2023-08-25
（1）从东部平原采煤沉陷区新成湿地特征出发，系统阐释了降污与固碳之间的协同关系。剖析新成湿地降污固碳的关键过程及碳汇形成机制，并估算协同修复的降污固碳潜力。（2）通过现存沉陷面积和预知沉陷面积和湿地净生态系统生产力系数对东部平原矿区采煤沉陷新成湿地碳汇潜力进行估算；通过假定人工湿地自净能力完全消纳周围1000 m范围内耕地化肥流失对降污潜力进行估算。（3）明确了适应性管理策略在东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复中的重要性，并提出支撑东部平原采煤沉陷区生态修复、耕地保护和高质量发展的降污固碳关键技术体系。
作者：陈 浮1 ，朱燕峰2 ，马 静1 ，杨永均2 ，尤云楠2 ，王丽萍2单位：1. 河海大学 公共管理学院;2. 中国矿业大学 矿山生态修复教育部工程研究中心东部平原矿区煤层埋藏深，多采用走向长臂全部垮落法井工开采方式，导致上覆地表沉陷严重。尤其是黄淮海平原矿区，该区域地下潜水位高，采煤破坏了地下围岩原有的应力平衡，造成地表破坏、移动变形、土壤侵蚀和不均匀下沉，受地下水渗流和大气降水的影响，极易沉陷、积水成洼。研究表明，2018年黄淮海采煤沉陷常年积水面积为26 034.88 hm2，考虑已复垦及雨季影响，实际沉陷面积要大3～5倍。东部平原矿区多位于重要的粮食主产区，农药化肥等使用量高，农业面源污染重。采煤沉陷改变了周边水网系统，导致农田下泄水直排入沉陷区，新成洼地尚未形成湿地净化功能，便迅速富营养化，水体恶臭，生态服务功能丧失。因此，充分保护、合理利用采煤沉陷新成湿地净化功能和和强大生态碳库功能，对东部平原矿区生态修复、国家粮食安全和矿地协同发展具有重要意义且前景远大。东部平原受客土来源限制，矿区复垦一般先剥离表土，再利用煤矸石、粉煤灰，甚至建筑垃圾等固体废弃物进行充填，再表土回填，后机械上覆压实。少数矿区采用疏水强排，形成圩区方式利用沉陷洼地资源。一些矿区还采用非充填的挖深垫浅法，或固废充填与挖深垫浅相结合方式进行复垦。一些学者研究利用黄河泥沙或河湖疏浚淤泥掺杂重构土体，增加客土来源，并改善复垦土壤质地差、肥力低、盐碱重、结构散和保水保肥能力不佳等问题。然而，复垦土壤受水蚀、风蚀或重金属污染等持续干扰，自然恢复非常缓慢，甚至需要100 a时间。近年来为改变“先沉陷、再复垦”的弊端，边采边复技术也被尝试实践应用。但是，这些努力很难改变复垦土壤肥力薄、种植效益差，以及地方、企业和农户复垦意愿低的客观现实。尽管平原矿区生态本底较好，但整体复垦率还不足40.0%。当下经济社会发展理念发生了重大转变，绿水青山就是金山银山，矿山生态修复已势在必行。但以往东部矿区复垦研究多关注复耕率和建设用地指标产出，多采用挖深垫浅法复垦造田和深水养殖，一般沉陷深达3 m，再深挖可达5 m，部分深度甚至超过20 m。新挖鱼池水深过大，缺少水生生态系统支撑，阻碍了湿地功能的形成。同时，东部平原国土开发强度大，农业面源污染重，生态空间相对少。在当下国土空间整体保护、系统修复、综合治理的要求下，如何充分保护、合理利用采煤沉陷新成湿地？湿地系统对东部平原农业生态系统至关重要，若能利用新成湿地自净功能充分治理周边高强度农业生产下泄直排废水，并协同增益湿地系统的固碳增汇能力，有效推进采煤沉陷积水洼地的湿地功能恢复与再利用，对保障国家粮食安全、维护区域生态安全以及促进碳中和目标实现等具有重大战略意义。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 tC/a，至 2060年可达 3.27×107 tC/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。
图 1 东部平原采煤沉陷区污染成因
图 2 采煤沉陷新成湿地降污固碳协同修复机制
图 3 东部平原采煤沉陷新成湿地碳汇形成及稳定性机制
图 4 东部平原采煤沉陷区降污固碳协同潜力
图 5 采煤沉陷区协同修复适应性管理
图 6 采煤沉陷区降污固碳协同修复的关键技术
陈浮，男，1974年12月生，江苏射阳人，教授，博士生导师。主持科技部重大专项课题、国家自然科学基金面上项目和国家科技支撑计划项子课题及企业委托项目50余项，获得绿色矿山科学技术奖基础研究一等奖1项（R1）等省部级奖励3项。发表学术200余篇，入选F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文和Web of Sci高引论文多篇。担任《Biochar》《Carbon Research》青年编委、《化工矿物与加工》主任编委和《工业安全与环保》编委。授权发明专利10多项，出版专著3部。
研究方向
国土空间生态修复与碳中和
主要成果
致力于矿区生态环境污染监测与修复、土地低碳利用和CO2减排的理论与技术的研究，取得多项创新性成果。揭示了黄土高原开采沉陷、损伤与土壤-植被恢复之间的关系，形成了矿区土壤污染电化学-植被-微生物共修复技术体系；在CCS-EOR监测与评价方面获得多项专利，提出新的监测方法体系，建立了第一个CO2泄漏大田模拟实验平台系统，取得明显创新性成果，为CCS驱替开采高效、安全生产提供了有力的技术保障。
来源：
陈浮，朱燕峰，马静，等. 东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术[J]. 煤炭学报，2023，48(7):2836−2849.
责编：王 凡 责任编辑：宫在芹
