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1、煤矸石山修复的碳减排效益以阳泉矿区为例摘要：煤砰石山由于其堆积物的高含碳量和高自燃风险，是一类巨大的碳排放源，其温室气 体排放亟需有效控制。虽然近年来国内外学者对温室气体的排放和吸收过程，生态系统各部 分中的碳储量及其变化机制进行了大量研究，但是关于煤砰石堆积侵占土地与碳排放相互关 系的研究至今还没有报道。文章以阳泉矿区煤砰石山为例，计算了煤砰石堆存带来的潜在碳 排放量及其导致的陆地生态系统碳储量变化。结果表明，阳泉矿区煤砰石山堆存碳密度超过 了其覆盖的当地原本自然生态系统碳储存密度的1000倍，二氧化碳排放风险很高。截止到 2006年，阳泉矿区不到300hm2的砰石山已自燃排放超过3.26M
2、t碳当量的二氧化碳，还 有潜在碳排放量15.1Mt，此外砰石堆积还造成当地自然生态系统约13.12kt的碳损失。煤砰 石山的生态修复能够防止自燃，固定煤砰石中的大量碳，还可以增加煤砰石山自然生态系统 的碳储量，有着很好的碳减排效益。关键词：碳排放；煤砰石山；生态修复；阳泉矿区随着大气中温室气体浓度增加及由此带来的全球气候变化问题越来越受关注，近年来对 温室气体排放和吸收过程的研究逐渐增加，温室气体的“源、“汇”分析和全球碳循环研究 是全球变化研究领域的一大重点1-2。目前的研究成果已经确定化石燃料燃烧，土地利用变 化等是人类活动造成的主要碳排放源，农业垦殖、城市建设、森林砍伐以及其他土地利用活
3、 动对陆地生态系统碳储量和通量的影响远远超过了自然变化影响的速率和程度3-5。近年来 土壤碳储量和植被碳储量的大小及其变化机制是研究的热点6-10。众多研究人员利用农林 业调查资料估算、遥感数据测算、模型模拟等手段计算生态系统中各种类型的碳储量，分析 其变化及碳减排的潜力和成本，为碳减排工作的开展提供了重要基础11-16。相关研究主要 集中在两个方面17-20： (1) 土地利用模式和土地利用变化对陆地碳储量和通量的影响及其 反馈研究；(2)农业土地整治和碳排放，即通过对退化土地的治理与修复，改良土壤等方式 提高土壤的有机碳含量，从而减少碳排放。但是，对煤砰石堆积侵占土地这种特殊的土地退 化和
4、土地利用方式与碳排放相互关系的研究至今还没有报道。煤砰石是煤炭开采过程中产生的废渣，含有残煤、碳质泥岩、硫等可燃物，若不采取有 效的预防措施，堆积的煤砰石山容易发生自燃，排出大量CO、CO2、SO2、H2S和氮氧化物 等有害气体。我国是一个产煤大国，煤砰石的堆存量很高，据相关文献显示21-22，我国共 有煤砰石山超过1500座，砰石积存量超过3.5Gt，占地面积约220000hm2。大量煤砰石的 堆积破坏了大片土地，加上煤砰石自身的高含碳量和自燃风险，地表煤砰石山堆积导致的陆 地生态系统碳储量变化不容忽视。本文将以山西阳泉矿区砰石山的煤砰石堆积带来的碳储量 变化为例，计算煤砰石山的潜在碳排放量
5、以及造成的当地生态系统碳储量的变化。通过对砰 石山碳排放风险和碳储存效益的分析，希望可以促使这一之前被碳循环研究忽略，在我国影 响巨大的特殊方面能够被逐渐重视，促进我国砰石山修复治理工作的开展，减少碳的排放。 1研究对象和方法1.1研究区概况山西省阳泉市地处山西省中部东侧，太行山中段西侧，自然环境比较脆弱。辖区中黄土 高原、山区丘陵占80%以上，森林覆盖率仅为7%左右，属中低山丘陵区，境内地形复杂， 地下矿藏丰富。阳泉境内煤田面积约110500hm2,位于山西省最大的煤田沁水煤田的东北隅，煤炭地质储量10.7Gt，是全国最大的无烟煤生产基地23。据相关资料显示，截 至到2006年阳泉市共有大小
6、砰石山26座，煤砰石堆存量约200Mt。考虑到调查和统计数 据的完整性，本文的研究区域阳泉矿区特指阳泉煤业（集团）有限责任公司（下简称阳煤集 团）的已开采区（图1），位于阳泉市城区西部。据统计，该区2006年煤炭开采量为35.42Mt， 有矸石山20座，累计堆放的煤矸石达136Mt，绝大多数矸石山没有绿化措施。20座矸石 山中已有8座矸石山自燃完，剩余12座矸石堆存量为111.95Mt。目前每年煤矸石的排放 量约7Mt，相当于2006年煤炭产量的20%左右（表1）。巨大的煤炭开采量，产生了大量的 煤矸石，带来严重的煤矸石排放压占大片土地，破坏原本的土壤和植被条件，自燃排放污染 物等问题。自燃城
7、;兄砰石山堆舂* Mt)占地面fRihn?)-蝶 石山平面垠而ft24吟哪g未著完12111.福.丘咀合计2U136.14R瓦7：甘表1阳泉矿区矸石山堆存现状表1.2计算方法根据阳泉矿区煤矸石成分分析的结果24（表2），以及前人对阳泉煤矸石山自燃的研 究，转化为CO的碳约占矸石总量的6%25，少量燃烧残留的碳约占矸石总量的1.09%26。 考虑到矸石山自燃排放有机烃类挥发物质的含量较低，可以假设煤矸石中其余的碳绝大多数 转化为二氧化碳排放，依元素平衡法进行碳排放量和储存量的计算。此外，矸石山压占土地还会影响当地陆地生态系统的碳储量。相关研究表明27-29，不 同土壤中有机碳的储量普遍存在随土层
8、深度增加而逐渐减小的分布规律，而且深层土壤随土 地利用变化的碳储量变化不明显。根据阳泉矿区矸石山修复治理方案在坡面覆0.7m 土层（厚 度为垂直于水平方向土层深度），平台覆1m黄土的设计要求，整理后的矸石山土层厚度已 经超过大多数研究涉及到的0.5m。因此，认为矸石山整治后其土壤在碳储量上的特征与当 地相关研究结果接近，可以类比国内相关研究的结果，对阳泉矿区矸石山覆盖范围的陆地生 态系统中土壤和植被碳储量和碳密度的变化进行估算，并以此与矸石堆存直接带来碳储量和 碳密度相比较。据调查，阳泉矿区的排矸场绝大多数选在荒山荒坡，地表多为野生灌丛覆盖，约占矸石 山占地总面积的90%；占用耕地等已利用土地
9、的较少，仅占排矸场总面积的10%。自然灌丛 土壤碳密度约51.60t/hm2；耕地土壤碳密度约53.75t/hm227。自然灌丛植被碳密度根据胡 会峰等算的山西省灌丛平均植被碳密度6.24t/hm2计28，耕地的植被碳密度按太行山区农 田最高碳密度9.95t/hm2计29。另外，根据高建钰等对阳泉矸石山林业复垦的研究30， 阳泉地区矸石山覆盖黄土复垦后第1年牧草产量可达6t/hm2, 4年后可超过18t/hm2。按 复垦4年的植被生物量近似生态修复后的植被状况，可以根据植被碳密度约等于植被生物 量乘以0.45来计算矸石山生态修复后的植被碳密度31。蝙号_矿二矿三矿四矿五矿碳含量（135430,
10、32240912：留表2阳泉矿区煤矸石含碳量2结果与分析2.1煤矸石的碳储量通过计算可得出，阳泉矿区煤矸石中的碳含量平均为20.58%，转化为CO2的碳约占矸 石总量的13.49%。截至2006年，阳泉矿区矸石山已自燃排放超过3.26Mt碳，暂未排放的 总潜在碳排放量达15.1Mt（以碳当量计，下同）。这个潜在排放量已达到中国森林植物的碳 贮量5156.71Mt的0.3%32。而按煤矸石年排放7Mt计算，每年还将新增潜在碳排放源约 0.94Mt，占我国林业工程建设规划2010年完成时年新增固碳潜力115.46Mt的0.8%32。可以看出，煤矸石山这种特定的土地利用场地由于煤矸石的堆积储存积存了
11、大量的碳， 如果处理不当，将成为巨大的碳源，排放大量CO2。2.2 土壤的碳储量按统计资料，矸石堆放破坏土地面积224.59hm2,则研究区内由于矸石堆放影响的原本 生态系统中土壤碳储量达11637.57t。按矸石山总面积273.56hm2计算，若全部恢复成自然 灌丛，则恢复后矸石山覆盖地区土壤碳储量将达到14115.86t，相比于破坏前的碳储量将增 加 2478.29t。2.3植被的碳储量矸石堆积直接破坏的植被碳储量可达1485.53t。根据植被生物量计算的植被碳密度可知 矸石山生态修复后植被碳密度可以达到8.1t/hm2。阳泉矿区矸石山复垦后植被碳储量将可 达2215.86t，复垦后整体比
12、矸石山堆积前增加碳储量730.33t。2.4矸石山生态修复的效益综合以上结果（表3），矸石山煤矸石的堆存碳密度超过了当地原本自然生态系统碳储 存密度的1000倍。截止到2006年阳泉矿区煤矸石山堆积共造成了当地自然生态系统约 13.12kt的碳损失，带来3.26Mt的碳排放和15.1Mt的潜在碳排放风险。如果通过适当方式 对矸石山进行修复治理，防止煤矸石山自燃的发生，并恢复植被，则可以固定煤矸石所含的 超过15.1Mt以上的碳，同时将减少大量SO2, CO等污染物的排放。生态修复后的煤矸石山 可以增加绿化和造林面积，增加土壤和植被的碳储量，吸收约16.33kt的碳，比矸石堆放前 当地原本的自然
13、生态系统碳储量还可增加约3.21kt。嗾储存美型自黑土坦自然枚被煤肝司未自灿修复后土垠擀皇后柚匿面机位5224.59*206. S327X56Sl.6lf-S.75-顽心2Sl.ria.i,将55村15103颁砒表3阳泉矿区矸石山碳储量计算结果汇总3结论煤矸石的堆积不仅破坏了排矸场原本的土地利用方式，改变了当地的土地覆被和小气候 条件，破坏了土壤和植被，造成初始生态系统中植被和土壤所储存的碳的排放，还通过矿质 残渣的堆存带来了数量巨大的潜在碳排放源。如果不采取适当的整治和修复措施，煤矸石山 存在很高的自燃风险，而一旦发生自燃将排放大量CO2, CO, SO2等污染物，对区域大气 中温室气体浓度
14、和空气质量的影响很大。过去从矸石山污染治理和矿区复垦的角度出发，国内已经有很多关于煤矸石山自燃防治 和复垦技术的研究23-26，相关单位也有很多投入，取得了一些成绩。例如19961998年 阳煤集团和煤科总院杭州环保所开展了 “阳泉煤矸石防治自燃方法的研究”并进行了相关工 作，灭火面积20hm2。目前，阳泉市相关单位也正在对区内的煤矸石山进行防自燃整治和 植被恢复等生态修复工作，近年内初步工作将有望全部完成。但是，我国特殊的能源结构和 煤炭开发利用的历史积累，使我国各地煤矿区积存了大量煤矸石山，其中大多存在自燃排放 二氧化碳及二氧化硫等污染物的风险。改变煤矸石山巨大碳排放源的现状，是亟待解决的
15、， 相关工作应该得到加强。煤矸石山的碳排放问题，与节能减排和土地利用与碳排放这两个方面都有关，目前专门 的研究较少。过去对碳减排，碳捕集与封存的研究也没有考虑到煤矸石山碳储存和高排放风 险的问题，但相信今后该方面工作将得到开展，煤矸石山修复治理将成为我国切实可行且经 济有效的碳减排途径。通过对煤矸石山这种我国数量众多，面积宽广，碳储存量巨大，排放 风险很高的特殊土地利用类型进行整治和修复，将可以储存大量的碳，切实减少我国的碳排 放量。参考文献1 郭李萍，林而达.减缓全球变暖与温室气体吸收汇研究进展J.地球科学进展，1999， 14（4）： 384-390.2 Richards K R， Stokes C. A review of forest carbonsequestration cost studies a dozen years of research J.Climatic Change， 2004， 63： 1-48.3 刘纪远，王绍强，陈镜明，等.1990-2000年中国土壤碳氮蓄积量与土地利用变化J.地理 学报，2004，59（4）： 483-496.4 Houghton R A，Hobbie J E，Meli
