淮南塌陷区煤矸石充填复垦的碳减排效益

高晓云 陈 萍

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001）

淮南塌陷区煤矸石充填复垦的碳减排效益

高晓云 陈 萍

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001）

以淮南矿区塌陷区煤矸石充填复垦为例，计算了煤矸石堆存带来的潜在碳排放量、矸石山侵占土地生态系统碳储量变化及塌陷区生态系统碳储量变化。结果表明，淮南矿区煤矸石山堆存碳密度远远超过了其覆盖的当地原本自然生态系统碳储存密度，二氧化碳排放潜在风险很高。煤矸石充填复垦，能固定煤矸石中的大量的碳，还可以增加塌陷区生态系统的碳储量，有着很好的碳减排效益。

煤矸石 塌陷区 充填复垦 碳减排

我国共有煤矸石山超过1500座，矸石积存量超过35亿t，占地面积约2.2万hm2。大量煤矸石的堆积破坏了大片土地，加上煤矸石自身的高含碳量和自燃风险，地表煤矸石山堆积导致的陆地生态系统碳储量变化不容忽视。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，但是关于煤矸石山、塌陷区复垦与碳排放相互关系的研究至今还没有报道。本文以淮南矿区矸石山的煤矸石堆积带来的碳储量变化为例，计算煤矸石山的潜在碳排放量以及造成的当地生态系统碳储量的变化。通过对矸石山碳排放风险和矸石充填复垦碳储存效益的分析，促进我国矸石山修复治理和塌陷区复垦工作的开展，减少碳的排放。

1 研究区概况

淮南市地处安徽省中北部、淮河中游，煤炭资源丰富。淮南市煤炭资源的远景储量达444亿t，已探明储量153.6亿t，占安徽省的63%、华东地区的32%。淮南市煤炭不仅储量丰富，而且煤质优良，属以气煤为主的多品种优质炼焦及动力用煤，被誉为华东的“工业粮仓”。

然而在煤炭工业迅速发展的同时，淮南环境也遭到严重破坏，煤矸石的堆积不仅占用了大量土地，而且破坏了土壤和植被，造成初始生态系统中植被和土壤所储存的碳的排放。据统计，淮南矿区因采煤而造成的地面塌陷面积10150hm2。

2011年淮南矿区煤炭产量约8000万t，按开采万吨煤塌陷率0.11hm2（淮南矿区开采万吨煤塌陷率0.11hm2～0.27hm2）计算，每年造成的地面塌陷面积880hm2。根据淮南煤炭开发规划分析，到2135年，采煤沉陷地将增加到58448hm2，其中可耕地面积将减少46.75%，园林面积将减少46.29%。

另据统计，淮南矿区有矸石山34座，累计堆存岩矸约3000万t，占地面积约621hm2，占淮南固体废弃物总面积的46.7%。

2 计算方法

2.1 煤矸石含碳量

通过实验测定煤矸石中碳含量，以此计算淮南矿区矸石山中总含碳量。

采用重铬酸钾容量法测定煤矸石中的碳含量。在加热的条件下，煤矸石中有机碳被过量的重铬酸钾－硫酸溶液氧化，重铬酸钾中六价铬（Cr6＋）被还原为三价铬（Cr3＋），其含量与样品中有机碳的含量成正比，于585nm波长处测定吸收光度，根据三价铬的含量计算煤矸石的有机碳含量。

表1 淮南矿区煤矸石山碳含量测定表

在淮南矿区李一矿、谢一矿、新庄孜矿、潘一矿、潘三矿和顾桥矿矸石山取样15件，于安徽理工大学环境实验室进行碳含量测定，结果见表1。

2.2 植被碳密度

自然灌丛植被碳密度根据胡会峰等算的安徽省灌丛平均植被碳密度11.01t／hm2。按复垦4年的植被生物量近似生态修复后的植被状况，也可以根据植被碳密度约等于植被生物量乘以0.45来计算塌陷区生态修复后的植被碳密度。

2.3 植物固碳能力测定

采用CI－340便携式光合作用测定仪测定植物光合速率，然后代入式1、2、3中可计算出植物单位叶面积的固碳能力、复垦区植被年总固碳量。

在植物的光合作用日变化曲线中，其同化量是净光合速率曲线和时间横轴围合的面积。以此为基础，设净同化量为P，各种植物在测定当日的净同化量计算公式为：

式中：P——测定日的净同化总量（8：00－18：00日净同化总量），mmol／m2s）；

Pi——初测点的瞬时光合作用速率；

Pi＋1——下一测点的瞬时光合作用速率，μmol／m2s；

ti——初测点的瞬时时间；

ti＋1——下一测点的时间；

j——测试次数。

用测定日的同化总量换算为测定日固定碳量为：

式中：WC——单位面积的叶片固定碳的质量，g／m2s；

12——碳的摩尔质量。

经实测大通、潘一矿及新庄孜矿塌陷复垦区植被固碳能力，测定的植物如表2所示，计算得植被单位叶面积的平均固碳能力2.52×10－5g／m2s。

计算一年内复垦区植被的总固碳量时要引入叶面积指数ILAI，指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。

式中：Q——总固碳量；

S——复垦区面积，m2；

ILAI——叶面积指数，取值3（一般为3～10）；2180——淮南地区年均日照时数，h。

表2 测定光合速率的植物种类

3 结果与分析

3.1 煤矸石的碳储量

通过计算可得出，淮南矿区煤矸石中的碳含量平均为14.2%。目前，淮南矿区煤矸石堆存量约3000万t，折合潜在碳排放源426万t。而按煤矸石年排放700万t计算，每年还将新增潜在碳排放源约99.4万t，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0.86%。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大量的碳，如果处理不当，将成为巨大的碳源，排放大量CO2。

3.2 植被的固碳量

矸石堆积直接破坏的植被碳储量可达6837.2t。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11.01t／hm2。淮南矿区塌陷区矸石充填复垦后植被碳储量将可达118588.7t。通过计算可知，复垦区生态恢复后植被每年通过光合作用吸收碳量达6万t，同时释放大量O2。

3.3 塌陷区煤矸石充填复垦的效益

淮南矿区矸石充填复垦碳储量计算结果见表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420倍。截止到2010年，淮南矿区煤矸石山堆积造成426万t的潜在碳排放风险。如果通过矸石充填复垦方式对矸石山进行治理，防止煤矸石山自燃的发生，并恢复塌陷区和矸石山侵占地植被，则可以固定4378588.7t以上的碳。生态修复后的煤矸石山和塌陷区可以增加绿化和造林面积，增加土壤和植被的碳储量。

表3 淮南矿区矸石充填复垦碳储量计算结果汇总

4 结语

煤矸石的堆积和采煤塌陷都是煤炭开采导致的严重环境问题，亟待解决。煤矸石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，而且煤矸石的堆存还带来了数量巨大的潜在碳排放源。煤矸石塌陷区充填复垦解决了煤矸石山巨大潜在碳排放源，同时恢复了矸石山侵占地和塌陷区的生态坏境。今后，应加强煤矸石山的碳排放、节能减排和土地利用与碳排放等方面的研究，煤矸石塌陷区充填复垦将成为我国切实可行且经济有效的碳减排途径。通过对煤矸石山和塌陷区进行整治和修复，将可以储存大量的碳，切实减少我国的碳排放量。

今后还可以研究如何筛选出适宜采煤沉陷复垦区碳减排的优势植物物种及建立碳减排的最佳植物群落组合。根据不同季节植物单位面积的固碳释氧能力大小，筛选出适宜采煤沉陷复垦区环境生长的优势植物物种，建立能产生最大碳减排生态效益的乔灌木复合景观植物组合。

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Carbon emission reduction benefits of coal gangue filling reclamation in Huainan coal mining subsidence area

Gao Xiaoyun，Chen Ping
（School of Earth ＆Environmental Sciences，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Taking ecosystem in Huainan mining area as an example，potential carbon emission from coal gangue dumps and consequential change of carbon storage were：measured.Results showed that carbon density of coal gangue dumps in Huainan was 420times higher than original local ecosystem，the potential risk of carbon dioxide emissions is very high.Coal gangue filling reclamation，can fixed coal gangue a large number of carbon.Filling reclamation with coal gangue dumps can be of great benefit in reducing carbon emissions.

subsided land，coal gauge，filling reclamation，carbon emission reduction

TD993

A

高晓云（1986－），女，安徽合肥人，在读研究生，从事矿山生态环境治理方面研究。

（责任编辑 张大鹏）