东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术.pdf

生态修复与碳汇东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术陈浮1，朱燕峰2，马静1，杨永均2，尤云楠2，王丽萍2(1.河海大学公共管理学院,江苏南京211000；2.中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心,江苏徐州221116)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：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；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；东部平原采煤沉陷新成湿地现有碳汇潜力为 4.43106t/a，至 2060 年可达 3.27107t/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；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；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。关键词：采煤沉陷；降污固碳；协同修复；生态碳汇；适应性管理中图分类号：TD88文献标志码：A文章编号：02539993(2023)07283614Cooperative remediation mechanism and key technologies for pollution reductionand carbon sequestration in coal mining subsidence areas of the eastern plainCHENFu1,ZHUYanfeng2,MAJing1,YANGYongjun2,YOUYunnan2,WANGLiping2(1.School of Public Administration,Hohai University,Nanjing210000,China;2.Engineering Research Center of Ministry of Education for Mine Ecolo-gical Restoration,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China)Abstract:Theseriouswaterpollutionofcoalminingsubsidenceareasintheeasternplains,greatlyrestrictedthewetlandself-purificationandtheformationofcarbonsinkfunctions.Therefore,thisstudystartsfromthecausesofhydropspollu-tioninthecoalminingsubsidenceareasineasternplain,toelaboratethepracticaldemandsforcollaborativeremediationofpollutionreductionandcarbonsequestration.Meanwhile,thestudyprovidesafascinatinginsightintothekeypro-cessesandcarbonsinkformationmechanismofnewformedwetlandforpollutionreductionandcarbonsequestration,andestimatethepotentialofcollaborativeremediation,aswellasputforwardtheadaptivemanagerialapproachandcrucialtechnicalsystemforcollaborativeremediation.Theresultsshowthat:Complexwatersupply,diversepollutionsources,andunstableecosystemtransformationaretheprimarycausesofpollutioninnewbornwetlandsintheeasternplainmin-收稿日期：20230403修回日期：20230617责任编辑：王凡DOI：10.13225/ki.jccs.CN23.0426基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974313，41907405)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20180641)作者简介：陈浮(1974)，男，江苏射阳人，教授，博士生导师。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：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)：28362849.CHENFu，ZHUYanfeng，MAJing，etal.Cooperativeremediationmechanismandkeytechnologiesforpollu-tionreductionandcarbonsequestrationincoalminingsubsidenceareasoftheeasternplainJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(7)：28362849.第48卷第7期煤炭学报Vol.48No.72023年7月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJul.2023ingareas.Thecollaborativeremediationofpollutionreductionandcarbonfixationcanbeachievedduringtheprocedureofnitrogen,phosphorus,andorganicmatterdegradation,aswellasheavymetaldetachment.Theessentialprocessessuchasphotosyntheticcarbonfixation,carbondistribution,carbondeposition,andcarbonloss,affectthecarbonsinkinthenewlyformedwetlands.Thecarbonpoolstabilityofnewlyformedwetlandshowssignificantrelationshipswithplantrootexudates,plantdeadresidues,wetlandhydrologicalprocesses,activeorganiccarboncomponents,andmicrobialcom-munitystructure.Theexistingcarbonsinkpotentialofthenewlyformedwetlandintheeasternminingsubsidenceareasisabout4.43106t/a,whichcouldreach3.27107t/aupto2060.Afterartificialrestoration,theremediationcapa-citynitrogenandphosphoruspollutionofnewlyformedwetlandscanbeelevatedby32.7and42.5times,respectively.Establishingthestandingnavigationmarkofresourcesandprotection,andtheadaptivemanagementstrategiesforsyn-ergisticanddynamicadjustmentofpollutioncontrolandcarbonfixationeffectsandschemes,isanimportantguaranteeforimplementingcoordinatedremediationofcarbonsequestrationandpollutionreductionintheeasterncoalminingsubsid-enceplain.Inthefuture,itisnecessarytograduallyformakeytechnologysystemforenhancingmicrobialrestorationofenvironmentalmaterials,screeningofadvantageousvegetationand/orfunctionalbacteria,andtargetedproliferationofcarbonfixingmicroorganisms,providingscientificsupportforecologicalrestoration,farmlandprotection,andhigh-qual-itydevelopmentincoalminingsubsidenceareasoftheeasternplain,China.Key words:coalminingsubsidence；pollutionreductionandcarbonsequestration；collaborativeremediation；ecologic-alcarbonsink；adaptivemanagement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1。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1-2。研究表明，2018年黄淮海采煤沉陷常年积水面积为 26034.88hm2，考虑已复垦及雨季影响，实际沉陷面积要大 35 倍3。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4。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5。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6-7。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8-9。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 100a 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10。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%11。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 3m，再深挖可达 5m，部分深度甚至超过 20m12。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13。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。采煤沉陷洼地是一类面积大、性质特殊的新成湿地，它不仅是重要的水源涵养地和生态碳池，还是东部平原农田生态缓冲区和生物多样性宝库。东部平原一些矿区已实施部分区域生态修复，建设湿地公园、修复水体、保护水岸和恢复植被，优化湿地景观，发挥湿地功能14。但仍有很大一部分塌陷坑塘未得到充分利用，并且一些修复工程效益低、功能差，很难长时第7期陈浮等：东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术2837间实现系统自维持。因此，亟需新的修复理念和修复模式，但目前对新成湿地功能开发和保护缺乏深层次思考，从“治污固碳”协同视角充分发掘采煤沉陷新成湿地多功能协同研究尚处于空白。未来能否借助有限的人工干扰，将采煤沉陷洼地打造成周边高强度农业生产下泄水治理的“废水处理厂”，并促进新成湿地生态增汇等功能的迅速形成，从而达成治污和固碳双赢？为此，研究围绕两淮、鲁西、河南和冀中等东部平原农田采煤沉陷区降污固碳协同修复机制、适应性和潜力等方面展开分析，诠释新成湿地碳库形成及其稳定性机制，阐明东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复的关键技术，为科学治理东部平原采煤沉陷区提供新思路和决策参考。1东部平原采煤沉陷区治理概述1.1东部平原采煤沉陷区污染成因东部平原降水丰富、地下潜水位高，水是介导各类物质循环与迁移的最主要载体15。东部平原矿区沉陷从开始至稳沉一般只需 34a，采煤沉陷不但破坏了周围水系、积水成湖，还极易形成采矿污染和农业下泄废水汇流格局16。积水区常年水体浑浊、氮磷富集、藻类疯长、植被单一，并夹杂重金属污染或有机污染等严重问题。这归结于沉陷区水域形成的特点，主要原因有：(1)水源补给复杂。采煤打破了围岩原始应力平衡，产生移动变形和非连续破坏，导致地表产生倾斜、弯曲和水平变形，最终形成下沉塌陷区17。沉陷破坏了原有的水系，降水和地表径流汇入沉陷洼地，并且无法排水。此外，东部平原地下潜水位高，侧向补给形成沉陷区积水成湖18。(2)污染源多样化。东部人口稠密、农田肥沃，矿区周边多为重要的粮食生产区，沉陷区相对高程低，高强度农药化肥投入形成的农业下泄废水和几乎不经处理的村镇生产生活污水直排汇入沉陷区18-19。因此，多数沉陷区一旦积水便快速呈富营养化格局，并伴有重金属污染或有机物污染。此外，东部平原丰枯水季潜水位变化大，地表水与浅层地下水互补频繁，导致沉陷区污染迅速向周边河湖扩散，形成特殊的面源污染途径20。(3)水生生态系统不稳定。随着采矿活动延续，沉陷深度和面积不断扩大，积水面积、水质和水生生态系统群落结构和组成一直处于动态变化之中。研究表明，水生生态系统特征与煤炭生产规模、矿山服务年限及煤矿相关产业有着密切关系21，初期工农业生产生活污染直排，水体富营养化严重，各种藻类和浮游生物丰富。随着时间延长，营养物输入稳定，湿地功能逐渐完善，挺水植物生长茂盛，鱼类繁殖，藻类及浮游生物随之减少。但是持续不稳定可能会破坏水生生态系统演化，导致出现极端单一状态22(图 1)。面源污染排入水体富营养化NNNNNNNPPPPPPNNNPPP地下水废气逸散重金属淋溶运输排污土壤污染NP大气降水下沉塌陷地积水NNNNNNPPPPPPNP图1东部平原采煤沉陷区污染成因Fig.1Maincausesofenvironmentalpollutionincoalminingsubsidenceareasintheeasternplain2838煤炭学报2023年第48卷1.2东部平原采煤沉陷区生态修复成效东部平原矿区的潜水位高，多处于我国重要的粮食主产区，煤粮高度叠合。与干旱、半干旱采煤沉陷区不同，高潜水位采煤沉陷区呈现积水范围广、区域人口密度大、宜居环境受损、陆生向水陆复合生态系统转化等区域特性1。因此，以往开展的生态修复工程逐渐从传统的环境治理向环境经济社会效益统筹的区域生态系统重建转型。例如，孙凯华等15通过沉陷区现状调查和监测，开展了损害边界识别及治理利用适宜性评价。胡振琪等10提出“边采边复”理念，通过及时治理受损的生态环境，缓解煤炭资源开发利用与环境保护之间的矛盾。渠俊峰等23提出采煤沉陷区大面积规划成景观生态湿地，通过湿地耗水分析，进行湿地供水规划和湿地排水规划，验证了采煤沉陷湿地单位面积土壤碳库储量远高于其他地类。另外，一些学者对采煤沉陷地生态环境污染现状进行了探索。ZHANG 等24报道我国东部高潜水位采煤地表塌陷引发土壤盐碱化与坡度和积水情况呈显著相关，并影响底泥土壤质地、湿地水生植物根系及茎叶生长。此外，采煤沉陷后形成坡地土壤中氮、磷随地表径流流失，并导致塌陷区地表土壤营养水平下降，地下水上涌或侧漏导致采煤塌陷土壤含水量提高、土壤有机碳降低，采煤塌陷湿地沉积物中金属砷和镉浓度提高6。综上，从修复成效来看，以单一导向的修复工程基本可以实现修复目标，但环境经济社会多效益协同仍有待深入拓展。尽管已开展一些沉陷区环境污染调查，但相应的管理措施和解决方案几乎空白。东部平原矿区地下潜水位高、塌陷后易积水成洼。例如，淮南煤矿最终的沉陷总面积可达到 68726.0hm2，最大的积水深度超过 20m，相当于 100 个西湖的大小25，利用得当可形成巨大的生态净化和固碳潜力。然而，东部平原承载着我国粮食安全重任，化肥使用量大，农业面源污染严重，水体极易富营养化，加之煤炭开采引发的重金属和有机污染叠加，导致采煤沉陷区水陆生态系统功能退化，难以发挥净化和碳汇功能。因此，如何实现同步降污固碳、合理利用和恢复湿地强大生态碳库功能，是构建碳中和型采煤沉陷矿区生态修复的必由之路。2东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制2.1东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复的需求东部平原矿区井工开采方式导致围岩原有应力失去平衡，造成上覆地表塌陷。塌陷破坏了水的承载介质，导致地表水、包气带及地下水循环的彻底性改变，影响区域水循环。东部平原矿区是地下潜水位高，一般沉陷区面积大、积水深，且动态沉陷时间长特点1-2。加之高强度农业生产带来的面源污水直排，造成采煤塌陷区极易出现水体富营养化、恶臭，水体自净功能丧失6，严重危及水生动植物生存，威胁水产养殖和和农业灌溉，对居民饮食安全和健康造成负面影响。因此，改善采煤沉陷区水环境安全不容忽视。粮食安全是关乎社会安定的头等大事，是统筹国家安全和发展的底线，我国耕地与煤矿复合面积占比高达 10.8%，并以每年 70000hm2增速持续增长26。东部平原煤矿区多为国家重要的粮食主产区，2 者叠合区粮食产量占全国的 34.2%27。然而，东部平原矿区煤炭开采导致耕地破坏、塌陷积水，耕地生产功能永久性损失。同时，采煤塌陷还影响周边农田生态环境，导致土壤水分散失加大，土壤有机质含量下降，氮磷钾营养元素流失，造成耕地肥力低下，难以支撑作物高产稳产2。纵观疫情数年，区域性虫灾、旱灾频发，气候持续干旱，极端天气频繁出现，致使全球粮食安全形势进一步恶化28。在此大背景下，矿区生态修复不但要恢复区域生态，更要保护宝贵的优质耕地资源，扼守耕地红线，实现生态恢复与粮食安全等多目标协同。东部平原矿区开采沉陷后，由原始陆地生态系统向水陆复合生态系统演化。研究显示，仅徐州沛北矿区历史累积采煤沉陷面积高达 28226.58hm2，已修复面积 17759.73hm2，耕地复垦率为 41.2%。剩余的10466.85hm2采煤沉陷地多分布散、积水深、治理难29。然而，湿地生态系统具有巨大的碳存储能力，当前对高潜水位矿区采煤沉陷新成湿地碳汇功能缺乏关注，忽略了其潜在的巨大碳汇。在碳中和大背景下，采矿业面临巨大的挑战，矿区生态修复也应肩负起时代的新使命。但当下采煤沉陷区利用效率低，且不合理的生态修复方式不仅难以实现过程减排，还无法保障生态增汇，甚至造成高排放和湿地碳库损失。笔者认为，现阶段东部平原矿区生态修复策略与碳中和目标需求极不匹配，生态修复亟待转型，协调水环境污染耕地保护生态增汇之间的矛盾，形成矿区生态修复高质量发展新格局。2.2采煤沉陷新成湿地降污固碳协同修复的机制东部平原煤矿所处多为国家重要的粮食主产区，耕地保护压力大。为此，沉陷区生态修复优先考虑复垦为耕地，但受充填料少及技术和资金不足的限制，耕地恢复率一般为 40%60%，仍遗留大量坑塘水面10。因此，引入人工湿地修复是东部平原采煤沉陷第7期陈浮等：东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术2839区生态治理的重要特色。然而，采矿污染和农业下泄废水汇流加剧了湿地生态系统的氮、磷、重金属胁迫，影响了新成湿地的固碳过程。一方面，富营养化引起的光照可用性降低，导致植物光合作用和植物淀粉及可溶性糖含量显著降低，抑制了植物的初级生产，导致生物质中的碳汇减少2。另一方面，湿地土壤异养微生物活性弱，其将有机碳分解为 CO2的能力低，因此湿地土壤中保留了更多的植物有机碳。同时，湿地具有净化和减少周围水体(如有机物和氨)污染的能力，这些污染可能会改变土壤微环境，影响土壤微生物群落，对土壤/植物/生物呼吸和固碳过程产生不利影响14。一般情况下，在营养资源有限的环境中，微生物相互合作更倾向于协同，以较低的资源最大限度的提高营养获取效率和细胞生长效率，促进微生物衍生碳的生产和积累；而在营养过剩的环境中，微生物异养种群增加，种群之间的竞争明显增强，有机碳分解为 CO2逸失6。研究表明，氮磷和有机碳的输入促进了高度异养微生物(如-变形杆菌、-变形杆菌和酸杆菌)的生长和代谢，提高了土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和水体/沉积物动物呼吸，不利于微生物固碳14。另外，氮磷除直接促进微生物代谢和活性外，还会通过对微生物结构的影响间接影响微生物活性。大量的氮磷富集导致藻华、缺氧和植物群落的变化，可能影响湿地生态系统的碳固存，尤其是在当下全球变暖和 CO2体积分数升高的情况下。此外，矿区重金属污染影响水生植物生长发育，扰乱植物铁循环，抑制植被光合固碳过程；与相同环境下的植物和动物相比，微生物代谢对重金属胁迫更敏感。先前的研究表明，微生物通过吸附作用积累重金属离子，阻碍了微生物间电子和物质的运输和交换过程，影响微生物能量代谢，重金属污染土壤的微生物代谢熵较高，有机碳占生物碳组分的比例降低6。因此，微生物可以消耗额外的碳源以响应重金属的毒性作用，重金属胁迫下持久性强的微生物代谢会增加土壤生态系统碳的损失(图 2)。综上，采矿沉陷新成湿地污染物的迁移转化和湿地生态系统碳汇密切相关，因此优化新成湿地污染状况，能最大限度地提高湿地生态系统的碳汇储量。CH4CO2有机氮有机质碳沉积泥炭碳相关微生物产甲烷菌氮相关微生物下渗植物体基质吸附、沉淀、络合等沉淀、吸附微生物重金属硫化物含磷化合物可溶性磷酸盐不溶性磷酸盐脱附、溶解硫酸盐还原菌沉淀呼吸作用光合作用吸收氨NH+4氮气N2亚硝酸盐NO2硝酸盐NO3固氮反硝化硝化聚磷菌摄磷图2采煤沉陷新成湿地降污固碳协同修复机制Fig.2Synergisticremediationmechanismforpollutionreductionandcarbonsequestrationinnewbornwetlandsintheeasternplainminingareas3采煤沉陷新成湿地碳汇形成的关键过程及稳定性机制3.1采煤沉陷新成湿地碳汇形成的关键过程东部平原采煤沉陷破坏了水系网络，大气降水、浅层地下水和地表径流逐渐汇入沉陷洼地，形成永久或季节性积水塘。这些沉陷塘湖原先多为农田，积水后植物和土壤经过厌氧作用逐渐发生演化，转变为水生生态系统，具有湿地的水、土和植物特征，成为新的湿地9。在此过程中，沉陷与积水时间短，农田土壤迅速发生淹水潜育化和季节性淹水潴育化。下层煤矸石等固废充填物重金属盐离子逸散，随季节性变化带回表层，导致土壤盐碱化程度加重。此外，毛细现象加大表层土壤含水量，导致土壤渗透率下降，有效养分释放变缓12。另外，沉陷积水改变底泥厌氧环境，陆生植物逐渐消亡、腐烂，土壤微生物作适应性转变，厌氧菌类逐渐占主导地位，分解速率下降，动植物残体得不到充分分解并逐渐积累，丧失碳汇功能13。从沉陷积水到湿地功能逐渐形成，藻类和水生植物在碳汇形成中起关键作用。包含：光合固碳及碳分配。沉陷积水抑制了陆生植物生长，水生植物逐渐2840煤炭学报2023年第48卷形成，它们与藻类和自养细菌吸收大气中 CO2利用光合作用实现有机碳的储存。水生植物可通过调节自身碳的部位分配来满足生长、繁殖的需求以及应对环境胁迫，光合碳向植物根系分配和转移直接影响土壤碳库动态；碳沉积。植物和藻类固定大量的光合碳，部分经动物食用转化，但生物死亡、凋落后沉积于底泥，底泥饱和厌氧环境不利于生物残体分解，最终不断沉积并逐渐形成泥炭；碳损失。水下厌氧环境并不代表光合碳能够被充分储存下来，光合碳仍会被微生物降解和矿化作用形成 CO2和 CH4再次释放到大气中，其中 CH4占重要地位，主要通过植物根系分泌物乙酸的发酵或 H2/CO2的还原产生。3.2东部采煤沉陷新成湿地系统碳库及稳定性机制湿地生态系统营养贫乏、气温及水淹条件，致使植物分解率低，大量碳以泥炭有机质的形式不断累积，成为陆地生态系统主要的土壤碳库30。采煤塌陷型新成湿地多为不流动死水，自我调节能力相对较弱，因此其结构、功能和稳定性会受到更多人为因素干扰。碳库稳定性决定了湿地固定和储存有机碳的能力，对调节矿区复垦土壤健康及碳氮循环功能起着关键作用31。深入理解东部平原采煤沉陷新成湿地系统碳库的稳定性机制，对土壤有机碳的固定潜力评估、全球变化下陆地生态系统碳汇的可持续性预测以及适应性管理策略制定至关重要32。相关研究表明，湿地系统碳源/汇表现出明显的时空变异性，植被类型、水文过程、土壤质地及微生物等均会对 SOC 的积累、储存产生影响(图 3)。大气土壤/沉积物水体CO2埋藏凋落物残体SOC微生物沉积生长繁殖死亡残体胞外酶底物自养固碳呼吸分解好养分解CO2水文过程根际分泌物呼吸作用光合作用碳分配黏土矿物交互浮游植物图3东部平原采煤沉陷新成湿地碳汇形成及稳定性机制Fig.3Mechanismofcarbonsinkinnewbornwetlandsintheeasternplainminingareasintheeasternplain(1)植物根系分泌物和植物死亡残体的输入是土壤有机碳的主要来源之一，因此植物群落的改变必然影响土壤有机碳含量33。一方面，植物根系分泌有机质差异对 SOC 含量贡献产生直接影响和；另一方面，植被凋落物组分差异影响其在土壤中的降解速率，进而影响 SOC 转化过程。东部采煤新成湿地土壤微生物多为厌氧型，凋落物堆积在微生物活动相对较弱的湿地中，形成动植物残存体所组成的泥炭。由于泥炭饱和的厌氧特性，植物残体分解释放二氧化碳的过程十分缓慢，从而有效固定了植物残体中的大部分碳。根系分泌物富含有机化合物，较早研究表明，地下碳输入 SOC 较地上输入更为稳定，根系分泌物在氮含量高的土壤中可形成矿物相关有机碳，其受到矿物缔合保护表现出更高的持久性34。反之，新根系分泌物可通过增加根际微生物活动提高 SOC 利用率，导致大量 CO2释放到大气中。因此，植被修复不仅可以直接增加植物碳库，还可以借助光合作用产物通过根系向土壤输出、凋落物积累等过程间接增加土壤碳库，同时促进复垦土壤团聚体形成35。(2)除植被类型外，气候条件、土壤理化性质、微生物活性和植物生长发育等均会影响湿地碳库稳定性。淡水湿地生态系统水文过程主要受地表淡水与地下咸水之间的相互影响，是维持湿地生态功能的关键要素，这决定了湿地动植物区系和土壤生物地球化学循环特征36。在地表径流作用下，土壤有机碳以溶解性形式进入邻近水域。水位的高低、干湿状况等通过影响湿地土壤的氧化还原电位和微生物分解作用改变土壤有机碳含量37。土壤硝化作用随水分的增加而增强，为微生物的新陈代谢提供能量。湿地土壤盐碱化或地表淹水，也可改变植被光合碳分配策略31。沉陷区积水富营养化对湿地的土壤碳库、植物碳库和水体碳库均有较显著影响，但影响程度尚未定量化。水体中浮游植物大量繁殖，沉积到底部，使沉积物和有机碳含量增加，可归因于湿地富营养化的加速发展和流域营养负荷的增加38。同时，藻华爆发使得表层水体的溶解性有机碳浓度升高，溶解性有机碳可以输入下游水体，导致水底泥界面的碱度升高，加速沉积物中无机碳的损失。因此，从长远来看，富营养化对于湿地的碳汇功能是不利的39。(3)活性有机碳组分、土壤自身属性如养分状况、酸碱性和盐分含量等因素会对 SOC 的分布和储量产生最直接影响40。高潜水位矿区土壤矿物结合态有机碳和轻组有机碳占比大(60%)，微生物量占比极小。尤其是高价铁铝氧化物和黏土矿物，通过配位体置换、高价离子键桥、范德华力和络合作用等提高土第7期陈浮等：东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复机制与关键技术2841壤有机碳稳定性。由于矿物质可以保存动植物残体和微生物代谢产生的可溶性有机化合物，土壤有机碳的积累很大程度上取决于铁铝氧化物的巨大表面积对可溶性有机物的吸附能力41。微生物矿物有机碳的相互作用对湿地碳的保存起着重要调控作用，金属氧化物、黏土矿物组成、黏粒含量及其表面性质会强烈影响土壤有机碳的稳定性。WISEMAN 等42人对德国中部的 5 种土壤进行分析，检验吸附机制对有机碳稳定的重要性，结果表明铁铝氧化物等可用矿物质似乎强烈影响土壤的吸附能力和 SOC 含量。黏土矿物具有较强的表面吸附能力，更易吸附降解性较差的疏水性有机碳。除直接影响有机碳的稳定性外，黏土矿物和铁铝氧化物还通过土壤团聚过程对稳定性产生间接影响。(4)微生物的群落结构及其多样性主要通过对土壤、水体、沉积物中各种形式碳的转化和代谢对湿地碳库及其稳定性产生影响43。例如，微生物和酶在有机质矿化过程中发挥重要作用，其对有机物的选择性分解可将较降解的复杂化学物质富集，还可改善土壤团聚体状况，形成土壤有机质物理性保护作用。另外，某些微生物具有特殊的固碳机制，例如芽单胞菌门等含有叶绿素的微生物可固定有机碳，增加湿地碳汇；-变形菌可降解芳香族化合物进行呼吸作用44。然而，微生物生物质残留物积累可形成稳定的 SOC，而微生物的呼吸增加致使 SOC 不稳定。笔者先前的研究表明，有机碳的化学结构和复杂性取决于微生物“体内周转”和“体外修饰”2 种途径的相对贡献。经过微生物持续的“体内周转”，不同化学成分的外源性有机碳输入将趋于相同；而“体外修饰”使得植物源碳组分趋于不同。另外，某些微生物及其代谢产物也是难降解有机碳的重要成分，如细胞壁的难降解性和复杂多聚物的形成45。4东部平原采煤沉陷区降污固碳协同潜力及适应性管理方法4.1东部平原采煤沉陷区降污固碳协同修复潜力估算降污固碳是当前我国经济社会发展的主流理念，2 者间协同修复主要是针对矿山开采导致的土地与环境损伤，采取综合整治措施，使其恢复至最佳可供利用状态的同时，达成固碳增汇的目的。既要抑制受损土地碳排放增大，又要恢复固碳能力，并借助修复技术的革新进一步提升碳汇潜力。估算增汇潜力是降污固碳重要一环，本研究对安徽、山东、河南、河北、江苏等东部高潜水位矿区开展调查，依据现存沉陷面积46和预知沉陷面积和湿地净生态系统生产力(NEP)系数47对东部平原矿区采煤沉陷新成湿地碳汇潜力进行估算(式(1)。碳汇潜力=沉陷面积(1复耕率)NEP(1)东部平原矿区复耕率多介于 40%60%，数据来源于自然资源部(https:/ 146 份矿山地质环境保护与土地复垦方案。湿地净生态系统生产力系数来源于 LI 等47编制的全球年度 NEP 观测数据库，依托于同化作用吸收二氧化碳和生态系统呼吸作用碳损失，2 者差值代表生态系统净碳平衡。估算表明，2020 年东部平原采煤沉陷湿地固碳潜力为 4.43106t/a1.06106，8.94106，预计2060 年采煤沉陷湿地固碳潜力可达到 3.27107t/a1.02107，6.60107，约为当前固碳能力的 7.38 倍，由此可见，未来东部平原矿区采煤沉陷新成湿地固碳潜力相当可观(图 4)。目前全国尚无采煤沉陷新成湿地降污能力实测案例，因此采用人工修复湿地案例估算其降污潜力。笔者调研了徐州沛北矿区安国煤矿采煤沉陷区生态修复及水质状况，利用 ArcGIS10.2 提取 2020 年第 3次全国国土调查(15000)中安国湖人工修复湿地面积(125.37hm2)以及 1000m 缓冲区范围内耕地面积(509.49hm2)。从近 5a 沛县生态环境局对安国湖人工湿地水质监测数据来看，整体保持在类地表水质量标准。为此，假定人工湿地自净能力刚好完全消纳了周围 1000m 范围内耕地化肥流失。据2020 年沛县统计年鉴，全县平均化肥施用量为 699.81kg/hm2，其中氮磷钾分别占 61.4%、15.1%和 23.5%，区域化肥利用率估算为 40.2%48，人工湿地平均水深 1.5m。经测算 1000m 范围内耕地化肥流失量可造成人工湿地水体中氮、磷、钾质量浓度分别达 33.68、8.29，12.89mg/L，远超过国家地表水环境质量标准(GB3838 2002)类 水 中 氮、磷 质 量 浓 度 指 标(1、0.2mg/L)。因此，当人工湿地将周边面源污染降至类水标准时，其氮、磷降污能力相当于分别提升 32.7倍和 40.5 倍。综上，对东部平原矿区采煤沉陷实施降污固碳协同修复，不仅可改善水质、发挥湿地净化功能，还可提升生态系统服务、固碳增汇。值得注意的是，湿地系统碳汇能力在不同区域存在差异，净生态系统生产力受植被、土壤、水文等因素影响，同时也受环境条件、气候变化等因素影响。此外，碳汇潜力大小既取决于对现有沉陷新成湿地的保护和管理，也取决于受损矿区域最大的恢复程度。有针对性开展植物筛选与配置、水文调控、土壤底质改良等，建立生态补偿机制，2842煤炭学报2023年第48卷利用经济手段，避免过度人为干扰。另外，完善监控体系和评价标准，统筹考虑新成湿地整体生态功能，使碳汇与降污的协同效应实现最大化。4.2采煤沉陷区协同修复适应性管理东部平原矿区采煤沉陷区呈现独特的区域性特征，形成水能粮地交织格局。协同修复是改善和恢复沉陷环境的有效手段，统筹资源保护和生态修复。然而，矿区复垦存在长期性、复杂性、非线性、不确定性和多层嵌套的特点，基于“预测减缓实施”的传统静态修复思维已经难以满足东部平原矿区水能粮地矛盾缓解的需求。因此，客观上要求东部平原矿区生态修复必须转变理念和改进技术。山水林田湖草生态保护修复工程指南(试行)明确了适应性管理概念，为打破静态方式下环境自适应困境，要不断学习总结、及时修正管理过程中的问题，这种动态思维正是东部平原高潜水位矿区生态修复管理的实践需求。当前，矿区生态修复适应性管理应具有显著的目标导向性，以碳中和目标为切入点，以协调资源保护和生态增汇平衡为对象。适应性管理核心边界要满足空间尺度、时间尺度和规模尺度上的耦合，指明能源开发耕地保护污染治理固碳增汇的多元目标，制定目标导向、设计规划、方案执行、动态监测、评估反馈、持续修正的交替式螺旋循环管理框架49-50(图 5)。(1)资源与保护统筹立标。目标导向设计规划。目标制定是适应性管理的基础环节，基于矿区生态修复的长期性和不确定性，东部平原采煤沉陷区适应性管理涉及短期、中期和长期目标，并依据生态系统破坏程度将生态修复规模等级划分为轻度、中度和重度。阶段性管理目标既要从微观上缓解生态本底问题，为水域耕地1 000 m缓冲区耕地10NEP/(thm2a1)32N114E116E0118E120E122E34N36N38N