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   作者：張毅

    礦區(qū)土地復(fù)墾改變了礦區(qū)土地利用方式，而土地利用覆被變化被視為全球氣候變化的重要人為驅(qū)動(dòng)力。國(guó)際上關(guān)注最多的是伐林農(nóng)墾、土地覆被變化和城市化等人類(lèi)行為的影響，而對(duì)土地整治、土地復(fù)墾活動(dòng)對(duì)碳效應(yīng)研究很少。侯湖平、張紹良等人研究證明了礦區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NetPrimary Productivity，NPP)對(duì)采礦活動(dòng)反應(yīng)敏感，煤炭開(kāi)采活動(dòng)將導(dǎo)致礦區(qū)植被碳儲(chǔ)量和土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的明顯降低。徐占軍、張紹良等人口進(jìn)一步分析氣候、采礦活動(dòng)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，揭示了采礦活動(dòng)對(duì)NPP影響機(jī)理。Anderson J D等人分析了復(fù)墾對(duì)土壤碳含量的影響，多個(gè)礦區(qū)的分析結(jié)果表明復(fù)墾土壤中含有大量有機(jī)碳甚至大于未受擾動(dòng)土壤中的含量，有較強(qiáng)碳吸收能力。然而對(duì)土地復(fù)墾的碳減排效果的定量研究則不多，僅集中于煤矸石充填復(fù)墾的碳減排效果方面，如對(duì)恢復(fù)矸石山壓占地植被覆蓋的植被碳儲(chǔ)存效果簡(jiǎn)單測(cè)算等，而沒(méi)有探討其它用途復(fù)墾所產(chǎn)生的碳效應(yīng)。Amichev B Y等人測(cè)算過(guò)礦區(qū)林地復(fù)墾的碳封存潛力，但僅分析了林地復(fù)墾中林木碳吸收的顯著性。

    關(guān)于碳排放測(cè)度方法，主要有兩類(lèi)：一是基于靜態(tài)氣室法、渦渡相關(guān)法、光合儀測(cè)定等的碳通量直接測(cè)量；二是根據(jù)實(shí)地樣本采集、已有普查統(tǒng)計(jì)資料、遙感解譯模擬等獲得數(shù)據(jù)，通過(guò)建立模型間接測(cè)算。對(duì)此，本文在綜合現(xiàn)有農(nóng)地、林地、濕地、草地等碳源碳匯模型的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)墾前后土地C02吸收量進(jìn)行測(cè)算，通過(guò)礦區(qū)復(fù)墾前后碳吸收能力的差異來(lái)評(píng)估復(fù)墾的碳減排潛力，然后以淮北礦區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證分析。

1  研究區(qū)概況

    淮北礦區(qū)位于安徽省北部，介于東經(jīng)115。58'～117°12 ’、北緯33°20’～34。28'之間。礦區(qū)東西長(zhǎng)約140km，南北寬約llOkm，面積9600km2，其中含煤面積約4100km2。據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)采煤造成的塌陷土地達(dá)2×104hm2。截至2013年，礦區(qū)累計(jì)復(fù)墾面積約為1.05×l04hm2。復(fù)墾前后各用地類(lèi)型詳細(xì)面積情況見(jiàn)表1，其中煤矸石充填復(fù)墾

面積約2.3×l03 hm2，占總復(fù)墾面積的21.9%，填充煤矸石累計(jì)使用量約3. 78×l010kg。

2測(cè)度模型

    不同用地方式間碳匯能力存在明顯差異，而且同一利用方式的土地因其區(qū)位、土壤、管理方式等的不同碳匯能力也不同。正是這種差異性，使得礦區(qū)損毀土地復(fù)墾前后不同用途單位面積的碳匯能力（碳源視為負(fù)的碳匯）會(huì)有一個(gè)△i的變化（i=1，2，…，14，表示不同用地類(lèi)型），如圖1所示。那么土地復(fù)墾總體碳減排效果測(cè)度模型可用式(1)表示：

式中：△C為復(fù)墾前后碳匯差異總量；△i第i類(lèi)不同用地類(lèi)型間單位面積碳匯增量；Si第i類(lèi)不同用地類(lèi)型間轉(zhuǎn)換面積�？紤]各類(lèi)型用地轉(zhuǎn)換面積統(tǒng)計(jì)的不確定性，可將式(1)轉(zhuǎn)化為式(2)，其中Ca為復(fù)墾后區(qū)域碳匯總量；Cb為復(fù)墾前區(qū)域碳匯總量。Ca可通過(guò)對(duì)復(fù)墾前區(qū)域常年積水區(qū)、荒草地、蘆葦濕地、耕地、廢棄地等各類(lèi)型用地CO2固定量求和得到，Cb則可通過(guò)對(duì)復(fù)墾后區(qū)域林地、魚(yú)塘、耕地、建設(shè)用地等各類(lèi)型用地C02固定量的求和得到。

2.1耕地碳匯測(cè)算模型

    耕地主要通過(guò)農(nóng)作物的光合作用將大氣中的碳同化為有機(jī)碳固定在植物體內(nèi)，植被固定的碳量的估算常采用作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量一生物量一含碳量的計(jì)算模型，其計(jì)算公式如式(3)所示。

式中：Cd指農(nóng)作物生育期C02吸存總量（光合作用一呼吸作用），kg; Cd指i類(lèi)農(nóng)作物的CO2吸存量，kg;Ci指i類(lèi)農(nóng)作物的含碳率；Pi指i類(lèi)農(nóng)作物的產(chǎn)量，kg；Vi指i類(lèi)農(nóng)作物果實(shí)的含水率；Ri指i類(lèi)農(nóng)作物的根冠比；Hi指i類(lèi)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)；44／12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)即C02分子量與C分子量之比。各作物含碳率、含水率、根冠比、經(jīng)濟(jì)系數(shù)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

農(nóng)地在利用過(guò)程中的碳源效應(yīng)也不可忽視。碳源類(lèi)型可以歸納為：農(nóng)藥、農(nóng)膜、化肥生產(chǎn)和使用過(guò)程中直接或間接引起的碳排放；農(nóng)業(yè)機(jī)械使用時(shí)柴油消耗引起的碳排放；灌溉過(guò)程因電能的消耗間接引起的碳排放。據(jù)相關(guān)研究，各類(lèi)碳源的碳排放系數(shù)分別為：農(nóng)藥4.9341kg/kg、農(nóng)膜5.18kg/kg、化肥0.8956kg/kg、柴油0.5927kg/kg，可見(jiàn)，該類(lèi)碳釋放總量與其使用量有線(xiàn)性關(guān)系，可采用式計(jì)算。

式中：Cr指農(nóng)地C02釋放總量，kg;Ai指各類(lèi)碳源的使用總量，kg;δi指各類(lèi)碳源的碳排放系數(shù)。

    現(xiàn)有研究表明水稻田在水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，腐殖質(zhì)等在微生物厭氧作用下會(huì)釋放CH4氣體，《省級(jí)溫室氣體排放清單指南》中單季稻生育期內(nèi)CH4排放量的推薦數(shù)值為215. 5kg/hm2。CH4與C02雖同為溫室氣體，但兩種氣體的溫室效應(yīng)存在顯著差異，據(jù)IPCC第二次評(píng)估報(bào)告，CH4氣體是CO2氣體的25倍。鑒于CH4氣體的增溫能力，可將CH4釋放量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同等增溫效果的C02當(dāng)量，具體見(jiàn)式(5)。

式中：Cδ指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的C02當(dāng)量，kg;S指稻田種植面積，hm2；p指CH4氣體排放系數(shù)，取值排放清單中推薦數(shù)值即215. 5kg／hm2；25為CH4與當(dāng)量C02的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

    綜上，農(nóng)地C02吸收總量與C02釋放總量的差值即為農(nóng)地年可從大氣中固定的CO2固定總量。具體公式為式(6)。

式中：Ea指農(nóng)地年可從大氣中吸存的C02總量，kg；Cd指農(nóng)作物生育期CO2吸存總量，kg;Cr指農(nóng)地C02釋放總量，kg；Ca指稻田考慮CH4釋放而排除的同等增溫效果的C02當(dāng)量，kg。

2.2林地碳匯測(cè)算模型

    林地C02固定總量采用林木年凈增長(zhǎng)生物量中的含碳總量估算�？梢詫�(shí)地統(tǒng)計(jì)所得林地林木蓄積量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)蓄積量與林木密度的乘積估算林木樹(shù)干生物量，再根據(jù)樹(shù)干生物量占活立木總生物量的比例推算出林木總生物量，進(jìn)而估算C02固定總量，具體測(cè)算公式見(jiàn)式(7)。

式中：Eβ指林地CO2固定總量，kg;V1指林木蓄積量，m3；pi指樹(shù)干密度，kg／m3；Ri指林木總生物量中樹(shù)干生物量所占比例；fi指林木含碳率；44／12指C與CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)。由于研究條件的限制，林木總生物量中樹(shù)干生物量所占比例R值參考了王效科等的已有研究成果。其對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物量分配結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后得出R的均值為0. 5183。林木樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)根等器官含碳率的不同使林木含碳率的確定變得極為困難，故采用GEF中國(guó)林業(yè)溫室氣體清單課題組的研究成果0.5作為平均含碳率。

2.3草地碳匯測(cè)算模型

    草地CO2年吸收量的估算與農(nóng)作物C02吸收量估算基本原理一致，即通過(guò)草地植被年凈增長(zhǎng)生物量估算。通過(guò)草地植被年經(jīng)生長(zhǎng)生物量乘以草類(lèi)平均含碳率進(jìn)行估算，具體計(jì)算公式為式(8)。

式中：Ey指草地年吸收CO2總量，kg;Mg指草類(lèi)年凈生長(zhǎng)生物量，kg;fw指草類(lèi)平均含碳率，本次采用研究中常用值0. 45；44／12指C與C02轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.4濕地碳匯測(cè)算模型

    濕地C02年吸收量的估算與草地C02年吸收量估算模型有一定差別，因?yàn)闈竦貢?huì)釋放一定量的CH4氣體。據(jù)Matthews測(cè)定結(jié)果，全球5.3×1012 m2的濕地CH4年釋放量為110 Tg。因而在估算濕地C02年吸收總量時(shí)也應(yīng)將CH4釋放量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同等增溫效果的C02當(dāng)量，具體計(jì)算公式如式(9)。

式中：Ea指濕地C02年吸收總量，kg；Mw指濕地植被年凈生長(zhǎng)生物量，kg; fw￡_指濕地植被平均含碳率取值0. 45；44／12指C與C02轉(zhuǎn)化系數(shù)；指單位面積CH4年釋放量，kg/hm2；S為濕地面積，hm2；25為CH4與當(dāng)量C02的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

    對(duì)于其他土地類(lèi)型，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)常年積水的坑塘以及復(fù)墾后的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，水面植被生物量極小，對(duì)區(qū)域CO2碳匯影響不大，在此不予考慮。因沉陷導(dǎo)致的無(wú)法使用的廢棄居民點(diǎn)和建設(shè)用地因地表的硬化或者墻體的坍塌等因素使得該區(qū)域喪失了植被固碳能力，可將此類(lèi)廢棄地作無(wú)碳源／碳匯過(guò)程處理。復(fù)墾后建設(shè)用地區(qū)域內(nèi)雖然每年會(huì)因各種能源使用、燃燒過(guò)程釋放出大量的C02，但考慮其為復(fù)墾后利用過(guò)程產(chǎn)生，與復(fù)墾本身并無(wú)關(guān)聯(lián)性，故也不作考慮。

3  評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

    根據(jù)上述模型，首先對(duì)淮北礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排量進(jìn)行估算，然后將估算結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)比較，對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淮北礦區(qū)種植作物包括小麥、油菜、水稻、豆類(lèi)、玉米和棉花。將復(fù)墾前后各作物產(chǎn)量代入式(3)得到復(fù)墾前農(nóng)作物CO。年吸存量為1.48×l08 kg，復(fù)墾后其值為3.18×108 kg。據(jù)《淮北統(tǒng)計(jì)年鑒》，多年間農(nóng)藥、農(nóng)膜、化肥、柴油單位面積使用量基本穩(wěn)定，各類(lèi)型碳源單位面積使用量分別為：化肥474. 076kg．hm-2 a-1：農(nóng)膜7. 0252kg．hm-2 a-1;農(nóng)藥10. 267kg．hm-2A-l；柴油129. 617kg．hm-2a-l。結(jié)合式(4)得復(fù)墾前各類(lèi)碳源C02年釋放總量為3.72×l07 kg，復(fù)墾后為4.. 89×l07 kg。復(fù)墾前水稻種植面積約為206. 29hm2，復(fù)墾后水稻種植面積約為270. 94hm2，據(jù)式(5)得復(fù)墾前因考慮CH4氣體而排除的C02量為1. 11×I06 kg;復(fù)墾后為1.46×l06 kg。根據(jù)式(6)，則復(fù)墾前耕地類(lèi)型可從大氣中吸收的C02總量為1. 10×l08 kg，復(fù)墾后耕地類(lèi)型可從大氣中吸收的C02總量為2.67×l08 kg。對(duì)888. 63hm2復(fù)墾林地，林木蓄積量的統(tǒng)計(jì)值約為5. 80×l05m3，蓄積量年增長(zhǎng)率預(yù)估為12. 5%，結(jié)合式(7)，得復(fù)墾后林地類(lèi)型CO2年吸收量約1.28×l08 kg。草地碳吸收量估算時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)植被完整采集，稱(chēng)取干重，確定其單位面積生物量均值為8. 05×103 kg．hm-2。結(jié)合式(8)得損毀區(qū)荒草地C02年吸收量為8. 84 Xl06 kg。復(fù)墾前，損毀區(qū)濕地植被以蘆葦為主，偶伴生雜草。濕地類(lèi)型單位面積植被年凈增長(zhǎng)的生物量的確定與草地類(lèi)似即實(shí)地樣方采集，均值約為8. 72×l04 kg．hm_2，結(jié)合式(9)，濕地類(lèi)型年可從大氣中吸收的C02量為1.08×l08 kg。

    將復(fù)墾前后各用地類(lèi)型C02吸收總量代入式(2)，可得復(fù)墾治理后，研究區(qū)域年可從大氣中多吸收C02 1.68  Xl08 kg，約為16. 82萬(wàn)t，具體如表3所示。此外，在復(fù)墾過(guò)程中大量使用煤矸石作為填充材料，有效抑制其自燃的發(fā)生。以淮北礦務(wù)集團(tuán)測(cè)定的14. 2%的平均含碳率計(jì)，假定充分自燃，截至2013年煤矸石累計(jì)封存碳量約536. 76萬(wàn)t，可減少潛在C02排放量約1968.12萬(wàn)t。

    從表3我們可以看出，不同用地類(lèi)型碳吸收能力存在顯著差異。其中林地碳吸收能力最為突出，高達(dá)1. 44×l05kg．hm-2，占研究區(qū)域總面積約8.5%的林地碳吸收總量占區(qū)域總碳吸收量的32. 4%。此外，通過(guò)對(duì)受采動(dòng)影響耕地的治理，極大的增強(qiáng)了耕地保水保肥的能力，大幅提高了土地生產(chǎn)力。復(fù)墾后農(nóng)田單位面積碳吸收增量約為2. 26×l04 kg．hm-2，增幅高達(dá)63%。正是林地出色的碳吸收能力以及原有農(nóng)田碳吸收能力的顯著提高，使得復(fù)墾后區(qū)域單位面積碳吸收能力提高約1. 60×l04 kg·hm-2，從而實(shí)現(xiàn)了土地復(fù)墾的碳減排效果。

4討論

    不同用地類(lèi)型間轉(zhuǎn)換，其單位面積的碳吸收差值存在明顯差異，如圖3所示，草地、耕地、廢棄地、水域等向林地轉(zhuǎn)化其碳吸收效果均有明顯提高，而濕地向林地的轉(zhuǎn)化碳吸收能力的提升并不明顯。向耕地類(lèi)型的轉(zhuǎn)化中，廢棄地、水域、草地轉(zhuǎn)化后碳吸收能力提升的相對(duì)顯著，原有耕地的治理其碳吸收能力的提升效果次之。將濕地復(fù)墾為耕地后，碳吸收能力有明顯的下降。此外，原有耕地、草地、濕地類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、水域后其碳吸收能力均有明顯下降，尤以濕地類(lèi)型最為顯著。因而，僅從提升復(fù)墾碳減排效果的角度出發(fā)，優(yōu)先將草地、耕地、廢棄地、水域等復(fù)墾為林地，盡量避免復(fù)墾為建設(shè)用地等用地類(lèi)型，將有效增強(qiáng)碳減排效果。針對(duì)原有濕地類(lèi)型，應(yīng)以治理為主，盡量避免其向其它用地類(lèi)型的轉(zhuǎn)化。

    如前所述，目前土地復(fù)墾碳減排效果研究文獻(xiàn)少，缺乏直接類(lèi)比案例，這給本文估算結(jié)果的精度評(píng)價(jià)和模型可靠性評(píng)價(jià)帶來(lái)了一定困難。盡管如此，我們還是可以做些分析。第一，測(cè)算的單位面積林地C02吸收量與王巍巍等人對(duì)天津林地C02吸收量的估算結(jié)果1.98×l05kg．hrr_i-2相接近，相對(duì)誤差為27%。其誤差主要源自地理位置的不同導(dǎo)致林木生長(zhǎng)環(huán)境的差異以及估算方法不同導(dǎo)致的估算誤差等。第二，測(cè)算的復(fù)墾后單位面積耕地CO2吸收量的估算值4.93×104 kg．hm_2，大于段華平等人測(cè)定的安徽省農(nóng)田平均C02碳吸收量3. 07×l04 kg．hm-2，這主要因?yàn)楸疚难芯恐校?#9312;在估算農(nóng)作物地上碳吸收的同時(shí)，也估算了地下根系的固碳效果；②估算過(guò)程中充分考慮淮北地區(qū)作物一年兩熟的特點(diǎn)，農(nóng)作物的復(fù)種指數(shù)為190%，較高的取值也是造成本次估算值偏高的原因。第三，根據(jù)安徽省草地資源監(jiān)察報(bào)告，安徽省草地類(lèi)型為溫帶草地，詳細(xì)劃分又可分為暖性草叢、熱性草叢、暖性灌草叢、熱性灌草叢。據(jù)王健林、馬文紅等人對(duì)該類(lèi)草地生物量的研究，單位面積生物量在7644. 44～9964. 44kg·hm-2，溫性草叢生物量較低、熱帶草叢生物量較高。本文草地實(shí)地取樣所得草地單位面積生物量8052.59kg·hm-2，在已有研究文獻(xiàn)測(cè)算結(jié)果的范圍內(nèi)，且偏向于最小值，

這與淮北地區(qū)溫性草叢比重較大的草地特征相吻合。第四，綜合分析濕地蘆葦已有研究，結(jié)果顯示，年均氣溫13～16℃、年均降水600～lOOOmm時(shí)，蘆葦濕地蘆葦植被年均生長(zhǎng)生物量在83000～lOOOOOkg．hm-2之間，表明氣溫和降水量差異不大條件下，蘆葦植被年均生長(zhǎng)生物量差異也較小。淮北礦區(qū)年平均氣溫14.5℃，多年年均降水量為770～950mm，有較好的水熱組合條件，濕地單位面積生物量的實(shí)地樣本采集數(shù)值87232.21kg．hm-2，與已有研究成果較為吻合。由此可見(jiàn)，本文提出的模型及實(shí)證分析結(jié)果有相當(dāng)?shù)目煽啃院涂尚哦取?

5  結(jié)  論

礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果主要表現(xiàn)在：通過(guò)整治濕地，抑制了CH4氣體的排放；荒草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦�地、林地，提升了單位面積碳吸收量；整治現(xiàn)有土地利用類(lèi)型如耕地等，提高了單位面積碳吸收量等；復(fù)墾過(guò)程中，大量煤矸石的填充利用能夠有效減少煤矸石因自燃產(chǎn)生的碳排放�；幢钡V區(qū)復(fù)墾碳減排測(cè)算結(jié)果表明，礦區(qū)損毀土地的復(fù)墾，不但可治理污染、修復(fù)生態(tài)、恢復(fù)土地生產(chǎn)力，而且碳減排效益也十分顯著。為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地復(fù)墾最優(yōu)碳減排效果，應(yīng)充分考慮不同復(fù)墾模式下碳減排量之間的差異，同時(shí)著力培育碳匯能力強(qiáng)的植物群落。6摘要：

礦區(qū)土地復(fù)墾是改善礦區(qū)受損生態(tài)環(huán)境和恢復(fù)破壞土地利用的重要技術(shù)途徑，但它對(duì)土壤碳庫(kù)和植被碳庫(kù)的作用及其大小目前研究還不充分。本文以淮北礦區(qū)為例，在綜合現(xiàn)有農(nóng)地、林地、濕地、草地、建設(shè)用地等碳源碳匯模型的基礎(chǔ)上，建立了礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果測(cè)度模型并評(píng)估了淮北礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果。結(jié)果表明：耕地（復(fù)墾前）  耕地（復(fù)墾后）的復(fù)墾模式的碳匯能力有所提高，廢棄地一耕地、林地的碳減排效果最顯著，積水區(qū)向其它用地類(lèi)型轉(zhuǎn)化的碳減排效應(yīng)并不明顯甚至?xí)�變成碳源，煤矸石充填�?fù)墾可有效減少CO2的潛在排放。測(cè)算結(jié)果表明，淮北礦區(qū)已復(fù)墾的1.00×l04 hm2損毀土地，年CO。吸收量可增加1.68×l08 kg，碳減排效益明顯。由此證明，礦區(qū)土地復(fù)墾是礦山碳減排的一條重要途徑。