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露天煤矿区低碳土地利用途径研究

来源:中国矿业杂志 作者: 人气: 发布时间:2019-07-04 14:57:30

导致气候变暖的人为因素主要有两方面影响:一方面是由于化石燃料使用和水泥生产建设活动等直接向大气中排放温室气体;另一方面是土地利用类型发生变化会影响温室气体汇与源的分布和大小。2015年,中国政府向联合国气候变化框架公约秘书处递交自主减排方案,即:到2030年左右CO2排放达到峰值并力求早日达到设定目标;与2005年相比单位国内生产总值CO2排放降低60%~65%。为了尽快实现自主减排目标,资源型城市成为中国是否可以实现温室气体减排的主要承担者,能否实现低碳可持续发展和矿区低碳土地利用,关乎中国对世界承诺的温室气体减排目标能否实现。在新时代下,务必要坚定“绿水青山就是金山银山”的理念,重视生态环境保护工作,对“山水林田湖草”生命共同体进行系统治理。

中国是煤炭生产和消费大国,截至2015年底,中国查明煤炭资源储量为15 663亿t。全国有15个省(自治区)分布有适用露天方式进行开采的煤炭资源,共占总量的10%~15%,而其中适用于露天开采的煤炭资源90%以上分布于内蒙古和新疆,而山西、陕西等省的露天煤矿资源已经或正在被开发利用。山西、内蒙古、陕西、新疆与贵州的可采储量位居前五,分别占比37.76%、20.20%、6.49%、5.19%、4.17%。生产力大、开采成本较低、资源回收再利用率高、安全性高等优势是露天煤矿得以迅速发展的基础,煤炭工业发展的“十三五”规划也将露天煤矿作为重点建设的先进产能之一。受矿区“剥离-开采-运输-排弃-造地”等工艺影响,其原土地生态系统在高速的采矿挖掘下产生了大量扰动剧烈和极度退化的损毁土地,地表原有植被遭到严重破坏,使得矿区碳储量能力部分丧失或全部丧失。露天煤矿每开采万吨煤损毁土地面积0.22 hm2,其中直接挖损损毁土地面积0.12 hm2,外排土场占用土地面积0.10 hm2。年均损毁和占用的土地面积多达1万hm2。

土地利用类型变化导致地上植被与土壤中碳储量发生变化。近年来国内外学者从土地利用角度开展了碳减排研究和实践。国外学者主要对低碳经济发展模式、低碳产业布局、低碳城市模式进行研究。国内学者方面,顾朝林等认为气候变化、碳排放与城市化过程相交织,低碳城市建设是遏制全球增温的首要选择;赵荣钦等认为低碳土地利用的实现能在很大程度上缓解全球气候变暖;付梅臣等从“减排”“增汇”两个角度,深入剖析目前中国土地复垦政策对矿区低碳土地利用提出的要求。

目前学术界对“低碳土地利用”这一名词还没有明确定义,结合现有研究成果来看,主要指在土地利用研究与实践过程中融入“低碳土地利用”这一理念,以“低碳”为导向,把现有的思维、目的、技术手段等与“低碳”理念相结合。矿区“低碳”与通常所理解的“低碳”理念有所不同,对于矿区尤其是露天矿区而言低碳土地利用主要是指在开采同样多煤的情况下,如何做到扰动更少的土地及剥离更少的表土,降低单位面积的碳排放量,最终及早造地固定碳汇。

从土地利用角度探寻矿区节能减排的途径是行之有效的方法,土地利用类型变化、土地利用结构调整和土地利用技术发生改变都会产生非常多的碳排放。在土地利用中融入“低碳”这一理念,顺应国家对低碳发展的要求,使得土地利用达到“低排放、高效益”的发展状态。矿区开采会将固碳功能强的耕地、林地、草地转为高碳排放的矿业用地类型,探寻适合于矿区的低碳土地利用结构、布局、规模和方式显得尤为重要。

一、矿区低碳土地利用原则

矿区低碳土地利用是以尽量少的能源消耗和环境污染获得更多的经济产出。为更好地梳理矿区低碳土地利用的脉络,从矿区实现低碳土地利用的原则、低碳利用的目标、低碳利用的途径三方面出发,构建矿区低碳土地利用途径(图1),指导矿区生产建设活动朝着“低碳”方向发展,建设成为绿色矿山、可持续矿山。根据循环经济中给出的“3R”原则,即:“减量化、再利用和再循环”,赵荣钦等在“3R”原则基础上,将低碳土地利用扩展为“5R”原则:减量化、再利用、再循环、再开发、再修复。本文在现有低碳土地利用“5R”原则上,针对矿区低碳土地利用对“5R”原则进行优化。

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图1 矿区低碳土地利用途径

1.1 减量化

严格控制采矿用地扩张,减少耕地、林地、草地等“高碳汇”用地类型转为露天采坑、排土场、剥离区、工业场地等“高碳源”用地类型;节约集约利用采矿用地,在开采同样多煤的同时扰动更少的土地;矿区开采作业中减少能源消耗,避免因化石燃料使用产生大量碳排放,用较少的能源投入获得较大的经济产出。在露天矿开采中减少对表土的剥离,减少原地貌扰动面积,避免煤炭开采产生较大的碳损失。同时,矿区通过技术措施减小在煤炭开采过程中对土地资源的扰动程度及范围,充分挖掘土地资源的生产潜力,做到“剥离-开采-运输-排弃-造地-复垦-管护”一体化,达到矿区土地利用的“开源”目的。

1.2 再利用

再利用是指复垦土地的集约利用,矿区应加强对工业场地和矿区周边污染土地、退化土地、矿区损毁土地及时进行科学的土地复垦,对其脆弱的生态系统进行修复,提升矿区土地生产力,加快矿区损毁土地复垦,实现土地资源可持续利用。坚持“谁损毁,谁复垦;谁破坏,谁补偿”原则,提高矿区损毁土地复垦速率,通过复垦土地的再利用,提高土地生产能力,增强矿区“碳汇”功能;加强对复垦土地的可持续利用,注重复垦后期监测监管。因地制宜原则,根据复垦后土地现状和再利用条件,包括区位条件、交通条件、土质条件、水源情况、地形条件等选择合适的再利用方式,宜农则农,宜林则林,宜草则草。

1.3 再循环

以开采煤、延伸煤、升华煤为目标,实施节能、降耗、减排工程,发展循环经济。根据矿产资源埋藏特点、开发时序,采取一些列措施,减少煤炭开采对生态环境造成的影响。矿区煤炭开采要尽量做到精采、细采、多采,矿区应回收洗选后的煤泥,用煤矸石发电,发电后的粉煤灰用来提取氧化铝和其他稀有金属,发电余热用来为矿区集中供热,炉渣等废料用来制作墙体材料。最终实现矿区资源开采精细化、废物利用最大化、环境污染最小化。防止低效闲置利用土地、掠夺性耕作、粗犷型土地利用模式,提高矿区植被覆盖率和能源使用效率,达到经济效益、社会效益、生态效益最大化。

1.4 再开发

加快对矿区排土场平台、边坡复垦;通过相应措施促进矿区土地资源再开发利用,将矿区损毁土地及时复垦为林地、草地、耕地及其他高碳汇用地类型。复垦土地的集约利用,即在充分考虑土地资源可持续利用、改善生物多样性、提高居民搬迁安置满意度的前提下,通过增加复垦土地的技术、资金、劳动力等因素,优化土地配置,提高土地利用率和产出率,从而实现土地资源的可持续利用目标。根据矿区复垦土地区域性特征,达到适宜产业区域化,优势产品地域化,产品加工集群化的格局,最大程度上减少煤炭开采对生态环境的影响。

1.5 再修复

主要是指矿区在“剥离-开采-运输-排弃-造地”等工艺影响下,其原土地生态系统在高速采矿挖掘作业下产生了大量扰动剧烈和极度退化的损毁土地。需要采取科学的土地复垦对其进行修复。就大多数矿区而言经过长时间的土地复垦,耕地质量会强于原地貌或达到原地貌水平,其抵御旱灾、涝灾能力明显强于原生态。矿山复垦地区的生态环境和生物多样性需要逐渐的恢复,要坚持保护土壤、水源和环境质量,防止次生污染。

二、矿区低碳土地利用途径

2.1 矿区土地利用结构优化

土地利用结构的合理性,决定区域土地功能。露天矿开采扰动的土地面积大、涉及的部门行业多,在土地复垦规划过程中要注重区域规划协调统一,因地制宜安排复垦方向,实现矿区“山水林田湖草”这一生命共同体生态服务功能最大化,减轻煤矿开采对环境的影响。露天矿开采导致土地功能部分或完全丧失,出现损毁土地与原地貌相比岩石比例高、土壤侵蚀敏感、渗透性低、营养不良等不利的特性。研究发现复垦土壤容重比未扰动土壤高0.2~0.5 g/cm3,稳渗率较原生境低0.12~0.84 mm/min,径流系数则达到原生境的2.9~6.1倍。矿区土地复垦应以生物措施为主、工程措施为辅对矿区损毁土地进行修复;尽量将含不良成分的岩土、有毒有害或放射性成分以及煤矸石堆放在深部,减少温室气体溢散;对矿区土壤进行改良,提高单位面积土地生产力,增强土地复垦功能提升。

2.2 矿区土地利用规模优化

矿区土地复垦,其根本是对矿区“山水林田湖草”这一生命共同体的修复。结合区域自然生态地理环境的特征,科学制定矿区生态环境恢复治理方案,按照因地制宜的原则实施矿区生态环境治理与修复工程,促进矿山开采与生态环境的协调发展。把绿色开采、低碳开采、生态矿山建设的理念贯穿于矿产资源开发利用的全过程,实现清洁生产、循环利用和污染物零排放。土地复垦目标不仅是将复垦对象恢复到可供利用的状态,还应加强对生物多样性的保护,增强煤矿区退化生态系统的生态恢复能力,保护生态系统的完整性。生物多样性重组与保护能有效降低自然灾害的风险,并维持稳定的土地生态系统。对矿区损毁土地及时进行科学有效的复垦,在复垦土地上发展农、林、牧以及农产品加工等产业,不仅使矿区植被覆盖度、生物多样性等得到提升,同时还将矿区损毁土地资源进行优化重组。伴随矿区复垦土地规模的不断扩大,以及接续产业、替代产业的不断发展,农民有了再就业的机会,搬迁安置问题也得到了有效解决,矿区土地的规模化经营可以有效缓解农民与矿山企业之间的土地矛盾。将矿山生态环境、资源环境、经济环境和人文环境联结成一个有机的系统,使矿山采矿活动与生态环境和谐、协调、统一,消除采矿活动对环境和生态造成的巨大负面影响。

2.3 矿区土地利用方式优化

要想实现矿区低碳土地利用首先要采取低碳的开采方式,从有利于温室气体减排的角度出发采取相应措施。研究表明:平朔矿区三座大型露天煤矿自开采以来燃油消耗、炸药使用、开采逸散、电力消耗产生的碳排放分别为470.91万t、41.74万t、525.73万t、88.38万t。在矿区生产建设活动及后期的生态恢复过程中,应该重视煤炭开采工艺的可持续性,在表土剥离时尽量采用土石分排,避免土石堆放长期压占土地,减少土堆碳排放量;采用煤矸石充填技术,或建立煤矸石发电厂,防止煤矸石非受控自燃产生的碳排放;在覆土过程中,准确设计回填土方量和运输路径,减少燃油等化石燃料使用量;提高矿区大型机械使用效率,控制因电力消耗产生的碳排放;促进矿区土地复垦向低碳可持续方向发展。露天矿废弃的矸石和煤泥应排在内排土场,并应在地表30 m以下处,在矿区土地平整过程中减少大型机器对土壤的压实,减少翻耕次数,从源头上降低燃油使用产生的碳排放。

2.4 矿区土地利用布局优化

根据矿区分布的地域性特征,合理科学规划布局,做到平面布设合理,空间设置适宜,时空安排有序。对于复垦后的土地资源除补充耕地以外,还可以发展水产养殖业、畜牧业、果蔬种植业、花卉种植业等新型农业。矿区还可以将复垦后的土地资源为基础,搭建一些现代高科技技术,容易实施、生态效益明显的实验示范工程。矿区土地利用布局应遵照自然规律,实现矿区生态产业优势,构建地域性生态产业区,形成适宜产业区域化,优势产品地域化,产品加工集群化的格局。形成两类核心循环经济产业链:煤炭开采-煤矸石-电-硅铝-建材工业的黑色工业产业链;农-林-牧-药-农产品加工-生态旅游的绿色生态产业链。研究表明,露天矿开采过程中土壤有机碳损失高达80%,因地表植被破坏造成植被碳库几乎全部丧失。矿区通过建设绿色产业链来固定碳汇,在提升土地功能的同时吸附黑色产业链产生的碳排放,以此来提高矿区内部碳汇功能。

三、矿区低碳土地利用目标

1) 减少煤炭开采过程中化石能源消耗。通过单位土地上更少的燃油使用、电力消耗等投入,获得更大的产出即煤炭的开采量。绿色施工,减轻大型机械对土壤的压实;充分利用采矿机械,在煤炭开采过程中,尽量完成地貌重塑、土地平整及表土回填,实现“边开采,边复垦”。同时,对驾驶员进行定期培训,防止因为操作人员不专业、机具不匹套,损坏、浪费、耗油高可能引起高排放的现象发生。

2) 降低矿区开采碳排放强度,尽可能降低单位面积的碳排放,实现矿业用地节约集约。矿区的道路建设要在保障安全和运输成本较低的基础上,在尽可能地减少土地占用的前提下,通过方案对比的方法,尽可能地减少对周围敏感地区的影响。运输道路进行选线时不仅应当考虑物料的运输成本,而且应当考虑环境影响程度及范围,运输道路对环境的影响因子主要有扬尘量及车辆噪声。矿区排土场选址时应当考虑尽量减少外排土场的运距,尽可能距离采掘区较近,为露天矿采剥台阶同步发展、尽早实现内排、实现内外排顺利衔接。

3) 增加碳汇功能,将损毁土地优先复垦为耕地、林地、草地等固碳能力强的用地类型。在各种土地利用方式中,矿区复垦的林地、草地、耕地固碳能力强可以补偿矿区开采作业产生的大量碳排放。矿区土壤好坏,关系复垦植被恢复效果,矿区表层土壤要排放在排土场最上层2 m,该层不可被重型机械压实。矿区复垦的坡面倾度一般不超过1∶4(25%),便于机械抚育和采收。在土地复垦中,要注重土壤耕作层保护,筛选的植物要有较强的适应能力,最好有固氮能力(如豆科植物);根系发达并有较好的生长速度,抗干旱能力强,易成活;能够产生大量有机物废料,在土壤形成中增加腐殖质和碳封存。

4) 提高土地复垦率,重视土地复垦后期管护,控制地表径流,预防水土流失,最终实现涵养水源、净化空气、保健修养、动物栖息等。在煤矿区减排增汇过程中,需要政府、企业、公众共同参与,认识到减排增汇对我国实现2030年减排目标的重要性。土地复垦后期管护尤为重要,要防止因过度放牧或管理不当等导致复垦土地的土壤退化问题,对矿区复垦土地进行监测监管,实现矿区资源可持续利用。

四、结语

露天矿区煤炭开采产生大量扰动剧烈的损毁土地,需要采取科学的土地复垦方式进行修复,根据矿区特殊性提出“矿区低碳土地利用”这一概念以及低碳土地利用的原则、目标和途径;从减少煤炭开采过程中化石能源消耗、降低单位面积碳排放强度、增加矿区碳汇功能、提高土地复垦率重视土地复垦后期管护四个目标出发,实现矿区减排增汇;以矿区土地利用结构优化、规模优化、方式优化、布局优化为基本手段,作为实现矿区低碳土地利用的有效途径。矿山企业对低碳土地利用能否最终得以实现起到关键性作用,中国露天矿主要分布在黄土高原区、内蒙古草原区和西北荒漠区,地域差异较大,区域内自然条件相差较大且经济发展极不均衡,矿山企业可能需要投入大量资金来更新设备、重建植被、修复损毁土地,最终实现绿色、循环、低碳发展。参考矿区地域性差异及矿区土地可利用资源情况,因地制宜既要考虑现有土地资源的土地承载力,又要考虑到地域农、牧资源的耦合。“山水林田湖草”是“皮-骨-肉”不可分割的生命共同体。通过地貌重塑、土壤重构、植被重建等土地复垦工程的实施,将矿区生态系统内“碳源”型用地逐渐向“碳汇”型用地转变。

作者简介

杨博宇(1993—),女,黑龙江哈尔滨人,博士,主要研究方向为土地利用工程,单位:中国地质大学(北京)。

白中科(1963—),男,山西运城人,教授,博士生导师,从事土地复垦与生态重建、环境影响评价工作,单位:中国地质大学(北京),自然资源部土地整治重点实验室。

(编辑:逍遥客)

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