri指i類農(nóng)作物的根冠比；Hi指i類作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)；44/12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)即CO2分子量與C分子量之比。各作物含碳率、含水率、根冠比、經(jīng)濟(jì)系數(shù)參數(shù)取值見表2。

黨的十九大立足新時(shí)代新征程，作出了建設(shè)交通強(qiáng)國的重大決策部署，這是全國人民對交通運(yùn)輸工作的殷切期望，也是新時(shí)代全體交通人為之奮斗的新使命。四川省委省政府立足省情、對標(biāo)全國、放眼世界，提出了“加快建設(shè)交通強(qiáng)省”戰(zhàn)略目標(biāo)。

表2 作物碳儲量估算參數(shù)表

注：參數(shù)因子引自參考文獻(xiàn)[15]。

農(nóng)地在利用過程中的碳源效應(yīng)也不可忽視。碳源類型可以歸納為：農(nóng)藥、農(nóng)膜、化肥生產(chǎn)和使用過程中直接或間接引起的碳排放；農(nóng)業(yè)機(jī)械使用時(shí)柴油消耗引起的碳排放；灌溉過程因電能的消耗間接引起的碳排放。據(jù)相關(guān)研究[16-18]，各類碳源的碳排放系數(shù)分別為：農(nóng)藥4.9341kg/kg、農(nóng)膜5.18kg/kg、化肥0.8956kg/kg、柴油0.5927kg/kg，可見，該類碳釋放總量與其使用量有線性關(guān)系，可采用式(4)計(jì)算。

(4)

式中：Cr指農(nóng)地CO2釋放總量，kg；Ai指各類碳源的使用總量，kg；δi指各類碳源的碳排放系數(shù)。

現(xiàn)有研究表明水稻田在水稻生長發(fā)育過程中，腐殖質(zhì)等在微生物厭氧作用下會釋放CH4氣體，《省級溫室氣體排放清單指南》[19]中單季稻生育期內(nèi)CH4排放量的推薦數(shù)值為215.5kg/hm2。CH4與C02雖同為溫室氣體，但兩種氣體的溫室效應(yīng)存在顯著差異，據(jù)IPCC第二次評估報(bào)告，CH4氣體是C02氣體的25倍。鑒于CH4氣體的增溫能力，可將CH4釋放量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同等增溫效果的CO2當(dāng)量，具體見式(5)。

Cδ=S×φ×25

(5)

式中：Cδ指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的CO2當(dāng)量，kg；S指稻田種植面積，hm2；φ指CH4氣體排放系數(shù)，取值排放清單中推薦數(shù)值即215.5kg/hm2；25為CH4與當(dāng)量CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

綜上，農(nóng)地CO2吸收總量與CO2釋放總量的差值即為農(nóng)地年可從大氣中固定的CO2固定總量。具體公式為式(6)。

Eα=Cd-Cr-Cδ

(6)

式中：Eα指農(nóng)地年可從大氣中吸存的CO2總量，kg；Cd指農(nóng)作物生育期CO2吸存總量，kg；Cr指農(nóng)地CO2釋放總量，kg；Cδ指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的CO2當(dāng)量，kg。

2.2 林地碳匯測算模型

林地CO2固定總量采用林木年凈增長生物量中的含碳總量估算?？梢詫?shí)地統(tǒng)計(jì)所得林地林木蓄積量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過蓄積量與林木密度的乘積估算林木樹干生物量，再根據(jù)樹干生物量占活立木總生物量的比例推算出林木總生物量，進(jìn)而估算CO2固定總量，具體測算公式見式(7)。

(7)

式中：Eβ指林地CO2固定總量，kg；Vi指林木蓄積量，m3；ρi指樹干密度，kg/m3；Ri指林木總生物量中樹干生物量所占比例；fi指林木含碳率；44/12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)。由于研究條件的限制，林木總生物量中樹干生物量所占比例R值參考了王效科等[20]的已有研究成果。其對森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物量分配結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后得出R的均值為0.5183。林木樹干、樹皮、樹枝、樹根等器官含碳率的不同使林木含碳率的確定變得極為困難，故采用GEF中國林業(yè)溫室氣體清單課題組的研究成果0.5作為平均含碳率。

2.3 草地碳匯測算模型

草地CO2年吸收量的估算與農(nóng)作物CO2吸收量估算基本原理一致，即通過草地植被年凈增長生物量估算。通過草地植被年經(jīng)生長生物量乘以草類平均含碳率進(jìn)行估算，具體計(jì)算公式為式(8)。

(8)

式中：Eγ指草地年吸收CO2總量，kg；Mg指草類年凈生長生物量，kg；fw指草類平均含碳率，本次采用研究中常用值0.45；44/12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.4 濕地碳匯測算模型

濕地CO2年吸收量的估算與草地CO2年吸收量估算模型有一定差別，因?yàn)闈竦貢尫乓欢康腃H4氣體。據(jù)Matthews測定結(jié)果[21]，全球5.3×1012m2的濕地CH4年釋放量為110 Tg。因而在估算濕地CO2年吸收總量時(shí)也應(yīng)將CH4釋放量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同等增溫效果的CO2當(dāng)量，具體計(jì)算公式如式(9)。

?×S×25

(9)

式中：Eδ指濕地CO2年吸收總量，kg；Mw指濕地植被年凈生長生物量，kg；fw指濕地植被平均含碳率取值0.45；44/12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)；?指單位面積CH4年釋放量，kg/hm2；S為濕地面積，hm2；25為CH4與當(dāng)量CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

對于其他土地類型，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)常年積水的坑塘以及復(fù)墾后的水產(chǎn)養(yǎng)殖場，水面植被生物量極小，對區(qū)域CO2碳匯影響不大，在此不予考慮。因沉陷導(dǎo)致的無法使用的廢棄居民點(diǎn)和建設(shè)用地因地表的硬化或者墻體的坍塌等因素使得該區(qū)域喪失了植被固碳能力，可將此類廢棄地作無碳源/碳匯過程處理。復(fù)墾后建設(shè)用地區(qū)域內(nèi)雖然每年會因各種能源使用、燃燒過程釋放出大量的CO2，但考慮其為復(fù)墾后利用過程產(chǎn)生，與復(fù)墾本身并無關(guān)聯(lián)性，故也不作考慮。

3 評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)上述模型，首先對淮北礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排量進(jìn)行估算，然后將估算結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)比較，對模型進(jìn)行評價(jià)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淮北礦區(qū)種植作物包括小麥、油菜、水稻、豆類、玉米和棉花。將復(fù)墾前后各作物產(chǎn)量代入式(3)得到復(fù)墾前農(nóng)作物CO2年吸存量為1.48×108kg，復(fù)墾后其值為3.18×108kg。據(jù)《淮北統(tǒng)計(jì)年鑒》，多年間農(nóng)藥、農(nóng)膜、化肥、柴油單位面積使用量基本穩(wěn)定，各類型碳源單位面積使用量分別為：化肥474.076kg·hm-2a-1；農(nóng)膜7.0252kg·hm-2a-1；農(nóng)藥10.267kg·hm-2a-1；柴油129.617kg·hm-2a-1。結(jié)合式(4)得復(fù)墾前各類碳源CO2年釋放總量為3.72×107kg，復(fù)墾后為4.89×107kg。復(fù)墾前水稻種植面積約為206.29hm2，復(fù)墾后水稻種植面積約為270.94hm2，據(jù)式(5)得復(fù)墾前因考慮CH4氣體而排除的CO2量為1.11×106kg；復(fù)墾后為1.46 ×106kg。根據(jù)式(6)，則復(fù)墾前耕地類型可從大氣中吸收的CO2總量為1.10×108kg，復(fù)墾后耕地類型可從大氣中吸收的CO2總量為2.67 ×108kg。對888.63hm2復(fù)墾林地，林木蓄積量的統(tǒng)計(jì)值約為5.80×105m3，蓄積量年增長率預(yù)估為12.5%，結(jié)合式(7)，得復(fù)墾后林地類型CO2年吸收量約1.28 ×108kg。草地碳吸收量估算時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)植被完整采集，稱取干重，確定其單位面積生物量均值為8.05×103kg·hm-2。結(jié)合式(8)得損毀區(qū)荒草地CO2年吸收量為8.84 ×106kg。復(fù)墾前，損毀區(qū)濕地植被以蘆葦為主，偶伴生雜草。濕地類型單位面積植被年凈增長的生物量的確定與草地類似即實(shí)地樣方采集，均值約為8.72×104kg·hm-2，結(jié)合式(9)，濕地類型年可從大氣中吸收的CO2量為1.08 ×108kg。

將復(fù)墾前后各用地類型CO2吸收總量代入式(2)，可得復(fù)墾治理后，研究區(qū)域年可從大氣中多吸收CO21.68 ×108kg，約為16.82萬t，具體如表3所示。此外，在復(fù)墾過程中大量使用煤矸石作為填充材料，有效抑制其自燃的發(fā)生。以淮北礦務(wù)集團(tuán)測定的14.2%的平均含碳率計(jì)，假定充分自燃，截至2013年煤矸石累計(jì)封存碳量約536.76萬t，可減少潛在CO2排放量約1968.12萬t。

從表3我們可以看出，不同用地類型碳吸收能力存在顯著差異。其中林地碳吸收能力最為突出，高達(dá)1.44×105kg·hm-2，占研究區(qū)域總面積約8.5%的林地碳吸收總量占區(qū)域總碳吸收量的32.4%。此外，通過對受采動影響耕地的治理，極大的增強(qiáng)了耕地保水保肥的能力，大幅提高了土地生產(chǎn)力。復(fù)墾后農(nóng)田單位面積碳吸收增量約為2.26×104kg·hm-2，增幅高達(dá)63%。正是林地出色的碳吸收能力以及原有農(nóng)田碳吸收能力的顯著提高，使得復(fù)墾后區(qū)域單位面積碳吸收能力提高約1.60×104kg·hm-2，從而實(shí)現(xiàn)了土地復(fù)墾的碳減排效果。

表3 復(fù)墾土地CO2吸收量

注：其他指復(fù)墾前其他廢棄地、水域等用地類型；其他*指復(fù)墾后建設(shè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖場、水域等用地類型。

圖3 用地類型轉(zhuǎn)換的碳吸收差異量
注：其他指復(fù)墾前其他廢棄地、水域等用地類型；其他*指復(fù)墾后建設(shè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖場、水域等用地類型;耕地指復(fù)墾前受損耕地；耕地*指已復(fù)墾治理耕地。

4 討 論

不同用地類型間轉(zhuǎn)換，其單位面積的碳吸收差值存在明顯差異，如圖3所示，草地、耕地、廢棄地、水域等向林地轉(zhuǎn)化其碳吸收效果均有明顯提高，而濕地向林地的轉(zhuǎn)化碳吸收能力的提升并不明顯。向耕地類型的轉(zhuǎn)化中，廢棄地、水域、草地轉(zhuǎn)化后碳吸收能力提升的相對顯著，原有耕地的治理其碳吸收能力的提升效果次之。將濕地復(fù)墾為耕地后，碳吸收能力有明顯的下降。此外，原有耕地、草地、濕地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、水域后其碳吸收能力均有明顯下降，尤以濕地類型最為顯著。因而，僅從提升復(fù)墾碳減排效果的角度出發(fā)，優(yōu)先將草地、耕地、廢棄地、水域等復(fù)墾為林地，盡量避免復(fù)墾為建設(shè)用地等用地類型，將有效增強(qiáng)碳減排效果。針對原有濕地類型，應(yīng)以治理為主，盡量避免其向其它用地類型的轉(zhuǎn)化。

如前所述，目前土地復(fù)墾碳減排效果研究文獻(xiàn)少，缺乏直接類比案例，這給本文估算結(jié)果的精度評價(jià)和模型可靠性評價(jià)帶來了一定困難。盡管如此，我們還是可以做些分析。第一，測算的單位面積林地CO2吸收量與王巍巍等人[22]對天津林地CO2吸收量的估算結(jié)果1.98×105kg·hm-2相接近，相對誤差為27%。其誤差主要源自地理位置的不同導(dǎo)致林木生長環(huán)境的差異以及估算方法不同導(dǎo)致的估算誤差等。第二，測算的復(fù)墾后單位面積耕地CO2吸收量的估算值4.93×104kg·hm-2，大于段華平等人[23]測定的安徽省農(nóng)田平均CO2碳吸收量3.07×104kg·hm-2，這主要因?yàn)楸疚难芯恐校孩僭诠浪戕r(nóng)作物地上碳吸收的同時(shí)，也估算了地下根系的固碳效果；②估算過程中充分考慮淮北地區(qū)作物一年兩熟的特點(diǎn)，農(nóng)作物的復(fù)種指數(shù)為190%，較高的取值也是造成本次估算值偏高的原因。第三，根據(jù)安徽省草地資源監(jiān)察報(bào)告，安徽省草地類型為溫帶草地，詳細(xì)劃分又可分為暖性草叢、熱性草叢、暖性灌草叢、熱性灌草叢。據(jù)王健林、馬文紅等人對該類草地生物量的研究[24-26]，單位面積生物量在7644.44～9964.44kg·hm-2，溫性草叢生物量較低、熱帶草叢生物量較高。本文草地實(shí)地取樣所得草地單位面積生物量8052.59kg·hm-2，在已有研究文獻(xiàn)測算結(jié)果的范圍內(nèi)，且偏向于最小值，這與淮北地區(qū)溫性草叢比重較大的草地特征相吻合。第四，綜合分析濕地蘆葦已有研究[27-31]，結(jié)果顯示，年均氣溫13～16℃、年均降水600～1000mm時(shí)，蘆葦濕地蘆葦植被年均生長生物量在83000～100000kg·hm-2之間，表明氣溫和降水量差異不大條件下，蘆葦植被年均生長生物量差異也較小?；幢钡V區(qū)年平均氣溫14.5℃，多年年均降水量為770～950mm，有較好的水熱組合條件，濕地單位面積生物量的實(shí)地樣本采集數(shù)值87232.21kg·hm-2，與已有研究成果較為吻合。由此可見，本文提出的模型及實(shí)證分析結(jié)果有相當(dāng)?shù)目煽啃院涂尚哦取?/p>

5 結(jié) 論

礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果主要表現(xiàn)在：通過整治濕地，抑制了CH4氣體的排放；荒草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒘值?，提升了單位面積碳吸收量；整治現(xiàn)有土地利用類型如耕地等，提高了單位面積碳吸收量等；復(fù)墾過程中，大量煤矸石的填充利用能夠有效減少煤矸石因自燃產(chǎn)生的碳排放。淮北礦區(qū)復(fù)墾碳減排測算結(jié)果表明，礦區(qū)損毀土地的復(fù)墾，不但可治理污染、修復(fù)生態(tài)、恢復(fù)土地生產(chǎn)力，而且碳減排效益也十分顯著。為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地復(fù)墾最優(yōu)碳減排效果，應(yīng)充分考慮不同復(fù)墾模式下碳減排量之間的差異，同時(shí)著力培育碳匯能力強(qiáng)的植物群落。

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Evaluation model and empirical study of carbon emission reduction effect from mining land reclamation

ZHANG Li-ming1，ZHANG Shao-liang1，HOU Hu-ping1，ZHANG YI2，XU Bang-gui2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 22116，China；2.Huaibei Mining Group Technology Center，Huaibei 235006，china)

Mining land reclamation is an important way to improve the ecological environment of mining area and restore the service of damaged land，but little studies focused quantitatively on its effect to soil carbon pool，plant carbon pool.This paper developed an effect model of carbon emission reduction of land reclamation synthesizing the existing models of carbon resource，carbon sink of agricultural land，forest land，wet land and construction land，and evaluated the carbon emission reduction effect of land reclamation in Huaibei mining area.The results show that the carbon reduction effect of cultivated land(before damaged) to cultivated land(after reclamation) reclaimed improves，but waste landreclaimed to cultivated land or forest land is most effective，and carbon emission effect of original wet land which transformed to other type of land use turnsout inconspicuous or even becomes a carbon resource，and coal gauge used as filling material can effectively reduce potential emission of CO2.Results of calculation show that Huaibei mining land reclamation succeeded on 1.05x104hm2damaged land and annually absorbed dose of CO2increased by 1.68 x108kg，so carbon sink effect was obvious.Therefore，mining land reclamation is an important way of carbon emission reducing.

landreclamations；carbon emission reduction；measure model；Huaibei mining area

2015-07-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：51474214)

張黎明(1992-)，男，漢族，江蘇徐州人，碩士生，主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的研究。E-mail：lmzhang@cumt.edu.cn。

張紹良(1968-)，男，漢族，安徽太湖縣人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榈V區(qū)生態(tài)監(jiān)測與評價(jià)。E-mail：slzhang@cumt.edu.cn。

X171

A

1004-4051(2015)11-0065-06