王化齊,李彥娥,孫芳強,劉 江,馬洪云,李成柱
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心(西北地質(zhì)調(diào)查科技創(chuàng)新中心),西安 710054;2.陜西省水資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心,西安 710054)
“雙碳”目標(biāo)是中國一項重大戰(zhàn)略決策,也是推動建設(shè)人類命運共同體的必然選擇。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是以礦區(qū)作業(yè)區(qū)為核心的一個獨特的人工、半人工的特殊生態(tài)系統(tǒng)[1]?;茉吹拈_采過程中的地面、地下工程或多或少會改變區(qū)域的土地利用類型與地表植被覆蓋率變化,對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的擾動,干擾碳庫平衡和生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能,對區(qū)域環(huán)境和碳循環(huán)會產(chǎn)生重要影響。據(jù)研究,美國俄亥俄州因采煤活動導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失了70%,經(jīng)修復(fù)后增加的土壤有機(jī)碳庫容量相當(dāng)于燃煤50 a排放碳量;淮北礦區(qū)已復(fù)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(nèi)外學(xué)者對礦區(qū)碳循環(huán)的研究多集中在礦區(qū)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(qū)復(fù)墾生態(tài)系統(tǒng)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(tài)修復(fù)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(biāo)的實現(xiàn),深入分析礦區(qū)減排增匯的必要性,剖析國內(nèi)外研究進(jìn)展及其存在的問題,有針對性地提出現(xiàn)階段礦區(qū)減排增匯潛力的提升路徑,促進(jìn)礦區(qū)逐漸步入綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展的軌道。
雙碳目標(biāo)是我國一項重要發(fā)展戰(zhàn)略,中央經(jīng)濟(jì)工作會議更是將“要正確認(rèn)識和把握碳達(dá)峰碳中和”列為2022年的重點任務(wù)之一。礦區(qū)又是雙碳目標(biāo)實現(xiàn)的重點區(qū)域,因此,礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵。實現(xiàn)雙碳目標(biāo)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(fā)、能源產(chǎn)品使用過程是碳排放的重要方面。能源產(chǎn)品的使用中的減排,主要是依靠能源結(jié)構(gòu)調(diào)整來進(jìn)行。在其生產(chǎn)和開發(fā)環(huán)節(jié)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(quán)交易的覆蓋范圍,但未來應(yīng)該會逐步納入,排放成本將逐步附加于煤炭產(chǎn)品及企業(yè)。因此,對于能源企業(yè),通過碳監(jiān)測和指標(biāo)管理,測算煤炭生產(chǎn)用能、煤礦瓦斯以及礦后活動的碳排放現(xiàn)狀,提出了能源開發(fā)過程中的減排技術(shù)、新能源代替、產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同等低碳路徑,分析測算減排潛力,實現(xiàn)能源企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展,具有重要的現(xiàn)實意義。
礦山開采過程中或多或少產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)碳匯、工程封存、碳的利用。如期實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),一個重要方面在于提升生態(tài)碳匯能力,鼓勵企業(yè)承擔(dān)國土綠化行動責(zé)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(fā)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(guī)模,抵消企業(yè)一部分碳排量。大多數(shù)礦山企業(yè)在生態(tài)碳匯方面則存在未能深入研究生態(tài)碳匯的相關(guān)規(guī)劃、功能體系和建設(shè)方略(特別是對全周期的礦區(qū)生態(tài)碳匯構(gòu)建研究不足),缺乏對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳機(jī)制和限制性因素等方面系統(tǒng)探索。碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS技術(shù))是指將排放的CO2在生產(chǎn)中進(jìn)行分離并收集,并循環(huán)再利用到生產(chǎn)中或者直接將其封存處理,從而實現(xiàn)碳減排的工業(yè)過程,是實現(xiàn)碳中和、保障能源安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù),但目前碳捕集-利用-封存技術(shù)仍處于研究和試點階段,還未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用。
因此,基于山水林田湖草生命共同體理念,結(jié)合自然生態(tài)地質(zhì)環(huán)境特征,主要考慮水土資源約束,加強碳排放的監(jiān)測與科學(xué)管理,進(jìn)行增匯減排潛力及路徑分析,既符合綠色礦山建設(shè)要求,也是企業(yè)積極參與國際氣候變化應(yīng)對和國家碳匯減排戰(zhàn)略的重要行動內(nèi)容,是企業(yè)實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的一項重要舉措。
(1)礦區(qū)碳循環(huán)
碳元素是形成地球生命至關(guān)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(zhì)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(huán)。這種碳循環(huán),類似的水和氮循環(huán),是地球上生命持續(xù)的一個關(guān)鍵原因。碳循環(huán)或進(jìn)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(jī)體后的降解、釋放再進(jìn)入大氣碳循環(huán)。光合作用和土壤腐殖化過程是碳循環(huán)的主要驅(qū)動力。礦山開發(fā)引起地表植被破壞、上覆巖層移動、土壤質(zhì)地變化,導(dǎo)致碳排和碳匯交織耦合,形成了礦區(qū)特有的碳循環(huán)機(jī)制。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)又通過光合作用、呼吸作用和生物質(zhì)流通與環(huán)境進(jìn)行碳物質(zhì)交換。礦區(qū)碳排放主要是
(2)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯
目前,生態(tài)系統(tǒng)碳匯的評估方法主要有地面調(diào)查、通量觀測、大氣監(jiān)測與反演、模型模擬等。部分學(xué)者對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯開展了深入研究,尤其是針對土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)后的土地進(jìn)行了碳匯儲量和碳匯變化研究,有一些企業(yè)開展了碳匯林建設(shè)。劉祥宏等[5-7]人指出礦區(qū)生態(tài)碳匯損失形式主要包括煤炭開采活動損失、生態(tài)植被建植過程損失和長期條件下生態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險損失等,并針對土壤碳匯和植被碳匯提出煤礦區(qū)生態(tài)碳匯功能提升方法和碳匯損失防控措施,結(jié)果可為煤礦區(qū)生態(tài)碳匯方面的科學(xué)研究與工程建設(shè)提供參考。碳匯的提升路徑主要包括:① 增加生態(tài)系統(tǒng)的輸入,加強生態(tài)保護(hù)措施,例如:擴(kuò)大森林面積、農(nóng)作物輪作、秸稈還田,增加濕地面積,提高凈初級生產(chǎn)力;② 減少生態(tài)系統(tǒng)輸出量。減少土壤呼吸、控制水土流失和淋溶;③ 增加生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,減少人為干擾。
(3)礦區(qū)碳排
目前,針對碳排放的研究主要集中在碳排放的監(jiān)測、評價、管理等方面。碳排放有兩種成熟的統(tǒng)計評價方法,即核算法和連續(xù)在線監(jiān)測法。連續(xù)在線監(jiān)測法可及時、直接獲得碳排放量,并且比核算法獲得的數(shù)據(jù)精度高。核算法是國外主要碳市場和國內(nèi)試點碳市場碳排放主流統(tǒng)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(shù)據(jù)一樣,均要求對連續(xù)在線監(jiān)測獲得的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的第三方核查,包括采用核算法進(jìn)行校驗,以確保碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量。目前,我國七省市試點碳市場均要求管控企業(yè)開展碳排放核算,僅極少數(shù)管控的發(fā)電企業(yè)開展了碳排放連續(xù)在線監(jiān)測??v觀國內(nèi)外,碳排放管理已成為國內(nèi)國外企業(yè)管控新常態(tài),但在理論技術(shù)方法和制度上深度還是不夠。
(1)缺乏碳排、碳匯的科學(xué)監(jiān)測、核算標(biāo)準(zhǔn)
目前,國內(nèi)外在碳排的監(jiān)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(shù)上,沒有形成一種科學(xué)的監(jiān)測、核算標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方法體系,急需要建立健全統(tǒng)一、規(guī)范的碳排放數(shù)據(jù)監(jiān)測計量、核算、報告、核查等技術(shù)規(guī)范體系。生態(tài)系統(tǒng)是個復(fù)雜系統(tǒng),碳匯估算方法多,但仍存在很大的不確定性,尺度轉(zhuǎn)化、評判口徑不一致等問題,因此,缺乏科學(xué)合理統(tǒng)一的評價理論技術(shù)方法。因此,亟需建立碳排、碳匯科學(xué)的評價技術(shù)方法體系。
(2)礦山開發(fā)全流程中碳管理技術(shù)方法仍在探索
碳減排對企業(yè)而言不是簡單的增加減排技術(shù)或關(guān)停產(chǎn)能,而是系統(tǒng)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(chǎn)方式、生活方式、發(fā)展的角度來系統(tǒng)化地思考。這就需要企業(yè)認(rèn)清自身的碳排放和能耗情況,實施礦山開發(fā)全流程的碳管理制度研究的深度,制定應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略,即碳管理戰(zhàn)略。
(3)碳交易等市場經(jīng)濟(jì)機(jī)制的研究深度不夠
2011年10月29日,國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布《關(guān)于開展碳排放權(quán)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(quán)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(fā)電企業(yè)年碳排放總額預(yù)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(shè)上,自下而上,先試點后推廣,先區(qū)域后全國,先現(xiàn)貨后期貨的傳統(tǒng)方式穩(wěn)步推進(jìn)。國內(nèi)碳交易市場在從區(qū)域試點向全國市場的發(fā)展過程中。我國的碳交易市場的發(fā)展仍然面臨一些體制、機(jī)制、監(jiān)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(jìn)展,但急需要探索碳資產(chǎn)管理和碳交易管理的研究深度,以支撐雙碳戰(zhàn)略。
不同的能源結(jié)構(gòu)有不同的碳排放結(jié)果,近年來我國狠抓產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與節(jié)能減排,單位GDP能耗從2010年的0.9062 t標(biāo)煤/萬元下降到2015年的0.6412 t標(biāo)煤/萬元,2020年下降至0.4902 t標(biāo)煤/萬元,節(jié)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(chǎn)業(yè)升級、原料替代、工藝優(yōu)化、資源整合、區(qū)域協(xié)同等舉措,調(diào)整轉(zhuǎn)變重點領(lǐng)域高耗能產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與高排放生產(chǎn)方式,持續(xù)提高能源利用效率和資源循環(huán)利用水平,實現(xiàn)零碳排放或低碳排放,也是我國礦山實現(xiàn)碳中和最重要、最經(jīng)濟(jì)的路徑。以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點,加快推進(jìn)大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地建設(shè),對區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有煤電機(jī)組進(jìn)行升級改造,探索建立送受兩端協(xié)同為新能源電力輸送提供調(diào)節(jié)的機(jī)制,支持新能源電力能建盡建、能并盡并、能發(fā)盡發(fā)。另外,應(yīng)盡可能的降低礦區(qū)開采過程中的碳排放強度,實現(xiàn)礦業(yè)用地節(jié)約集約,減少對周圍敏感地區(qū)的影響。
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(jiān)測,構(gòu)建空天地一體化碳監(jiān)測與評估平臺,融合了衛(wèi)星遙感、物聯(lián)傳感、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù),從衛(wèi)星對地觀測角度,規(guī)定了遙感森林碳指標(biāo)分級體系、森林碳指標(biāo)遙感監(jiān)測產(chǎn)品體系和監(jiān)測技術(shù)體系框架等,可實現(xiàn)時空動態(tài)的碳源碳匯多維度監(jiān)測。生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)田、濕地等不同生態(tài)系統(tǒng)類型的碳匯估算,要從概念內(nèi)涵上統(tǒng)一認(rèn)識;考慮碳匯碳源的轉(zhuǎn)化機(jī)制,注意其動態(tài)評價,最終,建立公認(rèn)的科學(xué)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(zhì)量平衡法及實測法。由于部分地區(qū)的碳排放測算存在著研究方法及數(shù)據(jù)的限制,則需要采用模型估算法進(jìn)行測算。碳排放因子法根據(jù)生產(chǎn)生活所消耗的燃料值與相應(yīng)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(qū)域的整體情況進(jìn)行宏觀把握。質(zhì)量平衡法是基于質(zhì)量守恒定律,針對生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量進(jìn)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(gòu)造符合研究區(qū)實際情況的數(shù)學(xué)模型,采集相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)對研究區(qū)情況進(jìn)行數(shù)學(xué)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(fā)過程中的碳排放過程監(jiān)測和清單閾值管理。分析企業(yè)碳排現(xiàn)狀,根據(jù)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行碳排放的預(yù)測,對標(biāo)企業(yè)碳排的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提出企業(yè)運行過程碳排重要指標(biāo)的監(jiān)測和清單閾值管理制度?;谏芷谠u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(jìn)行比較,構(gòu)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。
礦區(qū)作為碳排放的重要區(qū)域,直接體現(xiàn)人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響,是“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵治理區(qū)域,其國土空間的保護(hù)、開發(fā)利用與“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)密切相關(guān),因此,實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需要落實到國土空間資源的保護(hù)和利用方式上。
(1)在礦區(qū)國土空間規(guī)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(guī)劃中。在掌握碳循環(huán)規(guī)律的基礎(chǔ)上,明確規(guī)定相應(yīng)的碳排放約束條件,鼓勵使用低碳環(huán)保型建設(shè)技術(shù)與建筑材料,引導(dǎo)礦區(qū)向減排增匯的方向發(fā)展。以碳資產(chǎn)價值最大化為目標(biāo),以水土資源為約束,構(gòu)建低碳化國土空間優(yōu)化調(diào)控模型,從礦區(qū)規(guī)劃、土地利用類型調(diào)控等方面建立優(yōu)化調(diào)控的情景集,進(jìn)行仿真模擬,提出不同組合情景下,碳匯提升潛力,促進(jìn)碳源向碳匯轉(zhuǎn)變。
(2)在加強對現(xiàn)有自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的同時,通過礦山生態(tài)修復(fù)工程,對退化的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行重建與修復(fù),增加自然生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。將損毀土地優(yōu)先復(fù)墾為林地、草地、耕地,補償?shù)V區(qū)開采產(chǎn)生的大量碳排。同時也得重視土地復(fù)墾后期管控,實現(xiàn)涵養(yǎng)水源、凈化空氣、保健修養(yǎng)、動物棲息等。因此,在國土空間生態(tài)修復(fù)工作中,要堅持因地制宜、以自然恢復(fù)為主;堅持分類施策,分別采取保育保護(hù)、自然恢復(fù)、輔助修復(fù)、生態(tài)重塑的辦法,應(yīng)對不同的退化、損害和破壞生態(tài)區(qū)域,這樣才能最大程度地發(fā)揮國土空間生態(tài)修復(fù)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(gòu)、植被重建等土地復(fù)墾工程的實施,將礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)“碳源”型用地逐漸向“碳匯”型用地轉(zhuǎn)變[9]。
(3)受水資源與氣候條件的雙重約束,半干旱區(qū)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)建議采取引導(dǎo)型修復(fù)措施,即前期采取適度人工引導(dǎo)、后期以自然恢復(fù)為主,以提升修復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)的自維持能力,促進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自主正向演替,尤其要重視修復(fù)后自然碳匯的穩(wěn)定與提升。人工引導(dǎo)措施主要包括土地整治、環(huán)境整治、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、社會轉(zhuǎn)型等。探索開展“生態(tài)修復(fù)+”模式創(chuàng)新(生態(tài)修復(fù)+碳減排、生態(tài)修復(fù)+碳匯、生態(tài)修復(fù)+可再生、生態(tài)修復(fù)+新能源、生態(tài)修復(fù)+廢棄礦井利用等)以及“漁光互補”、“農(nóng)光互補”、“牧光互補”等綠色低碳產(chǎn)業(yè)新模式,積極布局碳捕捉、封存和利用技術(shù),提升固碳、負(fù)碳能力,為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)及構(gòu)建“生態(tài)文明建設(shè)先行區(qū)”提供有力支撐。
碳交易作為近些年才被提出的一種交易方式,應(yīng)該加強碳交易宣傳以及碳儲量的價值研究。建立相關(guān)的法律法規(guī),促進(jìn)碳匯市場的良性發(fā)展。2011年10月29日,中國國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布《關(guān)于開展碳排放權(quán)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(quán)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(fā)電企業(yè)年碳排放總額預(yù)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(yè)逐步被納入全國碳市場中,碳控排企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,風(fēng)險偏好或?qū)⒅鸩椒只猴L(fēng)險偏好較低的碳控排企業(yè)或更重視碳市場的碳資產(chǎn)管理職能,主要希望借助碳資產(chǎn)管理幫助自身降低履約成本等;風(fēng)險偏好較高的碳控排企業(yè)或更關(guān)注碳市場的交易職能,希望參與套?;蛲稒C(jī)的操作。從碳市場實際作用看,碳交易和碳資產(chǎn)管理是兩大核心職能。
從碳匯、碳減排到碳交易都離不開數(shù)據(jù)的真實性、可靠性和可持續(xù)性,只有這樣才能確保從數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、控制和解決問題。同時也可以防止企業(yè)為短期經(jīng)濟(jì)利益鋌而走險,實現(xiàn)有效的事前監(jiān)管。因此數(shù)據(jù)核心的全流程管理,從數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題,不斷迭代,修正流程和政策管理邊界是關(guān)鍵。
衛(wèi)星對地觀測和數(shù)字地球技術(shù)是空天地一體監(jiān)測碳循環(huán)的重要手段,能為碳中和研究提供高時空分辨率的基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)和分析工具。碳衛(wèi)星、多光譜衛(wèi)星為監(jiān)測溫室氣體濃度提供數(shù)據(jù)支撐;數(shù)字地球技術(shù)綜合全球植被、大氣、氣候數(shù)據(jù),為自然生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供時空分析與可視化展示。
礦區(qū)作為碳排放的重要區(qū)域,是“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵治理區(qū),其減排增匯的潛力挖掘和路徑分析具有重要的戰(zhàn)略意義。目前,本文深入分析了礦區(qū)開發(fā)過程中存在的問題,有針對性地提出加強多能源互補與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、建立科學(xué)的碳監(jiān)測評價和管理體系、構(gòu)建礦區(qū)開發(fā)的低碳國土空間新格局、推動礦區(qū)碳交易、數(shù)字化賦能礦區(qū)雙碳目標(biāo)等低碳提升路徑,支撐“雙碳”目標(biāo)分配、碳排放核算、碳補償決策,促進(jìn)礦區(qū)逐漸步入綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展道路。