尹 巖，郗鳳明，王嬌月，邴龍飛，胡琴琴

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；3.遼寧省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳中和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

0 引言

我國(guó)礦產(chǎn)行業(yè)的開(kāi)采活動(dòng)和高碳工藝流程排放了大量的溫室氣體[1-2]。一方面，礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)土壤和植被產(chǎn)生了強(qiáng)烈擾動(dòng)，土壤破壞和植被移除使礦山生態(tài)系統(tǒng)喪失了固碳能力；另一方面，礦石剝離、開(kāi)采、分(洗)選、球團(tuán)、煉鋼、運(yùn)輸，以及廢石和尾礦排棄等工藝過(guò)程中會(huì)排放大量溫室氣體，包括工藝過(guò)程中的機(jī)械設(shè)備能源消耗和開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯等氣體溢散造成的碳排放。鋼鐵行業(yè)在制造業(yè)領(lǐng)域中的碳排放量最大，高達(dá)18億t/a，有色金屬行業(yè)碳排放量達(dá)6.6億t/a，分別占我國(guó)碳排放總量的15%和5%[2]。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[3]。2021年2月，《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》中進(jìn)一步明確了2025年和2035年綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)[2]。礦產(chǎn)行業(yè)作為落實(shí)我國(guó)碳減排的重要責(zé)任主體，亟需調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加快綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)[4]。

傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)是基于礦山開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦山生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成的破壞而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行末端治理，主要集中在土壤修復(fù)和植被恢復(fù)兩方面[5]。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)不僅是重塑礦山生態(tài)系統(tǒng)的重要手段，亦是助力礦區(qū)提高碳匯的有效措施[1]。目前，我國(guó)礦山企業(yè)的碳減排路徑主要集中在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面，然而面對(duì)巨大的產(chǎn)能需求，礦產(chǎn)行業(yè)的碳排放總量仍居高不下，這對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)提出了新要求。在此背景下，本文分析了礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源的構(gòu)成與排放量，綜述了礦山企業(yè)碳減排潛力和傳統(tǒng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的碳增匯效果，并在此基礎(chǔ)上提出以實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)碳中和為目標(biāo)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)新模式，以期為礦產(chǎn)行業(yè)的低碳循環(huán)與綠色發(fā)展助力。

1 礦產(chǎn)行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

1.1 礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源分析

《IPCC國(guó)家溫室氣體排放清單指南》是目前全球編制溫室氣體排放清單的主要依據(jù)，本文據(jù)此對(duì)礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源進(jìn)行了分析，并總結(jié)了礦產(chǎn)行業(yè)主要的碳排放源類別。

1)能源碳排放

礦產(chǎn)資源從開(kāi)采、加工、運(yùn)輸和利用的整個(gè)過(guò)程都會(huì)伴隨能源消耗，消耗的能源種類包括電能以及汽油、柴油等化石燃料，而化石燃料在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》中提供了能源燃燒碳排放因子，汽油/柴油CO2排放因子為74 100 kg/TJ。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤和煤矸石與空氣接觸時(shí)會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象，燃燒過(guò)程亦會(huì)造成碳排放[6]。

2)采掘工業(yè)碳排放

在以碳酸鹽(如方解石、碳酸鈣等)為原材料的采掘工業(yè)產(chǎn)品利用過(guò)程中，煅燒和酸化過(guò)程會(huì)造成碳排放。如：水泥、石灰、玻璃等的生產(chǎn)過(guò)程中，需對(duì)碳酸鹽原料進(jìn)行煅燒，從而造成碳排放；在用硫酸對(duì)磷酸鹽礦石進(jìn)行酸化的過(guò)程中，含有少量碳酸鹽的礦石會(huì)產(chǎn)生碳排放。

3)土地利用碳排放

礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)改變了礦區(qū)內(nèi)的土地利用類型，原來(lái)的耕地、林地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈V坑、尾礦庫(kù)、排土場(chǎng)等工業(yè)用地。耕地、林地、草地均為豐富的生物量碳庫(kù)、死有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)。礦產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)破壞了土地原有的覆被，使礦區(qū)喪失了生物量固碳能力，并且加快了死有機(jī)質(zhì)和土壤碳庫(kù)的分解速率，產(chǎn)生了碳排放[7]。

此外，在煤礦開(kāi)采活動(dòng)中，還存在煤層氣溢散現(xiàn)象，煤層氣中的CH4是重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的25倍，對(duì)臭氧層的破壞程度是CO2的7倍，亦不容忽視[6]。

1.2 礦區(qū)碳排放量估算

對(duì)于礦區(qū)碳排放的研究主要集中在煤礦。研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開(kāi)采活動(dòng)會(huì)破壞地表植被，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解而釋放CO2，2001年美國(guó)因煤炭開(kāi)采活動(dòng)造成的碳排放量高達(dá)550 MtCO2e[8]。李鳳山等[9]對(duì)濟(jì)寧三號(hào)煤礦的碳排放量進(jìn)行了核算，核算邊界包括采掘、通風(fēng)、排水、提升、輸送、壓風(fēng)等設(shè)備能耗和煤矸石、煤層氣、礦井水等副產(chǎn)物碳排放，核算結(jié)果顯示，該礦年均碳排放量達(dá)0.14 MtCO2e。李鑫[10]構(gòu)建了煤炭企業(yè)碳排放測(cè)算模型，并測(cè)算了我國(guó)煤炭行業(yè)“十三五”期間能源消耗和瓦斯碳排放強(qiáng)度分別為0.035～0.039、0.078～0.084 tCO2e/t。王莉莉[11]對(duì)永煤集團(tuán)永城礦區(qū)煤炭開(kāi)采、洗選、火力發(fā)電等過(guò)程的碳排放量進(jìn)行了核算，核算結(jié)果分別為1.21、0.15、0.94 MtCO2e。張媛[12]對(duì)山西晉城長(zhǎng)河流域11個(gè)礦區(qū)的碳排放量進(jìn)行了核算，結(jié)果表明，煤炭開(kāi)采活動(dòng)造成的土地利用碳排放量和能源消耗碳排放量分別為0.034、0.290 MtCO2e。

2 礦山企業(yè)碳減排潛力

2.1 典型礦山企業(yè)碳減排措施

2021年，我國(guó)典型礦山企業(yè)相繼發(fā)布了碳達(dá)峰、碳減排目標(biāo)和時(shí)間表(見(jiàn)表1)。目標(biāo)的制定主要集中在發(fā)布低碳冶金路線圖、減碳能力目標(biāo)、低碳冶金技術(shù)目標(biāo)，以及制定實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)間等方面。典型礦山企業(yè)如中國(guó)寶武、河鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、德龍集團(tuán)、新天鋼集團(tuán)等在2021年發(fā)布了低碳冶金路線圖[2]。河鋼集團(tuán)和中國(guó)寶武分別提出將在2022、2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，其他典型礦山企業(yè)將在2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。各礦山企業(yè)提出將在2025-2035年不同程度地實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。分析典型礦山企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)路徑發(fā)現(xiàn)，碳減排措施主要集中在優(yōu)化工藝流程、研發(fā)低碳冶金技術(shù)、提高資源綜合利用率等方面。鞍鋼集團(tuán)發(fā)揮先進(jìn)采選工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)施綠色開(kāi)采，同時(shí)研發(fā)碳捕獲、利用與封存技術(shù)。韓城礦業(yè)通過(guò)瓦斯抽采和廢水循環(huán)利用等措施實(shí)現(xiàn)減污降碳目標(biāo)。中鋁集團(tuán)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，以天然氣替代煤氣(燃煤)，提高清潔能源占比，實(shí)現(xiàn)碳減排。江西銅業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。徐礦集團(tuán)首創(chuàng)電力行業(yè)鍋爐大流量連續(xù)排污水回收系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)碳減排1.62萬(wàn)t[13]。

表1 我國(guó)典型礦山企業(yè)發(fā)布的碳達(dá)峰、碳中和時(shí)間表

2.2 典型礦山企業(yè)碳減排潛力估算

目前，我國(guó)礦山企業(yè)的碳減排路徑主要集中在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面。鐵礦石加工過(guò)程中，通常選礦能耗占單位鐵精礦產(chǎn)品總能耗的55%以上，其中磨礦能耗占選礦能耗的一半以上，因此寶鋼集團(tuán)提出了通過(guò)降低入磨粒度、優(yōu)化工藝、開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)等措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)[14]。西部礦業(yè)集團(tuán)關(guān)停了6個(gè)產(chǎn)能和工藝嚴(yán)重落后的項(xiàng)目，有效提高了能源利用率，實(shí)現(xiàn)了綠色轉(zhuǎn)型[15]。大梁礦業(yè)加快低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和設(shè)備升級(jí)改造進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和高效利用[16]。研究數(shù)據(jù)顯示，到2030年我國(guó)高耗能產(chǎn)業(yè)碳減排潛力可達(dá)5.42億t[17]。礦山企業(yè)通過(guò)節(jié)能減排技改可使碳減排潛力增長(zhǎng)20%以上[18-19]。

3 傳統(tǒng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)碳增匯效果

截至2018年，我國(guó)因采礦活動(dòng)損毀的土地面積達(dá)361.02萬(wàn)hm2，累計(jì)治理面積93.08萬(wàn)hm2，治理恢復(fù)率僅為20.50%，遠(yuǎn)低于50%～70%的國(guó)際礦山復(fù)墾率[1,20]。傳統(tǒng)的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)包括地質(zhì)地貌重塑、植被修復(fù)、土壤基質(zhì)修復(fù)3個(gè)方面[21]。地質(zhì)地貌重塑主要涉及回填整平、坡面加固、土方挖運(yùn)、廢石清理、建筑物拆除等；植被修復(fù)包括植物搭配和植被營(yíng)造；土壤基質(zhì)修復(fù)包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。

礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的碳效應(yīng)主要集中在礦區(qū)土地利用覆被變化帶來(lái)的碳增匯，修復(fù)后的礦山生態(tài)系統(tǒng)可以達(dá)到自然土壤和植被的碳密度，分別為51.60～53.75 t/hm2和6.24～9.95 t/hm2[22]。廖程浩等[22]對(duì)山西省陽(yáng)泉礦區(qū)煤矸石山修復(fù)的碳減排效益進(jìn)行了估算，以自然灌叢進(jìn)行植被恢復(fù)，礦區(qū)土壤碳儲(chǔ)量和植被碳儲(chǔ)量可分別增加2 478.29 t和730.33 t。劉鶴云[23]對(duì)山西省平朔礦區(qū)2009-2013年期間的碳減排能力進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)綠色植被恢復(fù)，礦區(qū)溫室氣體減排量在15.33萬(wàn)～16.99萬(wàn)t。張黎明等[24]對(duì)安徽省淮北礦區(qū)復(fù)墾碳減排進(jìn)行了測(cè)算，對(duì)1.05萬(wàn)hm2損毀土地進(jìn)行復(fù)墾后，CO2年吸收量可增加16.80萬(wàn)t。

4 面向“碳中和”的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)新模式

4.1 路徑分析

礦產(chǎn)行業(yè)是典型的高能耗、高碳排放行業(yè)，這成為礦產(chǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的最大挑戰(zhàn)。在礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)過(guò)程中，通過(guò)邊采邊修復(fù)、植被重建、土壤重構(gòu)等措施，也會(huì)實(shí)現(xiàn)源頭減排、植被固碳、土壤固碳等效果，因此礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)與礦山減排增匯具有同根、同源、同過(guò)程的協(xié)同關(guān)系。分析礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源發(fā)現(xiàn)，其主要集中在能源消耗碳排放和土地利用變化碳排放。對(duì)于能源消耗碳排放，單純淘汰落后產(chǎn)能，實(shí)施低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改并不能滿足產(chǎn)能提升的需求，而調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、大力發(fā)展清潔能源，才能從根本上改變礦產(chǎn)行業(yè)高能耗、高碳排放的現(xiàn)狀。對(duì)于土地利用變化碳排放，主要以土壤修復(fù)和植被恢復(fù)為主，可有效提升土壤固碳量和植被固碳量。因此，開(kāi)發(fā)清潔能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)；恢復(fù)礦山生態(tài)系統(tǒng)，鞏固和發(fā)展碳匯；開(kāi)展礦山固廢綜合利用，可達(dá)到空間騰挪和工藝減碳的目的，這是實(shí)現(xiàn)礦業(yè)綠色低碳發(fā)展的有效路徑(見(jiàn)圖1)。

圖1 面向“碳中和”的礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)路徑

4.2 礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式

礦業(yè)主要是對(duì)礦產(chǎn)進(jìn)行勘查、采掘和選別，在此過(guò)程中二氧化碳排放量與能源消耗總量呈顯著正相關(guān)，因此，開(kāi)源節(jié)流是礦業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要內(nèi)容[25]。目前，我國(guó)清潔能源在全國(guó)能源中的占比約為25%，距離2060年“碳中和”清潔能源占比需達(dá)80%的目標(biāo)還有很大提升空間。控制化石能源強(qiáng)度和總量，提高清潔能源占比，是礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的一個(gè)新的切入點(diǎn)。

我國(guó)礦山開(kāi)發(fā)占地面積達(dá)361.02萬(wàn)hm2[1]，目前大部分處于廢棄閑置狀態(tài)，利用礦山廢棄地發(fā)展太陽(yáng)能等清潔能源，在恢復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，還可以起到節(jié)約化石能源的作用。與火力發(fā)電相比，在我國(guó)太陽(yáng)年輻照量為3 000～9 000 MJ/m2的地區(qū)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很好的碳減排效果[26]。塞爾維亞[27]在退化地區(qū)進(jìn)行了光伏發(fā)電，其發(fā)電量相當(dāng)于43%的火力發(fā)電量，年碳減排量可達(dá)120萬(wàn)tCO2e。因此，利用礦山廢棄地開(kāi)展光伏發(fā)電的潛力較大，且具有顯著的碳減排效果。

對(duì)礦區(qū)中的中轉(zhuǎn)場(chǎng)地、固體廢棄物堆放場(chǎng)、采空塌陷區(qū)域、恢復(fù)治理區(qū)域可以發(fā)展礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式[28]。充分利用礦區(qū)獨(dú)特的地理區(qū)位和優(yōu)厚的土地空間條件發(fā)展光伏發(fā)電，可因地制宜采用“光伏+生物質(zhì)”“光伏+藥材”“光伏+草牧”等多種模式，這種生態(tài)環(huán)境修復(fù)模式可以有效提升土壤肥力、增加土壤生物量，同時(shí)可為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供能源和生產(chǎn)原料，生產(chǎn)高附加值的新型生物質(zhì)產(chǎn)品，達(dá)到充分利用土地的目的。

4.3 固廢資源化工藝減碳模式

利用礦山固體廢棄物進(jìn)行資源化生產(chǎn)的過(guò)程中，可以減少上游原料采選和運(yùn)輸產(chǎn)生的化石燃料消耗，從而降低工藝碳排放。同時(shí)，以尾礦為生產(chǎn)原料，可以減少生產(chǎn)工藝中的原料粉碎環(huán)節(jié)帶來(lái)的能源消耗和碳排放。尾礦和廢石的資源化利用途徑主要為填料化(用于礦山采空區(qū)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劑)[29-32]。研究表明：用尾礦和廢石生產(chǎn)混凝土、砂漿等建筑材料，可降低碳排放132.62～321.30 kg/m3[33]；用尾礦和廢石作為鐵路隧道基料，每萬(wàn)t尾礦和廢石可減少二氧化碳排放量30～40 t[34-35]；用鐵尾礦制備硅肥和土壤改良劑，每萬(wàn)t鐵尾礦可減少二氧化碳排放量1 904.8 t和7 619.0 t[36]；用尾礦制備磷肥，生產(chǎn)每萬(wàn)t磷肥可減少二氧化碳排放量達(dá)1 650 t[37]。

我國(guó)礦山固體廢棄物綜合利用率約為32.5%，與粉煤灰(74.9%)、煤矸石(53.7%)、冶煉廢渣(88.7%)等工業(yè)固體廢棄物的綜合利用率相比差距較大[29,38]。尾礦資源高效利用是礦山可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)，也是推動(dòng)工業(yè)固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的基本途徑[30,36]。在礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)中，融入固體廢棄物資源化利用修復(fù)模式，在礦區(qū)周邊建設(shè)以尾礦和廢石為原料的建材、基料、肥料生產(chǎn)線，這種模式可以有效提高礦山固體廢棄物資源化利用率，同時(shí)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供生產(chǎn)原料，并大幅降低生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。

此外，尾礦和廢石排棄對(duì)碳排放的影響主要是壓覆土地，原有土壤和植被固碳能力喪失，因此礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)的前提是對(duì)礦山固體廢棄物即尾礦和廢石進(jìn)行資源化利用，從而為礦山生態(tài)系統(tǒng)提供固碳空間。我國(guó)各類金屬尾礦貯存總量多達(dá)60.0億t，且以3.0億t的年均增長(zhǎng)率不斷增加，尾礦的積存占用了大量的土地資源[38]。對(duì)于尾礦庫(kù)、排土(巖)場(chǎng)、矸石或渣土堆場(chǎng)等顯著改變?cè)型恋乩梅绞胶透脖粻顩r的區(qū)域，通過(guò)對(duì)尾礦等固廢的資源化利用，可以提供更多的損毀土地用于生態(tài)恢復(fù)[1]。

4.4 展望

礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)“光伏+”模式還存在一些制約因素，主要涉及政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面。政策方面，礦山光伏發(fā)展過(guò)程中存在可再生能源電價(jià)附加資金募集不足、政策實(shí)施過(guò)程中碳指標(biāo)和能源指標(biāo)分配，以及缺乏監(jiān)管等問(wèn)題[39-41]。技術(shù)方面，礦山光伏發(fā)展過(guò)程中面臨電網(wǎng)改造技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)[42]。經(jīng)濟(jì)方面，礦山光伏發(fā)電存在成本較高、投資回收期長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此前期開(kāi)發(fā)、電網(wǎng)接入、儲(chǔ)能設(shè)備投入、人力成本等投資中的資金來(lái)源也是礦山光伏發(fā)電的限制因素[43-45]。我國(guó)雖然陸續(xù)出臺(tái)了多種支持可再生能源發(fā)展的政策和辦法，未來(lái)在建立發(fā)展專項(xiàng)基金、促進(jìn)可再生能源消納、資金補(bǔ)貼、技術(shù)創(chuàng)新等方面還需政府給予更多支持。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)礦產(chǎn)行業(yè)因其開(kāi)采活動(dòng)和高碳工藝流程，是重要的能源碳排放源和土地利用碳排放源。雖然我國(guó)典型礦山企業(yè)相繼提出了碳達(dá)峰和碳中和時(shí)間表，并在低碳技改和工藝優(yōu)化及節(jié)能技改方面投入了大量的人力物力，然而面對(duì)巨大的產(chǎn)能需求，碳減排任重而道遠(yuǎn)。礦產(chǎn)行業(yè)減排與礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有同根同源性，目前以土壤修復(fù)和植被恢復(fù)為核心的礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)，產(chǎn)生了可觀的碳減排效果。分析礦產(chǎn)行業(yè)碳排放源發(fā)現(xiàn)，“清潔能源開(kāi)發(fā)-覆被恢復(fù)-固廢利用” 協(xié)同修復(fù)是面向“碳中和”的礦山修復(fù)有效路徑。