“双碳”战略下石灰岩矿山生态修复设计

2024-07-05王丹丹高爱林

城市地质 2024年2期

王丹丹高爱林

收稿日期：2023-12-18；修回日期：2024-04-23

第一作者简介：王丹丹（1980- ），女，硕士，高级工程师，从事矿山生态修复、土地综合整治等方面的研究。 E-mail：wdd04@126.com

引用格式：王丹丹，高爱林，2024.“双碳”战略下石灰岩矿山生态修复设计［J］.城市地质，19（2）：184-189

摘要：“双碳”是我国重大的战略决策，矿业作为具有高能源消费和高碳排放特征的行业，已经成为我国实现碳中和的重要战场。“双碳”战略下，如何在恢复矿区生态系统的同时，又能有效提高矿区减排增汇能力，成为一个新的议题。文章以泾阳某矿山修复项目为例，针对存在的地质灾害隐患、土壤污染、土地闲置和土壤、植被碳汇能力降低甚至丧失等生态环境问题，提出以消除地质灾害隐患、恢复土地使用功能和增强减排增汇能力为目的，采用“生态修复+光伏能源+农牧结合”的模式，统筹山水林田湖草沙系统治理，构建绿色低碳循环产业模式，助力乡村振兴，践行两山理论。

关键词：矿山生态修复；“双碳”战略；减排增汇；生态环境

Mine ecological restoration design under "Double Carbon" strategy

WANG Dandan， GAO Ailin

（Beijing Urban Construction Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100101， China）

Abstract： Since China adopted its “Double Carbon” strategy， mining with its high energy consumption and high carbon emissions characteristics has become an important battlefield for China to achieve carbon neutrality. It has become a new issue how to recover the ecosystem of the mining areas， and at the same time to effectively improve mining area emission reduction and sink augmentation capacity. Taking a mine restoration project in Jingyang County as an example， this paper focuses on ecological and environmental problems such as potential geological hazards， soil pollution， idle land and the reduction or even loss of carbon sequestration capacity of soil and vegetation. A model of “ecological restoration + photovoltaic energy + combination of agriculture and animal husbandry” is proposed to eliminate the hidden danger of geological disasters， restore land use function and enhance the ability of emission reduction and carbon sinks. It helps implement systematic control of mountains， forests， lakes， grass and sand， build a green and low-carbon circular industry model， promote rural revitalization， and stick to the theory of Two Mountains.

Keywords： mine ecological restoration; "double carbon" strategy; emission reduction; ecological environment

“双碳”即“碳达峰”“碳中和”的简称。2020年9 月，我国在第75届联合国大会上宣布中国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值和努力争取2060年前实现碳中和。2021年3月，中央财经委员会第九次会议提出，2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，是我国的重大战略决策。“双碳”已成为我国生态文明建设中十分重要的建设内容（白暴力等，2021；张宁等，2021）。矿产资源是我国重要的基础性资源，矿山开采造成的土地利用结构变化以及对土壤、植被的扰动破坏，是影响矿区碳排放的重要因素。一方面矿产开发挖损压占土地，导致耕地、园地、林地、草地等高碳汇型用地转为工业场地、选矿厂、矿坑、矸石山、排土场等碳源型用地，改变了土地利用结构，造成矿区固碳能力的损失；另一方面矿山剥离、开采等采矿过程会对土壤理化特性产生不同程度影响，使土壤中微生物、有机质含量降低，土壤板结破坏，植被被移除，进而导致土壤、植被碳汇能力降低甚至丧失（杨博宇等，2021；郭冬艳等，2021；苏健等，2021；侯朋，2023；陈刚等，2024）。矿业已经成为我国实现碳中和的重要战场（尹岩等，2022），如何在恢复矿区生态系统的同时，又能有效提高矿区减排增汇能力，成为一个新的议题。

传统的矿山生态修复重点关注地质灾害消除、生态系统功能恢复和土地利用结构优化，通过以最小的代价达到矿区土地复垦和生态复绿的目的，因地制宜将其复垦为耕地、林地、园地和草地。对降低碳排放量、提高碳储存、提高碳中和的研究较少（顾清华等，2023；马迅等，2023）。目前对矿区生态修复的主要途径与措施为采取工程措施以实现地质隐患的减少，与传统农田整治方法相结合进行简单粗放的土地复垦，固碳增汇水平较低。同时修复工作缺乏系统规划，未能从规划设计阶段就统筹考虑山水林田湖草沙，仅通过某项具体工程来实现修复目标，无法达到预期的生态修复效果，也不利于提升减排增汇能力。另外，大部分矿区并没有因地制宜根据自身特色促进产业发展，无法形成健康稳定的生态系统，生态修复和固碳增汇效果不明显（何振嘉等，2022；卞正富等，2022；樊大磊等，2021）。本文以陕西省泾阳某矿山为研究对象，根据“双碳”战略要求，结合目前矿山生态修复的痛点，针对存在的生态环境问题，统筹规划系统修复，消除地质灾害隐患、恢复土地使用功能、构建健康生态系统，增强固碳增汇能力；同时利用泾阳的光热条件和矿山的空间优势，实施“光伏+种植+养殖”，构建“生态修复+光伏能源+农牧结合”绿色低碳循环产业模式，助力乡村振兴，践行两山理论。研究成果可为矿山生态修复减排增汇工作提供借鉴。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于泾阳县西北嵯峨山南麓，距离泾阳县城约18 km。该区紧邻口镇山底何村、安吴镇薛家村，G211国道从区内经过，有简易乡村公路与国道和乡镇相连，交通较为便利。

泾阳县属暖温带大陆性季风气候。年平均气温13.9℃，一月平均气温-1.5℃，七月平均气温26.5℃，极端最低气温-11.4℃，极端最高气温39.2℃；多年平均降雨量为535.97 mm，降水最多为829.7 mm （1958年），降水最少为349.2 mm（1977年），降雨多集中在7—9月，强度大；最大积雪深度14 cm，最大冻土厚度15 cm，无霜期215 d；全年主导风向为西风，频率为11%，次主导向为东风，频率为9%，年平均风速为2.2 m·s-1，年静风频率为24%；日照时数年平均为2 195.2 h，最多（8月）为241.6 h，最少（2月）为146.2 h。泾河在研究区西侧穿谷而过，区内河沟均属泾河流域冶峪河的支沟。

该区地处渭北高原向关中平原过渡地带，整体呈北高南低的趋势。海拔418.8～1 443 m，落差1 000 m以上，平原区有沟壑分布，落差为30～50 m。南向坡面较多，坡面受日照影响，沟壑纵横，山体破碎，坡面坡向复杂。

区内土壤类型为黄灰色粉质黏土、亚黏砂土。植被主要为荒坡草地和次生人工栽培植被杨树、槐树和桐树等，没有珍稀濒危植物分布。

1.2 地质环境

1）地层岩性

区内地层主要由奥陶系马家沟组下段及第四系组成。

填土①（Q4ml）：黄褐色，以黏性土为主，含植物根系等，局部含母岩岩块及矿渣等。该层主要分布在场地坡脚及低山丘陵前缘处，土层厚度0.30～1.20 m。

黄土②（Q3eol）：褐黄色，可塑，湿；大孔隙及针状孔隙发育，含大量钙质结核及碎石块，局部富集成层；该层主要分布在前缘低山丘陵处，未揭穿。

石灰岩③（O）：青灰色—褐红色，岩体较为破碎，节理裂隙发育；层面产状方位175～182°∠50～65°，顺坡产出；节理323∠85°。

2）地质构造

研究区处于山王沟-嵯峨山向斜北东翼，总体为一单斜构造。区内断裂构造不发育，地层走向北西-南东，局部见次级小褶皱，节理、裂隙是矿区主要的结构形迹，构造简单。

据GB l8306－2015《中国地震动参数区划图》，本区地震峰值加速度0.158，抗震设防烈度为Ⅶ度，特征周期0.4 s。

1.3 矿山开采历史

区内石灰岩资源丰富，20世纪70—80年代起，当地群众自行开设了一批规模小、利用率低、资源浪费大的小型采石场，对区域生态环境造成较为严重破坏。研究区共有23处矿山，占地7.25 km2，形成长度17 km的连续破坏带。

1.4 生态环境现状与问题

卫星遥感图像解译和实地勘查资料显示，研究区整体山体开挖面积大，连片开采现象严重，山体基岩裸露（图1），植被覆盖率低，自然地形地貌和自然景观损毁严重，与周边环境不协调，严重影响了当地自然生态环境；灰岩偏碱性，降雨天气随地势灌注入下游农田，造成土壤污染；开采活动对土地的挖损和压占，造成大量土地闲置，土地资源浪费。同时，由于研究区距离周边村庄距离较近，矿山可能产生崩塌、滑坡、水土流失等潜在地质灾害隐患（图2），对附近村民和过往行人的生命财产和安全产生威胁。

矿山开采使矿区土地由高碳汇型用地类型转变为碳源型用地类型，改变了土地利用结构，土壤、植被的破坏使矿区生态系统丧失了固碳能力。

2 总体规划设计

2.1 规划原则

总体规划设计遵循5项原则：1）保护优先，自然恢复为主。遵循生态系统内在规律，科学修复、道法自然，坚持自然恢复为主，人工修复为辅，恢复山体自然植物群落，形成稳定健康的生态系统（李树志等，2021）。2）统筹规划，系统修复。坚持规划引领、顶层谋划，合理布局，统筹考虑矿区山、水、林、田、湖、草、沙各要素相互关系，综合治理，系统修复受损生态功能。3）因地制宜，分类施策。统筹考虑矿区生态问题的多样性、复杂性、多因性，依据国土空间规划确定的土地用途，宜林则林、宜耕则耕、宜水则水、宜草则草，并针对植物生长限制因子，进行科学、智慧管护。以实现碳中和思想指导下的自然资源绿色和谐发展的目标。4）提升修复技术水平，提高固碳增汇水平。采用先进的修复技术，有效改善土地环境及土壤质量，最大程度上提高矿区土壤可利用率与植被覆盖率，提升土壤与植被的固碳增汇能力。5）优化创新矿区土地的利用模式。结合实际情况对矿区土地进行合理布局，采用“生态修复+产业融合”的模式，植入特色产业，进一步提升矿区减排增汇能力。

2.2 规划思路

规划思路主要考虑问题导向和产业需求。

针对研究区存在的生态环境问题，结合已有矿区治理经验，根据国土空间规划，依据地形地貌、土壤植被、地层岩性、地质构造以及土地利用情况，采取工程措施和生物措施，消除地质灾害隐患，恢复土地使用功能，构建健康生态系统，有效提高矿区减排增汇能力。

根据研究区所在地理位置、交通条件、光热条件和产业发展状况，构建绿色低碳循环产业模式，助力乡村振兴。

2.3 规划设计

以消除矿区地质灾害隐患、恢复土地使用功能和增强减排增汇能力为目的，采用“生态修复+光伏能源+农牧结合”的模式，统筹山水林田湖草沙系统治理，尊重自然、遵从自然、统筹规划；构建绿色低碳循环产业模式，助力乡村振兴，实现“由污水荒山转换成绿水青山，再由绿水青山转换成金山银山”的“两级转换”（王丹丹，2020；田占良，2022）。

2.3.1 生态修复

采用近自然的手段，针对不同区域（边坡、平台、采坑等）采用相应的治理手段，消除地质灾害、改善生态环境，恢复生物多样性；依据国土空间规划，因地制宜，将矿区废弃土地复垦为林地和草地，恢复土地使用功能，改善土壤的环境质量及生产力，提高植被覆盖率，提升土壤与植被的固碳增汇能力（图3）。利用场地内现有洼地，结合汇水分析结果，收集山体汇水，建立生态蓄水池，满足植被养护需求，有利于植物的生长发育，直接增加植物碳储量，进而提升土壤中有机碳的含量（毛喆等，2023）。

1）边坡修复

根据坡度、坡向、稳定性分析结果，采取机械和人工手段对破损坡面进行危岩浮石清理，消除崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害隐患，构建乔灌草复合模式的植被群落。通过深根锚固、浅根加筋作用力，使坡体呈现自然、稳态的群落结构；采用生态袋、植物纤维毯、高次团粒喷播等技术解决高陡边坡复绿难题，提高边坡植被覆盖度，增强植被固碳增汇能力。

乔灌草复合模式选择耐瘠薄、耐干旱、抗碱性、根系发达适合当地生长的常绿侧柏和紫穗槐混植，以及撒播草层紧密、耐盐碱、萌蘖力强，且固土作用强的草种。

侧柏种植间距为2 m × 2 m，苗高大于100 cm，带营养杯种植；紫穗槐间距为1 m × 1 m，每穴3株种植，苗高大于50 cm，混合草籽中有草苜蓿、沙打旺、高羊茅、黑麦草、狗牙根、紫花苜蓿、北方野花组合、波斯菊、野菊花等。

2）平台修复

通过地形整理、表土重构和植被重建工程，改良土壤结构，提高地表植被覆盖度，增强土壤和植被的碳吸收和储存能力。

地形整理：对现场固废堆进行清运，局部坑凹区进行回填、平整。

土壤改良：覆盖种植土厚50 cm；石膏粉与硫酸亚铁粉末按1∶2重量比混合后按每平方米150 g施入，腐殖酸每平方米施入量50 g，泥炭施入量100 g，之后采用旋耕机旋耕拌合，旋耕深度为20～30 cm；提取地方土壤有益微生物菌种进行培育繁殖后，采用雾化喷雾方式对土壤微生物菌种嫁接，并对土壤中所缺失的微量元素进行补充。

植被恢复：种植石榴、花椒2种经济作物。石榴种植间距为3 m × 3 m，花椒种植间距为2 m × 3 m。

3）水系梳理

针对山体水土保持的特点，山体不同区位采用不同的修复策略。山顶修复采用坡面修复、固土拦沙的策略，修复山体破损创面，稳固坡面土石，汇水支线设置生态拦沙措施，降低降水对坡面的影响；山腰修复采用留水固土、蓄排有序的修复策略，坡面采用鱼鳞坑、水平沟等水保措施增大植被盖度，增强水源涵养能力，结合汇水线路设置排水、蓄水工程，留水固土，做到蓄排有序；山脚修复采用低影响开发、水景观再现的修复策略，降水汇集到山脚后，合理规划利用水体，彻底将水体留在山下，即可用于植被养护，也可实现水景再现（图4）。

2.3.2 产业融合

利用泾阳的光热和矿山的空间优势，发展光伏清洁能源，通过“生态修复+光伏能源+农牧结合”，创新实施“光伏+种植+养殖”，构建“板上发电、板下板间种植养殖”立体发展模式，恢复矿区生态环境，发展畜牧业，探索生态修复与低碳产业发展有机融合的新模式，减排增汇，助力乡村振兴。

3 效益分析

1）生态效益

项目实施后，将消除地质灾害隐患，增强水源涵养能力，减少水土流失，恢复土地使用功能，改善区域生态环境，构建大西安都市圈北部生态屏障。同时，将矿区废弃地复垦为林地和草地，将显著提升土壤与植被的固碳增汇能力；光伏发电每发1度电，每年可节约标煤304.9 g，减少CO2排放量832 g，减少SO2排放量0.16 g，减少NO2排放量0.179 g，减少碳粉尘排放量0.032 g。生态效益显著。

2）社会效益

通过“生态修复+光伏能源+农牧结合”的模式，将生态修复、减排增汇和产业发展相结合，既可消除矿山地质环境问题及矿山地质灾害对当地生态的威胁，保证当地人民生产生活安全，为区域经济社会的健康发展提供保障；又将会有力地促进和带动全县全面生态治理的进程，逐步恢复北部山区生态环境，推动当地旅游和地方经济的转型，缓和当地的矿地关系，促进当地的社会稳定，为当地构建新的生态安全格局树立标杆。

3）经济效益

“光伏+种植+养殖”立体发展模式的实施，将极大地提高矿区的开发经济效益潜力，对当地的经济发展起到推动作用；与此同时，治理工程的实施也将给当地创造大量的就业机会，提高当地居民的经济收入，提高幸福指数，有利于社会和谐稳定，助力乡村振兴。

4 结论

1）研究区位于泾阳县西北部，嵯峨山南麓，连片开采现象严重，基岩裸露，植被覆盖率低，地形地貌景观破坏，土壤污染，大量土地闲置，存在崩塌、滑坡、水土流失等潜在地质灾害隐患。同时，土壤、植被的破坏使矿区生态系统丧失了固碳能力。

2）根据“双碳”战略要求，结合目前矿山生态修复的痛点，将消除地质灾害隐患、恢复土地使用功能、构建健康生态系统、增强固碳增汇能力和发展绿色产业相结合；构建“生态修复+光伏能源+农牧结合”绿色低碳循环产业模式，助力乡村振兴，践行两山理论。

3）依据地形地貌、土壤植被、地层岩性、地质构造以及土地利用情况，采用近自然的手段，消除地质灾害隐患，因地制宜，恢复土地使用功能，改善土壤质量，提高植被覆盖率，构建健康生态系统，增强固碳增汇能力。根据研究区所在地理位置、交通条件、光热条件和产业发展状况，实施“光伏+种植+养殖”，构建“板上发电、板下板间种植养殖”立体发展模式。

4）矿业作为我国实现碳中和的重要战场，如何在恢复矿区生态系统的同时，既能有效提高矿区减排增汇能力，又能根据自身特色促进产业发展，形成健康稳定的生态系统，将是重要的研究方向。

参考文献

白暴力，程艳敏，白瑞雪，2021.新时代中国特色社会主义生态经济理论及其实践指引：绿色低碳发展助力我国“碳达峰、碳中和”战略实施［J］．河北经贸大学学报，42（4）：26-36.

卞正富，于昊辰，韩晓彤，2022．碳中和目标背景下矿山生态修复的路径选择［J］.煤炭学报，47（1）：449-459．

陈刚，刘钢一，2024.武汉花山矿区地质环境治理方案设计研究［J］.城市地质，19（1）：63-69.

樊大磊，李富兵，王宗礼，苗琦，白羽，刘青云，2021.碳达峰、碳中和目标下中国能源矿产发展现状及前景展望［J］.中国矿业，30（6）：1-8．

郭冬艳，杨繁，高兵，强海洋，2021．矿山生态修复助力碳中和的政策建议［J］．中国国土资源经济，34（10）：50-54．

何振嘉，罗林涛，杜宜春，缑丽娜，2022.碳中和背景下矿区生态修复减排增汇实现对策［J］. 矿产综合利用（2）： 9-14.

侯朋，2023.沽源县采砂、采石迹地地质环境问题及治理对策［J］.城市地质，18（2）：192-200.

李树志，李学良，尹大伟，2021．碳中和背景下煤炭矿山生态修复的几个基本问题［J］．煤炭科学技术，50（1）：286-292.

马迅，张爱伟，黄磊，赵士阳，张文星，2023．“双碳”目标下矿山生态修复减排增汇措施研究［J］.中国煤炭，49（6）：109-115．

毛喆，杨涛涛，黄丽颖，张金桃，2023.“双碳”目标下的矿山生态修复技术研究进展［J］.能源与节能（6）：119-122.