王茜茜，吳凱建，王路

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 工業(yè)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

露天礦山的開采會改變區(qū)域內(nèi)的土地利用類型，破壞原有的植被覆蓋類型，影響原有生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存功能，進(jìn)而影響氣候的變化[1].因此基于土地利用變化分析碳儲量的變化對于研究氣候變化具有重要意義[2].

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡模型（InVEST）是研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量分析的可靠方法[3].國內(nèi)的學(xué)者已經(jīng)成功將該模型應(yīng)用于許多區(qū)域的碳儲量變化研究中，包括城市、流域、生態(tài)保護(hù)區(qū)、海岸帶等[4-7].

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種“從搖籃到墳?zāi)梗╟radle-to-grave）”的環(huán)境管理和分析工具，已成為國際上認(rèn)定綠色產(chǎn)品或生態(tài)產(chǎn)品的主要方法（ISO，2006a；ISO，2006b）[8，9].

文章以白云鄂博礦為研究區(qū)，通過InVEST模型模擬白云鄂博礦30年來的碳儲量及其變化特征，旨在探究在露天礦山開采導(dǎo)致的土地利用動態(tài)變化背景下，如何方便快捷地估算其碳儲量變化.同時，利用生命周期評價工具，對白云鄂博礦生產(chǎn)工藝進(jìn)行評價，為加快綠色礦山建設(shè)和綠色采選冶工藝改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

白云鄂博礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市北部，地處烏蘭察布草原.地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°47′～110°04′，北緯41°39′～41°53′.白云鄂博礦氣候干旱，降雨少，蒸發(fā)量大、晝夜溫差大.它是世界上最大的稀土礦，共有5個礦體，包括主礦、東礦、西礦、東介格勒和東部接觸帶，面積共有48 km2，礦床內(nèi)包含71種元素和175種礦產(chǎn)資源.

2 研究方法

2.1 土地利用類型數(shù)據(jù)獲取

土地利用類型數(shù)據(jù)為1990，2000，2010和2020年4個時間段分辨率為30 m的Landsat遙感影像處理后獲得.4個時間段的遙感影像通過波段合成、研究區(qū)裁剪和非監(jiān)督分類等處理，根據(jù)遙感影像近紅波段、紅波段和綠波段合成的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像的地物信息特征進(jìn)行分類.具體步驟如下：

（1）波段合成

Landsat遙感影像為多光譜數(shù)據(jù)，通過對不同波段組合獲得標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像，假彩色影像比起真彩色影像更方便進(jìn)行地物識別和遙感圖像解譯.假彩色影像需要將近紅波段賦予紅色，紅光波段賦予綠色，綠光波段賦予藍(lán)色，植被在影像中呈現(xiàn)紅色.白云鄂博礦區(qū)為荒漠草原氣候，草地顏色淺淡，形狀不規(guī)則，分布隨機(jī)，林地顏色比草地顏色深，同時對比BIGMAP地圖的高分辨率影像進(jìn)行翻譯.

（2）影像裁剪

使用與遙感影像投影一致的白云鄂博礦區(qū)矢量數(shù)據(jù)對合成后的影像進(jìn)行裁剪，獲得白云鄂博礦區(qū)研究區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)假彩色遙感影像.

（3）建立解譯標(biāo)志

針對白云鄂博礦遙感影像建立解譯標(biāo)志.草地：白云鄂博礦屬于荒漠草原，草地稀疏，分布廣泛，在遙感影像上呈現(xiàn)不明顯紅色；林地：白云鄂博礦及周邊樹木多為綠化種植區(qū)，分布在礦區(qū)邊緣及道路兩側(cè)，具有明顯的規(guī)律性，在遙感影像上為鮮紅色；水體：白云鄂博礦位于干旱區(qū)，研究區(qū)內(nèi)有水的區(qū)域多為礦區(qū)采選用水形成的，面積變化沒有規(guī)律性，在遙感影像上水體呈現(xiàn)黑色；建設(shè)用地：白云鄂博礦面積大，形成時間長，采礦區(qū)、選礦區(qū)和廢礦堆置區(qū)等區(qū)域聚合在一起，礦區(qū)呈現(xiàn)紫色與褐色，其附屬設(shè)施呈現(xiàn)淺藍(lán)或亮白色，礦區(qū)具有明顯的規(guī)律性；未利用地（裸地）：未利用地將裸地及其余未分類區(qū)域合并在一起，極大部分為裸地，在遙感影像上呈現(xiàn)白色，在研究區(qū)內(nèi)只有少量分布.

（4）非監(jiān)督分類與目視解譯

首先使用ENVI5.5非監(jiān)督分類器的ISODATA方法進(jìn)行分類，結(jié)合目視解譯參考中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的一級類型分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，將白云鄂博礦區(qū)分為林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地5類，再對錯誤的分類結(jié)果進(jìn)行修改，最后進(jìn)行分類后處理，將分類影像的小圖斑剔除或合并.將土地利用的分類結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS10.8，使用重分類功能得到所需的土地利用數(shù)據(jù).

2.2 碳儲量研究方法

文章選用了InVEST模型的碳儲量模塊研究白云鄂博礦碳儲量變化.該模型認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)碳庫由4部分組成：地上生物碳、地下生物碳、土壤有機(jī)物碳和死亡有機(jī)物碳.碳模型假設(shè)土地覆蓋以總碳密度為特征，總碳密度是地上、地下、土壤和死亡有機(jī)物密度的總和.該模型認(rèn)為，碳儲存的變化源于土地利用的變化，從而簡化了碳循環(huán)的過程[10-12].模型為：

式中：i為土地利用類型；Ci為土地利用類型i的總碳密度，t／hm2；Ci1為地上碳密度，t／hm2；Ci2為地下碳密度，t／hm2；Ci3為土壤碳密度，t／hm2；Ci4為死亡有機(jī)物碳密度，t／hm2.

碳模型所需的數(shù)據(jù)有土地利用類型圖和碳密度表.土地利用類型圖已通過遙感解譯生成，碳密度表如表1[10，13]所示.

表1 白云鄂博礦不同土地利用類型碳密度（t／hm2）

2.3 生命周期評價

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種“從搖籃到墳?zāi)梗╟radle-to-grave）”的環(huán)境管理和分析工具，對產(chǎn)品生命周期的全過程分析后量化資源消耗與污染物排放，再評價資源消耗與污染物排放對環(huán)境造成的影響.目前，公認(rèn)的生命周期評價方法包括4個階段：目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價以及結(jié)果解釋（ISO 14040；ISO 14044）[8，9]，其主要內(nèi)容如下.

（1）目標(biāo)與范圍的確定

生命周期評價首先需要確定研究目的與研究范圍.研究范圍的確定是要使研究的廣度、深度與研究目標(biāo)一致，主要包括系統(tǒng)的功能、功能單位和系統(tǒng)邊界等.文章的研究目的是分析白云鄂博礦稀土氧化物（REO）的生產(chǎn)工藝對環(huán)境的影響，功能單位是生產(chǎn)1 kg REO，該研究不考慮REO的后續(xù)生產(chǎn)工藝.

（2）清單分析

清單分析是生命周期影響評價的基礎(chǔ)，也是生命周期評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的表達(dá)形式之一.清單分析是對產(chǎn)品在其整個生命周期內(nèi)的資源消耗、能源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析.該階段需要明確生命周期的生產(chǎn)工藝所需的輸入、輸出數(shù)據(jù)，清單分析包括清單數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、收集、計算，最后進(jìn)行生命周期清單的總結(jié)，得到生命周期結(jié)果清單.

（3）影響評價

生命周期影響評價是對各種污染物對環(huán)境的影響進(jìn)行量化評價，根據(jù)第二階段提供的數(shù)據(jù)用以比較各種污染物以及工藝階段對環(huán)境的影響程度.實(shí)際上影響評價是對上一階段的分析結(jié)果進(jìn)行定量并排序，考慮10個環(huán)境影響類型，該階段包括3個步驟：特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán).

（4）結(jié)果解釋

結(jié)果解釋是對前幾個階段的詳細(xì)解釋，對生命周期清單和影響評價結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，尋找生產(chǎn)中對環(huán)境影響較大的環(huán)節(jié)和資源，為了減少生產(chǎn)產(chǎn)品所需的能源消耗、材料消耗以及污染物的排放量，提出合理的改進(jìn)建議，來減少對環(huán)境的影響，為產(chǎn)品生產(chǎn)提供科學(xué)的建議與指導(dǎo).

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

如圖1所示，白云鄂博礦主要利用類型是草地和礦區(qū)，即建設(shè)用地。研究期間，由于礦區(qū)面積不斷擴(kuò)大，大部分草地轉(zhuǎn)換成礦區(qū)，土地利用類型變化極大.從時間上看，礦區(qū)面積從16.02 km2增加到63.53 km2，占比從18%到71.38%；草地面積從69.58 km2減少到19.84 km2，占比從78.18%到22.29%，且由于稀土選礦活動，使研究區(qū)出現(xiàn)無規(guī)律水體.從空間上看，隨著采礦活動的推進(jìn)，除了東部原有的主礦、東礦及其附屬區(qū)域面積擴(kuò)張外，西部增加了西礦及排土場、尾礦庫、洗選廠等設(shè)施，說明其開采重心從東部轉(zhuǎn)移到了西部.

圖1 白云鄂博礦土地利用類型變化（a）1990年土地利用類型變化；（b）2020年土地利用類型變化

3.2 碳儲量分析

二氧化碳的濃度變化會對氣候產(chǎn)生重要影響，但生態(tài)系統(tǒng)可以不斷地將碳積累到植物和土壤中，對氣候調(diào)節(jié)產(chǎn)生有益貢獻(xiàn)，而土地利用類型的變化會使生態(tài)系統(tǒng)釋放出二氧化碳，使環(huán)境狀況發(fā)生變化.采礦活動會對土地利用造成破壞性影響，拉低礦區(qū)環(huán)境，因此碳儲量估算是研究白云鄂博礦開采環(huán)境的重要一環(huán).

由模型得到白云鄂博礦1990～2020年的碳儲量空間分布圖如圖2所示，1990年碳儲量2.03×106t，2000年碳儲量1.90×106t，2010年碳儲量1.54×106t，2020年碳儲量1.11×106t.從時間上看，1990～2020年碳儲量減少近一半，平均每年損失碳量3.08×104t.從空間上看，導(dǎo)致碳儲量減少的原因有：1990～2000年，白云鄂博礦主礦區(qū)、東礦區(qū)及其排土場尾礦庫等區(qū)域向外擴(kuò)張；2000～2010年，白云鄂博礦增加西礦區(qū)及其附屬功能區(qū)；2010～2020年，白云鄂博礦西礦及附屬功能區(qū)大面積擴(kuò)張.碳儲量的變化跟隨礦區(qū)面積的變化趨勢，礦區(qū)面積隨著時間的增加在空間上增加，礦區(qū)面積的增加必定導(dǎo)致了碳儲量的減少，使得碳儲量的高值區(qū)域不斷被低值區(qū)域侵占，地面植被的消失導(dǎo)致最直觀的反應(yīng)就是失去光合作用，也就失去了繼續(xù)固碳能力.

圖2 1990～2020年白云鄂博礦碳儲量空間分布（a）1990年礦碳儲量空間分布；（b）2000年礦碳儲量空間分布；（c）2010年礦碳儲量空間分布；（d）2020年礦碳儲量空間分布

由圖3知，白云鄂博礦地上碳、地下碳、土壤碳和死亡有機(jī)物4個碳庫的平均碳量在1990～2020年間均逐漸下降，下降趨勢為先緩慢下降，然后下降速度加快且速度保持一定.從下降速度看，地下生物碳量＞死亡有機(jī)物碳量＞地上生物碳量＞土壤碳量；從總量看，土壤碳量＞地下生物碳量＞死亡有機(jī)物碳量＞地上生物碳量；在碳量減少量上，地上碳、地下碳和死亡有機(jī)物碳損失嚴(yán)重，土壤碳損失較低.土壤碳是白云鄂博礦碳儲量的最重要組成部分，隨著采礦活動，它不僅在占比上擴(kuò)大，而且在數(shù)量上只有少量減少，是最穩(wěn)定的碳庫類型.而地下生物碳是變化最大的部分，雖然始終是占比第二的碳庫類型，但是受到采礦活動影響最大，在1990～2020年期間減少了超過一半的碳量，是導(dǎo)致白云鄂博礦碳儲量遭受損失的最大原因.

圖3 白云鄂博礦碳庫平均碳量變化

3.3 白云鄂博礦開采生命周期評價

首先，確定研究目標(biāo)和范圍，文章對白云鄂博礦生產(chǎn)REO的環(huán)境影響進(jìn)行生命周期評價，功能單位被選為1 kg的REO.其次，建立生命周期清單并分析，獲取生命周期數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于質(zhì)量的分配，以劃分原礦和REO之間的環(huán)境影響.然后，進(jìn)行生命周期的影響評價，生命周期評價模型將包括排放、材料和能量流在內(nèi)的過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對人類健康和環(huán)境的具體影響.在這項工作中，利用TRACI方法來量化REO產(chǎn)生的影響，包括能源消耗、顆粒物、臭氧損耗、溫室效應(yīng)、生態(tài)毒性、富營養(yǎng)化、光化學(xué)煙霧、酸化、人體健康致癌性和人體健康非致癌性等.最后進(jìn)行生命周期評價的結(jié)果解釋.

REO的生產(chǎn)第一步是采礦，白云鄂博礦粗礦包含獨(dú)居石和氟碳鈰礦，然后經(jīng)過破碎和磨礦.該階段需要大量的能源，再經(jīng)過脫水后使用磁鐵進(jìn)行弱磁選，將鐵與其他礦物區(qū)分出來，再經(jīng)過強(qiáng)磁選獲得鐵精礦，獲得一定濃度的REO.這些REO在磁選之后進(jìn)入浮選，使用化學(xué)溶液經(jīng)過分離獲得稀土精礦.然后進(jìn)入煅燒階段，最常用的方法是酸浸法，在煅燒階段使用濃硫酸在高溫下裂解稀土礦得到稀土硫酸鹽.下一步是水浸，將REO進(jìn)行水洗和過濾，所得溶液進(jìn)入萃取焙燒階段，先將混合物分離，獲得輕、中、重稀土，形成稀土氯化物，然后使用草酸沉淀法對其焙燒得到最終的REO.在這一系列的操作中，使用到的熱能來自于煤.

使用TRACI的方法對REO的生命周期碳足跡進(jìn)行計算，得到溫室氣體排放范圍為每千克稀土氧化物會產(chǎn)生25～35 kg CO2，由于生產(chǎn)中、重稀土氧化物需要額外的化學(xué)物質(zhì)和分離，從輕稀土氧化物到重稀土氧化物的生命周期影響幅度增大.如圖4所示，REO的生命周期工藝階段除選礦階段，其余階段對各環(huán)境影響類型均有顯著貢獻(xiàn).焙燒階段產(chǎn)生的巨大影響是由于這一步驟所需的大量熱量由煤提供；煅燒階段大大加劇了呼吸效應(yīng)和臭氧損耗類別，因?yàn)殪褵A段大量使用硫酸而在這一過程中的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氟化氫和二氧化硫，其中臭氧損耗的主要原因是稀土萃取劑的使用.生產(chǎn)REO需要大量能源并嚴(yán)重污染環(huán)境，采礦階段、提取和焙燒階段對REO生命周期的影響較大，針對這些工藝的改進(jìn)可以有效減少能源并保護(hù)環(huán)境.自1990～2020年白云鄂博礦共計開采鐵礦石約3億t，生產(chǎn)鋼鐵約1.27億t，生產(chǎn)REO約176.8萬t[14-17]，按照每生產(chǎn)1 kg REO排放25 kg CO2計算，共排放溫室氣體約4000萬t.

圖4 REO生命周期環(huán)境影響對比

4 結(jié)論

（1）白云鄂博礦在30年的采礦和選礦過程中，土地利用類型發(fā)生了巨大變化，礦區(qū)面積從16.02 km2增加到63.53 km2，草地面積從69.58 km2減少到19.84 km2.即使在保持主、東、西3個礦區(qū)數(shù)量不變的情況下，礦區(qū)面積仍將隨著時間推移增加.

（2）1990～2020年間，碳儲量損失了總量的一半，碳儲量的變化跟隨礦區(qū)面積的變化趨勢，礦區(qū)面積的增加必定導(dǎo)致碳儲量的減少，地面植被的消失最直接的影響就是失去固碳能力.采礦活動對碳儲存功能造成了破壞性的影響，少固碳92萬t.

（3）采礦、提取和焙燒是對生命周期影響最大的階段，應(yīng)對這些工藝進(jìn)行改進(jìn)以減少碳排放量.