“雙碳”目標下礦區減排增匯潛力挖掘及路徑分析

王化齊,李彥娥,孫芳強,劉 江,馬洪云,李成柱

(1.中國地質調查局西安地質調查中心(西北地質調查科技創新中心)，西安 710054;2.陜西省水資源與環境工程技術研究中心,西安 710054)

0 前 言

“雙碳”目標是中國一項重大戰略決策，也是推動建設人類命運共同體的必然選擇。礦區生態系統是以礦區作業區為核心的一個獨特的人工、半人工的特殊生態系統[1]。化石能源的開采過程中的地面、地下工程或多或少會改變區域的土地利用類型與地表植被覆蓋率變化，對生態系統產生一定的擾動，干擾碳庫平衡和生態系統的碳匯功能，對區域環境和碳循環會產生重要影響。據研究，美國俄亥俄州因采煤活動導致土壤有機碳損失了70%，經修復后增加的土壤有機碳庫容量相當于燃煤50 a排放碳量；淮北礦區已復墾1.05萬hm2受損土地面積，年CO2吸收量可增加16.8×104t。

目前，國內外學者對礦區碳循環的研究多集中在礦區不同土地利用類型的碳匯評估及時空變化[1-3]、碳排放測算[4-5]、礦區復墾生態系統價值[6]等方面，也取得了一些有借鑒意義的成果，但從宏觀尺度對礦山生態修復減排增匯路徑和潛力挖掘研究的深度仍然不夠。因此，本文圍繞“雙碳”目標的實現，深入分析礦區減排增匯的必要性，剖析國內外研究進展及其存在的問題，有針對性地提出現階段礦區減排增匯潛力的提升路徑，促進礦區逐漸步入綠色、低碳和可持續發展的軌道。

1 礦區減排增匯研究的緊迫性

雙碳目標是我國一項重要發展戰略，中央經濟工作會議更是將“要正確認識和把握碳達峰碳中和”列為2022年的重點任務之一。礦區又是雙碳目標實現的重點區域，因此，礦山企業轉型發展是實現雙碳目標的關鍵。實現雙碳目標就必須做好碳的加減法，也就是做好減排增匯工作。

能源開發、能源產品使用過程是碳排放的重要方面。能源產品的使用中的減排，主要是依靠能源結構調整來進行。在其生產和開發環節中的碳排放在整個煤炭的碳排放鏈中的占比較低，但其絕對值較大，暫時還未納入碳排放權交易的覆蓋范圍，但未來應該會逐步納入，排放成本將逐步附加于煤炭產品及企業。因此，對于能源企業，通過碳監測和指標管理，測算煤炭生產用能、煤礦瓦斯以及礦后活動的碳排放現狀，提出了能源開發過程中的減排技術、新能源代替、產業集群協同等低碳路徑，分析測算減排潛力，實現能源企業的轉型發展，具有重要的現實意義。

礦山開采過程中或多或少產生碳排放，同時也會擾動或者損毀土地，破壞地表原有植被造成碳儲量部分喪失或全部喪失。碳吸收主要包括生態系統碳匯、工程封存、碳的利用。如期實現碳達峰、碳中和目標，一個重要方面在于提升生態碳匯能力，鼓勵企業承擔國土綠化行動責任，增強植物光合作用、挖掘提升土壤和植物固碳能力，有效發揮森林、草原、濕地、海洋、土壤和凍土的固碳作用，以增加碳匯規模，抵消企業一部分碳排量。大多數礦山企業在生態碳匯方面則存在未能深入研究生態碳匯的相關規劃、功能體系和建設方略(特別是對全周期的礦區生態碳匯構建研究不足)，缺乏對礦區生態系統的固碳機制和限制性因素等方面系統探索。碳捕集、利用與封存技術(CCUS技術)是指將排放的CO2在生產中進行分離并收集，并循環再利用到生產中或者直接將其封存處理，從而實現碳減排的工業過程，是實現碳中和、保障能源安全和實現可持續發展的重要技術，但目前碳捕集-利用-封存技術仍處于研究和試點階段，還未達到商業化應用。

因此，基于山水林田湖草生命共同體理念，結合自然生態地質環境特征，主要考慮水土資源約束，加強碳排放的監測與科學管理，進行增匯減排潛力及路徑分析，既符合綠色礦山建設要求，也是企業積極參與國際氣候變化應對和國家碳匯減排戰略的重要行動內容，是企業實現雙碳目標的一項重要舉措。

2 礦區碳匯、碳排的研究進展及存在問題

2.1 礦區碳循環的研究進展

(1)礦區碳循環

碳元素是形成地球生命至關重要的元素，是所有生物、包括人體中僅次于氧的第二富有元素，約占人體質量的18.5%。碳元素存在于空氣、土壤、海洋、礦藏、動植物中，并且不斷地循環。這種碳循環，類似的水和氮循環，是地球上生命持續的一個關鍵原因。碳循環或進入大氣、或停留或積累在地球上的土壤、沉積巖或化石沉積物礦藏中，或溶解在海洋中，然后又通過自然沉積的侵蝕或形成各種有機體后的降解、釋放再進入大氣碳循環。光合作用和土壤腐殖化過程是碳循環的主要驅動力。礦山開發引起地表植被破壞、上覆巖層移動、土壤質地變化，導致碳排和碳匯交織耦合，形成了礦區特有的碳循環機制。礦區生態系統的碳匯主要包括植被碳匯和土壤碳匯兩個部分。植被和土壤碳匯系統又通過光合作用、呼吸作用和生物質流通與環境進行碳物質交換。礦區碳排放主要是

(2)礦區生態系統碳匯

目前，生態系統碳匯的評估方法主要有地面調查、通量觀測、大氣監測與反演、模型模擬等。部分學者對礦區生態系統碳匯開展了深入研究，尤其是針對土地復墾、生態修復后的土地進行了碳匯儲量和碳匯變化研究，有一些企業開展了碳匯林建設。劉祥宏等[5-7]人指出礦區生態碳匯損失形式主要包括煤炭開采活動損失、生態植被建植過程損失和長期條件下生態穩定風險損失等，并針對土壤碳匯和植被碳匯提出煤礦區生態碳匯功能提升方法和碳匯損失防控措施，結果可為煤礦區生態碳匯方面的科學研究與工程建設提供參考。碳匯的提升路徑主要包括：① 增加生態系統的輸入，加強生態保護措施，例如：擴大森林面積、農作物輪作、秸稈還田，增加濕地面積，提高凈初級生產力；② 減少生態系統輸出量。減少土壤呼吸、控制水土流失和淋溶；③ 增加生態系統穩定性，減少人為干擾。

(3)礦區碳排

目前，針對碳排放的研究主要集中在碳排放的監測、評價、管理等方面。碳排放有兩種成熟的統計評價方法，即核算法和連續在線監測法。連續在線監測法可及時、直接獲得碳排放量，并且比核算法獲得的數據精度高。核算法是國外主要碳市場和國內試點碳市場碳排放主流統計方法。無論是歐盟碳市場，還是美國加州、RGG碳市場，與核算獲得的碳排放數據一樣，均要求對連續在線監測獲得的碳排放數據進行嚴格的第三方核查，包括采用核算法進行校驗，以確保碳排放數據質量。目前，我國七省市試點碳市場均要求管控企業開展碳排放核算，僅極少數管控的發電企業開展了碳排放連續在線監測。縱觀國內外，碳排放管理已成為國內國外企業管控新常態，但在理論技術方法和制度上深度還是不夠。

2.2 “雙碳”目標下的礦山開發中存在問題

(1)缺乏碳排、碳匯的科學監測、核算標準

目前，國內外在碳排的監測和估算方面，取得了一些有價值的研究成果，但在理論技術上，沒有形成一種科學的監測、核算標準和技術方法體系，急需要建立健全統一、規范的碳排放數據監測計量、核算、報告、核查等技術規范體系。生態系統是個復雜系統，碳匯估算方法多，但仍存在很大的不確定性，尺度轉化、評判口徑不一致等問題，因此，缺乏科學合理統一的評價理論技術方法。因此，亟需建立碳排、碳匯科學的評價技術方法體系。

(2)礦山開發全流程中碳管理技術方法仍在探索

碳減排對企業而言不是簡單的增加減排技術或關停產能，而是系統化地實施碳管理。碳中和是零碳過程，是抵消的過程，需要從生產方式、生活方式、發展的角度來系統化地思考。這就需要企業認清自身的碳排放和能耗情況，實施礦山開發全流程的碳管理制度研究的深度，制定應對氣候變化的戰略，即碳管理戰略。

(3)碳交易等市場經濟機制的研究深度不夠

2011年10月29日，國家發展與改革委員會發布《關于開展碳排放權交易試點工作的通知》，同意北京市、天津市、上海市、重慶市、湖北省、廣東省及深圳市開展碳排放權交易試點。2021年7月中國碳市場正式開市，首批納入的2225家發電企業年碳排放總額預計超過40億t，占全國年碳排放總量的40%左右。我國在碳市場體系建設上，自下而上，先試點后推廣，先區域后全國，先現貨后期貨的傳統方式穩步推進。國內碳交易市場在從區域試點向全國市場的發展過程中。我國的碳交易市場的發展仍然面臨一些體制、機制、監管和激勵方面的障礙。目前，碳交易的研究取得了一些初步進展，但急需要探索碳資產管理和碳交易管理的研究深度，以支撐雙碳戰略。

3 礦區減排增匯的潛力挖掘及路徑分析

3.1 加強多能源互補與能源開發結構優化

不同的能源結構有不同的碳排放結果，近年來我國狠抓產業結構調整與節能減排，單位GDP能耗從2010年的0.9062 t標煤/萬元下降到2015年的0.6412 t標煤/萬元，2020年下降至0.4902 t標煤/萬元，節能成效顯著。但是我國2017年的能源強度是世界平均水平的1.8倍、美國的2.5倍、歐盟的3.3倍、日本的4.3倍，差距很大，因此，能源利用效率仍有很大的提升空間。通過產業升級、原料替代、工藝優化、資源整合、區域協同等舉措，調整轉變重點領域高耗能產業結構與高排放生產方式，持續提高能源利用效率和資源循環利用水平，實現零碳排放或低碳排放，也是我國礦山實現碳中和最重要、最經濟的路徑。以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點，加快推進大型風電、光伏發電基地建設，對區域內現有煤電機組進行升級改造，探索建立送受兩端協同為新能源電力輸送提供調節的機制，支持新能源電力能建盡建、能并盡并、能發盡發。另外，應盡可能的降低礦區開采過程中的碳排放強度，實現礦業用地節約集約，減少對周圍敏感地區的影響。

3.2 建立科學的碳監測、評價和清單管理體系

為確保凈碳匯量的透明性、可測定性和可核查性，必須加強碳匯監測，構建空天地一體化碳監測與評估平臺，融合了衛星遙感、物聯傳感、大數據、云計算等技術，從衛星對地觀測角度，規定了遙感森林碳指標分級體系、森林碳指標遙感監測產品體系和監測技術體系框架等，可實現時空動態的碳源碳匯多維度監測。生態系統碳匯目前的評價方法較多，有土壤碳匯、植被固碳的碳匯；林地、農田、濕地等不同生態系統類型的碳匯估算，要從概念內涵上統一認識；考慮碳匯碳源的轉化機制，注意其動態評價，最終，建立公認的科學的碳匯評價體系。

目前，碳排放的測算方法主要包括“碳核算”及“碳估算”兩大類。碳核算主要包括：排放因子法、質量平衡法及實測法。由于部分地區的碳排放測算存在著研究方法及數據的限制，則需要采用模型估算法進行測算。碳排放因子法根據生產生活所消耗的燃料值與相應的CO2排放量的總和來計算，通常用于國家、省、市等較為宏觀的核算層面，粗略對特定區域的整體情況進行宏觀把握。質量平衡法是基于質量守恒定律，針對生產過程中的二氧化碳排放量進行定量分析。實測法是通過采集排放氣體，并測量其流速、流量、濃度等，從而計算氣體的排放總量。碳估算主要是通過構造符合研究區實際情況的數學模型，采集相關關鍵參數對研究區情況進行數學模擬的一種方法，主要有F-carbon模型、COMAP模型、TEM模型等。

加強礦山開發過程中的碳排放過程監測和清單閾值管理。分析企業碳排現狀，根據企業發展規劃進行碳排放的預測，對標企業碳排的行業標準，提出企業運行過程碳排重要指標的監測和清單閾值管理制度。基于生命周期評價方法，通過對液化天然氣、煤制天然氣、管輸天然氣等全生命周期過程的CO2排放清單進行比較，構建煤制天然氣全生命周期碳排放核算模型[8]，并提出“低碳”途徑。

3.3 構建低碳型礦區開發的國土空間新格局

礦區作為碳排放的重要區域，直接體現人類活動對生態系統的影響，是“雙碳”目標達成的關鍵治理區域，其國土空間的保護、開發利用與“雙碳”目標的實現密切相關，因此，實現“雙碳”目標需要落實到國土空間資源的保護和利用方式上。

(1)在礦區國土空間規劃編制和用途管制中，提出必要的減排增匯的制度保障，融入國土空間規劃中。在掌握碳循環規律的基礎上，明確規定相應的碳排放約束條件，鼓勵使用低碳環保型建設技術與建筑材料，引導礦區向減排增匯的方向發展。以碳資產價值最大化為目標，以水土資源為約束，構建低碳化國土空間優化調控模型，從礦區規劃、土地利用類型調控等方面建立優化調控的情景集，進行仿真模擬，提出不同組合情景下，碳匯提升潛力，促進碳源向碳匯轉變。

(2)在加強對現有自然生態系統保護的同時，通過礦山生態修復工程，對退化的生態系統進行重建與修復，增加自然生態系統的固碳能力。將損毀土地優先復墾為林地、草地、耕地，補償礦區開采產生的大量碳排。同時也得重視土地復墾后期管控，實現涵養水源、凈化空氣、保健修養、動物棲息等。因此，在國土空間生態修復工作中，要堅持因地制宜、以自然恢復為主；堅持分類施策，分別采取保育保護、自然恢復、輔助修復、生態重塑的辦法，應對不同的退化、損害和破壞生態區域，這樣才能最大程度地發揮國土空間生態修復對增強國土空間的碳匯能力的作用。通過地貌重塑、土壤重構、植被重建等土地復墾工程的實施，將礦區生態系統內“碳源”型用地逐漸向“碳匯”型用地轉變[9]。

(3)受水資源與氣候條件的雙重約束，半干旱區礦區生態修復建議采取引導型修復措施，即前期采取適度人工引導、后期以自然恢復為主，以提升修復后生態系統的自維持能力，促進或實現礦區生態系統的自主正向演替，尤其要重視修復后自然碳匯的穩定與提升。人工引導措施主要包括土地整治、環境整治、產業轉型、社會轉型等。探索開展“生態修復+”模式創新(生態修復+碳減排、生態修復+碳匯、生態修復+可再生、生態修復+新能源、生態修復+廢棄礦井利用等)以及“漁光互補”、“農光互補”、“牧光互補”等綠色低碳產業新模式，積極布局碳捕捉、封存和利用技術，提升固碳、負碳能力，為實現“碳達峰、碳中和”戰略目標及構建“生態文明建設先行區”提供有力支撐。

3.4 通過碳交易推動礦區開發的“公平與效益”

碳交易作為近些年才被提出的一種交易方式，應該加強碳交易宣傳以及碳儲量的價值研究。建立相關的法律法規，促進碳匯市場的良性發展。2011年10月29日，中國國家發展與改革委員會發布《關于開展碳排放權交易試點工作的通知》，同意北京市、天津市、上海市、重慶市、湖北省、廣東省及深圳市開展碳排放權交易試點。中國碳市場于2021年7月正式開市，首批納入的2225家發電企業年碳排放總額預計超過40億t，占全國年碳排放總量的40%左右。隨著鋼鐵、有色、造紙等行業逐步被納入全國碳市場中，碳控排企業規模不斷擴大，風險偏好或將逐步分化：風險偏好較低的碳控排企業或更重視碳市場的碳資產管理職能，主要希望借助碳資產管理幫助自身降低履約成本等；風險偏好較高的碳控排企業或更關注碳市場的交易職能，希望參與套保或投機的操作。從碳市場實際作用看，碳交易和碳資產管理是兩大核心職能。

3.5 建立碳數智技術賦能礦區全周期碳管理機制

從碳匯、碳減排到碳交易都離不開數據的真實性、可靠性和可持續性，只有這樣才能確保從數據發現、控制和解決問題。同時也可以防止企業為短期經濟利益鋌而走險，實現有效的事前監管。因此數據核心的全流程管理，從數據發現問題，不斷迭代，修正流程和政策管理邊界是關鍵。

衛星對地觀測和數字地球技術是空天地一體監測碳循環的重要手段，能為碳中和研究提供高時空分辨率的基礎觀測數據和分析工具。碳衛星、多光譜衛星為監測溫室氣體濃度提供數據支撐；數字地球技術綜合全球植被、大氣、氣候數據，為自然生態系統碳收支提供時空分析與可視化展示。

4 結 語

礦區作為碳排放的重要區域，是“雙碳”目標實現的關鍵治理區，其減排增匯的潛力挖掘和路徑分析具有重要的戰略意義。目前，本文深入分析了礦區開發過程中存在的問題，有針對性地提出加強多能源互補與結構優化、建立科學的碳監測評價和管理體系、構建礦區開發的低碳國土空間新格局、推動礦區碳交易、數字化賦能礦區雙碳目標等低碳提升路徑，支撐“雙碳”目標分配、碳排放核算、碳補償決策，促進礦區逐漸步入綠色、低碳和可持續發展道路。