《煤炭学报》（2021—2024年） “碳中和科学与工程”相关论文

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《煤炭学报》（2021—2024年） “碳中和科学与工程”相关论文

来源：煤炭学报

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行业视野: 碳中和
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超临界CO2-水-页岩作用矿物溶蚀/沉淀特征及其对页岩吸附性的影响

作者(Author)：代旭光, 王猛, 冯光俊, 郑司建, 任斌, 徐慎

摘要：阐明超临界CO2与页岩相互作用物质成分和孔隙结构变化对于实现CO2封存和提高天然气产量至关重要。目前有关矿物溶蚀导致的封存空间演化现象已被大量报道，然而对于次生沉淀发育及封堵特征知之甚少，且缺乏理论和实验支撑。利用四川盆地南部下志留统龙马溪组页岩，以超临界CO2(scCO2)−水−页岩反应、扫描电子显微镜(SEM)、低温N2吸附和等温吸附实验为主要研究方法，分析不同反应时长(6～30 d)矿物溶蚀/沉淀特征及其对页岩吸附性能的影响，揭示封存条件下流固界面动力学特征及孔隙结构演化规律。结果表明，反应后样品中钙质和钾质矿物质量分数随时间逐渐减少，溶液中Ca2+和K+离子质量浓度显著升高。反应过程导致方解石矿物显著被溶蚀，同时页岩表面也产生了较多的碳酸盐沉淀。溶蚀作用会扩大原有孔隙空间，造成3.29～4.50 nm孔隙体积增加；沉淀作用会覆盖原生孔隙空间，导致孔体积增量减少。受溶蚀和沉淀作用影响，孔隙表面分形维数D1微弱增大，结构分形维数D2则为减小趋势，孔隙非均质性增强。总体而言，溶蚀作用会造成样品封存空间增大，导致更多的CO2分子被极化，scCO2流体与页岩相互作用相应增强，这是吸附量和吸附势增大的主要原因；沉淀作用前后样品吸附量和吸附势未发生显著变化，说明沉淀作用对页岩封存能力影响较弱。研究溶蚀和沉淀机制及其对封存空间的影响，对于实现高效、长期的CO2地质封存有重要启示作用。

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2023年第07期

278

62
基于光谱特征指数与机器学习的矿区土壤煤源碳质量分数反演

作者(Author)：聂小军, 赵星辉, AMMARAGill, 洪雯雯, 张合兵

摘要：煤颗粒作为一种高碳有机质，即使少量扩散至土壤中便会以煤源碳的干扰形式导致土壤有机碳(植物源碳)质量分数的明显高估，从而增加土壤碳固存评估的不确定性。然而，目前缺少土壤煤源碳定量评估的有效方法。本研究以具有100多年无烟煤开采历史、土壤中煤颗粒累积(煤累积土壤)普遍的河南焦作矿区为研究区，采集当地的煤粉与不含煤颗粒的土壤，配置煤源碳质量分数不同的土壤样品，利用高光谱遥感技术分析了矿区土壤的光谱特征。综合8种光谱数学变换方法和2种光谱特征筛选方法，构建了6种矿区土壤煤源碳质量分数反演模型，包括3种光谱特征指数(弓曲差、差值指数、比值指数)、3种机器学习(偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)与随机森林(RF))模型。本研究也对最优反演模型的适用性进行了检验。研究发现：波长350～2500 nm内，煤的光谱曲线特征明显不同于植物源有机质与不含煤颗粒的土壤，煤累积土壤的光谱反射率(R)随煤源碳质量分数的增加而减小，这为高光谱遥感技术定量反演土壤煤源碳提供了理论基础。在光谱特征筛选方面，综合竞争性自适应重加权采样法(CARS)提取出的煤源碳特征波段数远高于光谱特征指数相关系数法，而且特征波段在波长350～2 500 nm内分布均匀。原始光谱R经光谱数学变换后，构建的弓曲差、差值、比值光谱特征指数反演模型对土壤煤源碳质量分数的估测精度明显提升，其中，基于倒数1/R变换的差值指数模型反演效果最好。相较于光谱特征指数模型，结合CARS的机器学习模型对煤源碳质量分数的估测精度进一步提升。3种机器学习模型中，1/R-CARS-RF煤源碳质量分数反演模型的估测精度最高，验证集$R_{rm{m}}^2 $=0.998、RMSE=0.348、RPD=29.943。适用性检验表明，1/R-CARS-RF煤源碳质量分数反演模型的适用性良好(RMSE=1.88%、RPD=4.97)，可以较准确地估测焦作矿区土壤中的煤源碳质量分数。本研究可为矿区土壤煤源与植物源碳区分、土壤碳固存精确评估提供方法支撑。

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2023年第07期

199

95
不同耕作方式对矿区复垦耕地的碳库时间效应和耕地生产力的影响

作者(Author)：马守臣, 王新生, 刘赛赛, 张合兵

摘要：对采矿破坏土地进行复垦并探究科学的田间管理方式对于缓解人地矛盾、迅速提高复垦耕地生产力具有重要的意义。基于煤矿区复垦耕地长期定位试验，通过对比不同耕作措施下土壤总有机碳(SOC)、活性有机碳(AOC)含量、碳库管理指数(ICPM)和产量变化，探索有助于复垦土壤质量迅速提升的耕作模式。在小麦播种前设置免耕(NT)、浅耕(ST)、深耕(DT)、深耕−浅耕交替轮耕(DST)共4个耕作处理。结果表明：① 不同耕作措施通过影响固碳速率(RCS)而对SOC积累有不同的影响。与NT相比，DT有助于复垦前期迅速提高各土层SOC和AOC含量，DST有助于复垦后期各土层保持较高的SOC和AOC含量。ST有助于表层SOC和AOC积累，对深层土壤SOC和AOC的影响小于DT和DST。② 不同耕作措施对有机碳层化比(RS)有不同的影响。在复垦前期，ST、DT和DST处理的RS都显著高于NT。但到复垦后期NT和ST保持较高的RS，DT和DST的RS显著降低。③ 不同耕作措施通过影响SOC和AOC积累而影响各土层的碳库指数(ICP)和碳库活度指数(IA)，从而影响其ICPM。复垦8 a后，ST、DT和DST处理各土层的ICP、IA和ICPM均大于NT。DST积累了最高的SOC和AOC，因此其ICP、IA和ICPM为最高。DT由于长期过度翻耕促进了SOC的矿化分解，导致其ICP、IA和ICPM低于DST。ST虽可提高表层SOC和ICP，但其IA低于DT和DST，导致其ICPM也较低。④ 不同耕作方式通过影响土壤固碳也影响了作物生产。在复垦前期，ST、DT和DST的增产率和产量均大于NT，DT有最高的产量和增产率，而到复垦后期，DST的产量和增产率最高。相关分析表明，在复垦前期DT通过迅速提高各土层SOC含量有助于产量提高，而到后期，DST则通过提高整个土层的SOC、AOC含量和降低SR有助于作物高产。总之，基于土壤固碳和作物生产能力，在复垦早期宜采用DT措施，到复垦后期DST则是更好耕作方式，而NT和ST不利于复垦耕地的土壤碳固存和产量的快速提升。

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2023年第07期

217

63
腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应研究

作者(Author)：程伟, 朱卓, 王文杰, 王维忠, 雷少刚, 卞正富

摘要：随着国家煤炭开采东退西进战略推进，煤炭资源高强度开采加剧了矿区草原生态环境损伤问题，严重影响了区域煤炭资源大规模开发和环境保护的协同发展，必须通过生态修复消除资源开发带来的环境负效应。因此，针对矿区草原粉尘沉降区诱发的土壤退化问题，研究腐殖质层再造技术修复退化场地的可行性，设计了植物破碎+淹水(YS)、植物破碎+淹水+覆膜(YF)、植物破碎+淹水+覆膜+激发剂(YFJ) 3种修复模式，同时结合试验数据分析。研究结果表明，退化生境修复样地土壤容重分别比对照样地降低了8.26%、7.98%和15.24%，孔隙率增幅为39.42%、99.68%和124.24%，含水率增幅为28.16%、31.21%和71.19%，饱和持水率增幅为19.66%、20.66%和42.29%；土壤养分中水解氮质量分数比对照场地高出20.77 、9.73和54.45 mg/kg；修复场地土壤速效磷质量分数依次为5.30、5.06、14.04 mg/kg；修复后土壤速效钾质量分数增加49.61%、27.31%和236.53%；土壤水稳性团聚体质量分数修复后高于对照场地，分别增幅13.00%、17.14%和83.60%；YS、YF和YFJ三种修复模式均可以增加退化场地土壤水酶活性，土壤蔗糖酶活性修复后分别高于对照区23.65%、79.88%和93.91%；3种修复技术之间过氧化氢酶和脲酶活性无显著差异，分别高于对照23.69%～31.81%和19.35%～20.46%；土壤磷酸酶活性修复后提升了14.73%、33.28%和39.25%，修复场地植物群落 Shannon-Weiner指数比对照场地分别高68.32%、38.61%和45.54%；植被盖度比对照场地分别增加12.50%、81.25 %和120.00 %；修复区生物量分别比对照场地高出39.90%、373.49%和887.77 %；YF和TFJ场地植株含水率分别比对照区增加了12.74%和36.43%。对比分析表明3种修复模式均可有效改善重度粉尘沉降区退化现状；除土壤有机质与多样性指数外，其他指标测定结果均为YFJ修复效果最优。表明腐殖层再造技术可以有效改善土壤结构，提升土壤养分，激活土壤微生物区系及功能，修复灌丛化破坏的生境，为重度粉尘沉降区退化土壤修复提供借鉴，其中,YFJ修复模式最佳。

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2023年第07期

238

66
东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术

作者(Author)：陈浮, 朱燕峰, 马静, 杨永均, 尤云楠, 王丽萍

摘要：东部平原采煤沉陷区水体污染严重，极大地限制了湿地自净和碳汇功能的形成。为此，从东部平原采煤沉陷区积水污染成因着手，阐明降污固碳协同修复的现实需求，剖析新成湿地降污固碳的关键过程及碳汇形成机制，估算协同修复的潜力，提出协同修复的适应性管理方法和关键技术体系。结果表明：① 复杂来水、多样化污染源和生态系统转换失稳是引发东部平原矿区采煤沉陷新成湿地水污染的主因，氮、磷、有机物降解和重金属移除过程中可以实现降污固碳协同修复，光合固碳、碳分配、碳沉积和碳损失等关键过程影响新成湿地的碳汇形成；② 采煤沉陷新成湿地的碳库稳定性与植物根系分泌物、植物死亡残体、湿地水文过程、活性有机碳组分以及微生物群落结构显著相关；③ 东部平原采煤沉陷新成湿地现有碳汇潜力为4.43×106 t/a，至2060年可达3.27×107 t/a。新成湿地人工修复后可以分别提升氮、磷污染修复能力32.7倍和42.5倍；④ 构建资源与保护统筹立标、治污与固碳协同和效果与方案动态调整的适应性管理策略是落实东部平原采煤沉陷区固碳降污协同修复的重要保障；⑤ 未来应逐步形成环境材料强化微生物恢复技术、优势植被/功能菌筛选技术和固碳微生物定向增殖关键技术体系，为东部平原采煤沉陷区生态修复、耕地保护和高质量发展提供科学支撑。

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2023年第07期

247

74
低渗油藏CO2地质封存矿物颗粒运移及注入堵塞机理

作者(Author)：杨现禹, 解经宇, 叶晓平, 吕文军, 代钊恺, 蒋国盛, 蔡记华

摘要：在低渗砂岩油藏中开展CO2地质封存，是实现CO2捕获、利用和封存(CCUS)的有效手段之一。随着CO2持续注入吸收层，弱胶结砂岩颗粒会随CO2流入孔隙和裂隙中运移，进而可能形成颗粒堆积，影响CO2注入的稳定性。为揭示多形态颗粒在孔隙和裂隙中的运移、动态堆积及微观机理，建立了基于多形态矿物颗粒的离散元流固耦合堵塞模型。模型考虑了多级粒径、非规则形态、旋转、差异化流入孔隙模式等矿物颗粒参数及流体密度、流体速度等流体物性因素，模型可实现注入流体和矿物颗粒的瞬态堆积过程动态预测与可视化，并在此基础上揭示了CO2物性、弱胶结非规则颗粒参数与注入堵塞间的量化关系。结果表明：① 影响孔隙内矿物颗粒堆积数量和CO2注入效果最高的因素为矿物颗粒质量分数，相对于颗粒质量分数3%，颗粒质量分数5%的孔隙内矿物颗粒堆积数量提升52.06%，孔隙内矿物颗粒堆积数量的提升比率与矿物颗粒质量分数增长比率呈负相关关系；② 在注入CO2和矿物颗粒总量一致情况下，当矿物颗粒平均尺寸为孔隙直径尺寸的1/3时，孔隙内矿物颗粒堆积数量最高，CO2的注入效果最差，矿物颗粒密度变化对于CO2注入的影响较低；③ CO2注入降低了砂岩孔隙内多相流体密度，减少了孔隙内矿物颗粒堆积数量，降低了矿物颗粒在孔隙内的堵塞，有利于CO2往深部注入；④ CO2注入速度提升60%，孔隙内矿物颗粒堆积数量提升1.2%，注入速度提升增加了孔隙内的矿物颗粒堵塞比率，不利于CO2的注入。

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煤炭学报

2023年第07期

220

87
荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子

作者(Author)：刘英, 林家权, 岳辉, 毕银丽, 彭苏萍

摘要：深入了解荒漠化露天矿不同土地利用方式下不同深度土壤呼吸昼夜变化规律及影响因子，对评估生态脆弱的露天矿区生态系统碳循环至关重要。以红沙泉露天矿为研究对象，采用EGM-5便携式红外气体观测系统，监测获取不同土地利用类型下不同深度土壤昼夜呼吸速率并获取相关影响因子，分析得到各土地利用类型土壤呼吸变化规律与特征及其主要影响因素。结果表明：① 5种代表性地物类型之间的昼夜土壤呼吸差异显著，10和30 cm土壤呼吸速率日均值表现为人工林 > 红沙泉 > 排土场复垦区 > 柽柳林 > 南线，10 cm分别为5.72、0.98、0.34、0.08、−0.08 μmol/(m2·s)，30 cm分别为5.14、2.18、0.77、0.40、−0.05 μmol/(m2·s)，南线为碳汇，其余4种地物类型为碳源。② 土壤呼吸速率昼夜变化规律明显，排土场复垦区不同土层和红沙泉10 cm土壤呼吸昼夜变化呈“双峰”趋势，人工林、南线不同土层及红沙泉30 cm均呈“单峰型”，而柽柳林10和30 cm土壤呼吸昼夜变化呈“多峰型”。③ 在日尺度上，排土场复垦区、人工林和红沙泉10 cm土壤呼吸速率与土壤温度(P < 0.05)和土壤含水量(P < 0.01)呈显著正相关；土壤温度和土壤含水量能较好的综合解释矿区内5种地物类型土壤呼吸速率50.5%～97.3%的变化，而南线10 cm仅11.3%。土壤温度对柽柳林和南线土壤昼夜呼吸影响较弱，白天土壤温度限制土壤呼吸，而夜间及清晨土壤温度促进土壤呼吸。④ 柽柳林和南线土壤呼吸与土壤碳含量关系与其余3种地物类型不同，与无机碳(SIC)呈显著负相关(相关系数r=0.69, P < 0.01)，无机过程造成土壤呼吸速率为负值，SIC是土壤碳汇的关键影响因素；而排土场复垦区、人工林和红沙泉均与溶解性活性有机碳(DOC)呈较强负相关性，排土场复垦区和柽柳林土壤呼吸还与土壤有机碳(SOC)存在较强正相关性，SOC和DOC是土壤碳源的重要影响因子。综上所述，红沙泉矿区内不同地物类型和不同深度土壤呼吸速率差异显著，不同深度土壤呼吸对土壤温度等环境因子响应存在差异，初步阐明SIC是土壤碳汇的重要因子，SOC和DOC是土壤碳源的重要因子，为矿区碳排放、碳循环提供基础数据。

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2023年第07期

187

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徐州高潜水位区采煤塌陷地及其复垦土壤碳变化

作者(Author)：余健, 房莉, 方凤满, 支俊俊, 张平究, 李冉, 黄振华

摘要：在全球“碳中和”背景下，土壤碳积累与转化研究成为学术界研究的热点问题。潜水影响下的采煤塌陷地复垦恢复过程中土壤碳库变化及机制较为复杂。复垦土壤碳动力学过程研究是实现复垦土壤生态系统科学恢复的重要基础。利用年龄时间序列方法和定位监测法分别于2012年和2020年采集徐州柳新镇高潜水位煤矿区塌陷地不同复垦年限的土壤，对土壤总碳(CTC)、总有机碳(CTOC)、总无机碳质量分数(CTIC)，总碳库(STC)、总有机碳库(STOC)和总无机碳库储量(STIC)进行了测算，同时分析了各类碳与相关土壤性质的关系。结果表明：① 研究区未塌陷地土壤(CK)STC、STOC和STIC分别为268.34、81.63、186.70 t/hm2。土地塌陷引起土壤碳质量分数及碳库储量下降，主要表现为STIC和CTC下降，STOC变化不明显。② 复垦土壤恢复过程中土壤碳质量分数及碳库储量变化呈正二次方程曲线特征，0～20 cm层土壤CTC和CTIC在复垦14～18 a达到最大，并超过CK。土壤STOC在复垦13～14 a可以超过CK。③ 新复垦土壤0～40 cm层内碳质量分数及碳库储量在上下层次间差异不显著。复垦后恢复过程中，以表层(0～10 cm)土壤碳质量分数和碳库储量增加量最大，CTIC在剖面上的变化特征不明显。④ 土壤CTOC和STOC及CTC均与土壤孔隙度、土壤黏粒、分形维数(D)及 > 3.2 mm团聚体质量分数呈显著正相关，与土壤密度、紧实度、pH及2～0.50 mm团聚体质量分数呈负相关关系。塌陷地复垦土壤在恢复过程中表现出巨大的固碳潜力。高潜水位地区，土壤水分通过影响土壤通气状况、团聚体形成及颗粒变化来影响复垦土壤碳固定和转化。塌陷地复垦耕作利用通过土壤翻耕、破碎、有机肥配施及潜水位调节，改善了土壤结构及通气状况，促进了植物及土壤微生物生长，增加了土壤有机碳来源，推动了复垦土壤有机碳积累。

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2023年第07期

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