基于实地与工程关联评估小规模废弃矿山修复碳封存潜力的框架

《Journal of Environmental Management》：A field-based and engineering-linked framework for assessing carbon sequestration potential in small-scale abandoned mine restoration

　　

摘要

在全球变暖加剧的背景下，碳核算作为控制温室气体排放和减缓气候恶化的关键步骤。废弃矿山的生态恢复可以产生显著的碳效益。然而，目前缺乏量化矿山生态系统碳收益的实用框架，导致碳核算中的低估和恢复项目效益的低估。遥感数据常被应用于大规模恢复区域评估，但当应用于具有巨大碳封存潜力的中小型矿山时，可能会涉及相当大的不确定性。本研究采用基于样地的实地测量方法，并结合主要恢复措施，估计了林地、灌丛和草地三种土地利用类型中地上和地下碳库碳储量的增加。将本研究开发的框架应用于中国广东省韶关市一个 99 公顷的矿山生态恢复场地，基准恢复情景下估计的碳封存潜力约为 104,760 兆克碳 (Mg C)，不确定性范围为 72,507-124,884 兆克碳 (Mg C)。路径级蒙特卡洛模拟产生的中位估计值为 101,555 兆克碳 (Mg C)，95% 不确定性区间为 79,367-119,395 兆克碳 (Mg C)。其中，超过 80% 的碳汇由树木生长贡献，而通过土地复垦恢复有机质含量和土壤肥力构成了树木生长和碳积累的基础。不确定性和敏感性分析证实，植被参数主导估计不确定性。该方法为湿润和半湿润气候下小规模废弃矿山恢复中提高碳封存效率提供了实用定量依据，并支持完善碳评估体系和环境管理决策。

引言

人类活动排放了大量温室气体，导致全球地表温度比 19 世纪末增加了约 1.1 °C（Lee and Romero, 2023）。为确保人类可持续发展，在减少排放的同时增加碳储量以缓解温室效应的加剧至关重要（Lee et al., 2018; Lenton et al., 2019）。世界各国和组织为此设定了目标并引入了政策，设计并实施全球剩余碳预算（European Commission, 2024; Friedlingstein et al., 2025）。在此背景下，采矿业面临巨大的转型压力。一方面，全球对能源和矿产资源的需求持续增长（Aska et al., 2022; Gidden et al., 2025; J. Wang et al., 2024）。另一方面，煤炭的过量燃烧排放了大量温室气体，无规范的采矿活动造成了严重的生态破坏，包括植被退化、土壤侵蚀、岩层破坏以及一系列环境污染问题（Giljum et al., 2025; C. Yang et al., 2025）。许多国家加强了对废弃和高排放矿区的监督和关闭，并开展了一系列碳回收研究和废弃物管理（Cheng et al., 2022, 2026）。同时，在废弃矿区启动了恢复项目（U.S. Geological Survey, 2024; J. Wang et al., 2024）。如今，矿山修复正从传统土地复垦向生态恢复演变。这是一种专注于恢复生物多样性、改善土壤健康并重建自维持生态系统的方法（Dixon et al., 2022; Gerwing et al., 2022; Shao et al., 2023;Young et al., 2022）。植被恢复和土壤重构都可以为恢复矿山生态系统中的碳积累做出贡献（Chen et al., 2025; Sun et al., 2024）。因此，废弃矿山恢复可能为区域碳封存提供重要但常被忽视的贡献。

然而，中小型碎片化矿山恢复项目的碳封存效益并不总是能被当前的碳核算系统充分捕捉。在全球碳预算中，大多数土地利用数据集不包含独立的采矿土地类别。相反，这些区域通常被归类为裸地或其他土地分类。由模糊分类和其他错误引起的不准确导致陆地碳汇被低估约 6-10%（Friedlingstein et al., 2025）。因此，建立矿山恢复碳封存评估框架对于改善恢复规划、碳核算和环境管理至关重要。这样的框架也可能为未来的碳补偿或碳信用应用提供初步信息。

近年来，关于矿区碳汇核算和效益评估的研究采用了多尺度方法，包括实地样地测量、遥感 - 模型耦合、生命周期评估和生态系统过程建模。大陆至国家尺度的评估通常依赖于 MODIS 和 LUH 等粗分辨率产品，而区域或矿场评估通常使用分辨率为 10-30 米的 Sentinel-2 或 Landsat 数据（Ranjan and Gorai, 2024; M. Wang et al., 2024）。这些方法适用于大规模监测，并可与实地观测、荟萃分析和机器学习相结合以估计碳封存潜力（Zhu et al., 2024）。遥感方法在中小型碎片化矿山恢复项目中可能受到尺度不匹配、混合像元、光谱相似性与工程记录联系薄弱的限制（O'Donnell et al., 2024）。关于实地样地测量的先前研究为复垦矿山生态系统中的单个碳相关路径提供了实证支持。然而，这些研究通常关注单个碳组分（表 S1）。

为了弥补这些差距，本研究询问如何通过基于实地和工程关联的核算框架量化中小型废弃矿山恢复项目的碳封存潜力。基于这些考虑，研究目标如下：(1) 将现有的碳核算方法整合到基于实地和工程关联的废弃矿山恢复框架中；(2) 量化土壤和植被碳库类别中的情景碳封存潜力；(3) 通过中小型废弃粘土矿山恢复项目案例研究展示框架的运行可行性。

章节摘要

方法论

森林生态系统由五个碳库组成，即地上生物量 (AGB)、地下生物量 (BGB)、凋落物和枯木 (L + D)、土壤有机碳 (0-1 米，SOC) 和收获木材产品 (HWP)（Luyssaert et al., 2008）。这些碳库分别约占森林总碳储量的 25-35%、5-10%、5-10%、45-55% 和 2-5%（Joshi and Garkoti, 2025; Li et al., 2023; Stokland and Alfredsen, 2024）。碳在大气和植被之间固定

研究区域与采样

研究区位于中国广东省韶关市新丰县的一个露天废弃矿山（114°8′28″-114°11′49″ E,24°5′42″-24°9′1″ N）（图 2）。2024 年 4 月初，在工程区附近选择地理和气候条件与项目地点相似的区域建立树木样地和土壤样地。实地工作包括记录样地海拔和 GPS 坐标等基本环境信息；测量高度 (H)，

遥感模型与实地测量的比较

遥感与实地方法在碳汇潜力评估中是互补的。遥感方法适用于大规模应用，效率较高，而基于样地的实地测量更适合需要直接碳库数据的小规模评估。在全球和大型区域尺度上，样地清查和遥感方法得出的碳储量估计值通常可比，差异通常在 10 到 15% 之间（Saatchi et al., 2011）。

结论

本研究开发了一个基于实地和工程集成的框架，以评估中小型废弃矿山恢复项目的碳储量潜力。该框架整合了现有的碳核算方法，并将恢复工程实践与两个主要碳库：土壤和植被联系起来。案例研究展示了该框架在数据受限条件下的实际可行性。99 公顷恢复项目的估计碳储量潜力为

CRediT 作者贡献声明

崔怡涵：撰写 – 初稿，方法论，调查。孙康宁：撰写 – 审阅与编辑。曹阳：撰写 – 审阅与编辑。佟宝才：撰写 – 审阅与编辑。刘琳美：撰写 – 审阅与编辑。翟远征：撰写 – 审阅与编辑，指导，资源，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本工作得到黑龙江省松嫩 - 三江平原地下水资源开发与保护重点实验室开放基金（GRDPSPH202403）的支持。

崔怡涵|孙康宁|曹阳|佟宝才|刘琳美|翟远征

中国北京 100875，北京师范大学水科学院