摘要：在全球气候变化日益严峻的背景下，实现碳中和已成为各国共同追求的战略目标。煤矿复垦林地作为生态修复的重要领域，其碳汇潜力的科学测算对于推动区域低碳转型和构建生态补偿机制具有关键意义。本研究立足于碳中和目标，系统探讨了煤矿复垦林地的碳汇形成机理、测算方法体系及提升策略。通过构建多尺度、多维度的碳汇测算模型，深入分析了不同复垦模式下的碳汇效应差异及其影响因素。研究发现，科学合理的复垦措施可显著提升林地碳汇能力，为实现区域碳中和目标提供有效路径。本研究不仅完善了煤矿复垦区碳汇测算的理论体系，还为制定差异化的生态修复政策提供了科学依据，对于推动我国" 双碳" 目标的实现具有重要的实践价值。

关键词：碳中和; 煤矿复垦; 碳汇潜力; 生态修复; 测算方法

引言

随着全球气候变化问题日益突出，碳中和已成为国际社会的共同目标。我国作为负责任的大国，明确提出 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的战略目标。在这一背景下，煤矿复垦林地的碳汇潜力研究具有特殊的重要意义。煤矿开采活动导致大量土地损毁和生态系统退化，不仅造成巨大的环境问题，还加剧了碳排放。通过科学复垦恢复林地植被，不仅可以修复受损生态系统，还能形成重要的碳汇，为实现碳中和目标作出积极贡献。然而，当前关于煤矿复垦林地碳汇潜力的研究仍存在诸多不足：测算方法尚未形成统一标准，长期监测数据匮乏，碳汇形成机理认识不够深入，提升策略缺乏系统性等。这些问题的存在严重制约了煤矿复垦区碳汇功能的充分发挥。本文基于多学科交叉视角，系统研究了煤矿复垦林地的碳汇形成机制，构建了科学的测算方法体系，提出了针对性的提升策略，旨在为碳中和目标下的煤矿生态修复提供理论支撑和技术指导。

1 煤矿复垦林地的碳汇形成机制

1.1 植被恢复对碳汇的贡献

植被恢复是煤矿复垦林地碳汇形成的核心过程，其通过光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机物质存储在植物体内。不同植被类型和配置模式对碳汇效率产生显著影响：乔木层作为主要的碳汇载体，其生物量积累和碳存储能力直接决定了林地的碳汇潜力；灌木层和草本层虽然个体碳存储量较小，但其快速生长特性和较高的生产力对短期碳汇形成具有重要贡献。研究表明，科学的植被配置可以显著提升碳汇效率，混交林模式通常比纯林具有更高的碳积累速率和稳定性。在树种选择方面，速生树种如杨树、桉树等在复垦初期能快速形成碳汇，而慢生树种如橡树、松树等则具有更长期的碳存储能力。

1.2 土壤碳库的动态变化

土壤碳库是煤矿复垦林地碳汇的重要组成部分，其动态变化直接影响碳汇潜力的长期稳定性。煤矿开采活动通常导致表层土壤严重破坏，有机质含量急剧下降。复垦过程中，随着植被恢复和凋落物输入，土壤碳库开始逐步重建。这一过程受到多种因素影响：植被类型决定凋落物的数量和质量，进而影响土壤有机质的积累速率；微生物活动控制有机质的分解和转化过程；气候条件如水热状况调节着碳的固定与释放平衡。研究表明，复垦初期土壤碳积累速率较快，随着时间推移逐渐趋于稳定，这一动态特征应在碳汇测算中予以充分考虑。值得注意的是，不同土层深度的碳积累模式存在差异：表层土壤（0-20cm）碳含量恢复较快，而深层土壤（20-100cm）的碳积累则需要更长时间。

1.3 微生物群落对碳循环的调控

微生物群落在煤矿复垦林地碳循环中扮演着关键角色，其通过分解有机质和参与养分循环直接影响碳汇过程。煤矿废弃地土壤微生物群落通常结构简单、功能受限。随着复垦措施的实施，微生物多样性逐渐恢复，碳循环功能也随之增强。特定功能菌群如固碳菌、解磷菌的存在可显著提升碳汇效率：固碳菌能够直接固定大气中的二氧化碳，增加土壤碳库；解磷菌通过释放磷素养分促进植物生长，间接增强碳汇能力。微生物与植物根系形成的共生关系（如菌根）对碳分配具有重要影响：外生菌根真菌可以帮助植物获取水分和养分，同时促进碳向土壤的转移；丛枝菌根真菌则能增强植物的抗逆性，提高碳固定效率。研究表明，复垦年限对微生物群落结构和功能具有显著影响：复垦初期的微生物群落以快速繁殖、偏好易降解碳源的 r- 策略菌为主，代表性菌属包括假单胞菌属（Pseudomonas）、肠杆菌属（Enterobacter）和芽孢杆菌属（Bacillus 部分种），它们能迅速利用可溶性糖、氨基酸等简单碳源，驱动早期碳周转；随着复垦时间延长，以链霉菌（Streptomyces）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）为代表的K- 策略菌逐渐占据优势，通过高效分解木质纤维素和形成腐殖质，显著促进土壤稳定碳库的积累。因此，在煤矿复垦实践中，可通过接种特定功能微生物或添加有机改良剂来优化微生物群落结构，从而增强碳汇功能。特别值得关注的是，微生物残体碳对土壤有机碳库的贡献可达 50% 以上，这一过程应在碳汇测算中得到充分考虑。

2 煤矿复垦林地碳汇潜力测算方法

2.1 基于生物量法的碳储量测算

生物量法是煤矿复垦林地碳储量核算的基准手段，核心在于把植被各器官干物质乘以含碳系数。为直观展示复垦 10 年后刺槐—油松混交林的碳储量构成，研究将生物量法测算结果汇总于表1。综合各组分，复垦林地总碳储量达到 69.3 t C⋅hm^-2 ，为同期未复垦裸地 （4.7tC⋅hm^-2 ）的14.7 倍，对应年均碳增量 6.5tC⋅hm^-2 。

表 1 晋陕蒙矿区复垦 10 年刺槐—油松混交林碳储量构成（表格类别从属关系）

2.2 基于涡度相关法的碳通量监测

基于涡度相关法的碳通量监测在山西大同矿区 15m 高通量塔连续三年的观测显示，煤矿复垦8 年的刺槐—樟子松混交林年均净生态系统 C0₂ 交换量（NEE）为 -865 gC^∙m^-2 ，表明该林地年均净吸收 8. 65tC⋅hm^-2 ，其中生长季（5–9 月）贡献 92% ；白天最大碳吸收峰值出现在 7 月中旬，瞬时通量 −18.4 μmol·m^-2⋅s^-1 ，夜间平均呼吸排放 2.3 μmol·m^-2⋅s^-1 。能量平衡闭合度为82%，满足 FLUXNET 质控标准；经 Webb-Pearman-Leuning 校正后，数据捕获率 93%，缺失值采用边际分布采样法插补。与非生长季相比，冬季（12–2 月）土壤温度降至 ，NEE 平均仅 -0.12 g C⋅m^-2 ⋅d^-1 ，几乎处于碳中性状态。极端干旱年（2019 年，降水减少 38%）NEE 降至 -621 g C⋅m^-2 ，较正常年份下降 28%，突显水分对碳汇稳定性的关键作用。通过 30 min 高频数据积分，全年总初级生产力（GPP）为 1 432 gC∙_II∙^-2 ，生态系统呼吸（Re）567 g C⋅m^-2 ，碳利用效率（CUE）达 0.60，高于全球温带森林平均水平 0.48。该塔尺观测结果与 1 km 半径生物量法估算值偏差 47% ，验证了涡度相关法对矿区复垦林地碳汇动态的高精度刻画能力。

3 提升煤矿复垦林地碳汇潜力的策略

3.1 优化复垦植被配置模式

优化复垦植被配置是提升煤矿复垦林地碳汇潜力的核心环节，应以“适地适树、乔灌草复层混交”为理论导向，兼顾生物多样性与长期稳定性。准格尔旗黑岱沟露天矿 14 个乔 - 灌 - 草复层样地 8年监测表明，该模式植被碳汇量平均达 32.2 g∙m^-2∙a^-1 ，较单一乔木+ 草本（29.1 g⋅m^-2⋅a^-1 ）与灌木 + 草本（23.7 g∙m^-2∙a^-1 ）分别高 10.7% 和 35.9%，总碳汇量达 142. 1t⋅a^-1 ，其中植被贡献 99.9 tan⋅a^-1 、土壤贡献 42. 2t⋅a^-1 。黄土高原平朔排土场 22 年生油松- 刺槐混交林 0–20cm 土壤有机碳储量增至 63.8 tan^-2 ，显著高于同龄纯林。机制上，混交林冠层分层截光使光合有效辐射利用率提升 15%–20%，根系深浅搭配促进 0–100 cm 剖面土壤碳年均增量达 2.8 t·hm⁻² ；同时，Margalef 物种丰富度指数与植被碳汇量灰色关联度达 0.735，说明多样性每提高 10%，碳汇量可相应增加 7% 左右。因此，建议在降水 >400mm 的复垦林地优先配置油松 - 刺槐 - 紫穗槐 -披碱草复层群落，初植密度 2500 株·tan^-2 ，其中乡土树种比例 ⩾70% ，后期通过补植慢生顶级种（如辽东栎）实现长期碳库稳态，预期 20 年总碳储量可突破 120tC⋅hm^-2 ，较纯林模式再增汇18%–25%。

3.2 创新土壤改良技术

土壤作为煤矿复垦林地的重要碳库，其质量改善直接关系到碳汇潜力的发挥。针对煤矿废弃地常见的土壤压实、贫瘠、结构不良等问题，需要采取综合改良措施：物理改良方面，深松耕配合有机质添加可有效打破犁底层，改善土壤通气透水性，研究表明深松 40-60cm 配合秸秆还田可使土壤有机碳含量在 3 年内提高 25% 以上。化学改良方面，针对酸性废弃地可施用石灰调节 pH 值，对于碱性废弃地则可使用石膏或硫磺粉改良，创造适宜植物和微生物生长的土壤环境。生物改良是最具潜力的方向，主要包括：有机废弃物资源化利用，如施用污泥、沼渣等，既能增加土壤有机质，又能实现废弃物循环利用，但需注意重金属等污染物的控制；生物炭应用，其高度稳定的芳香结构可形成长效碳库，同时改善土壤保水保肥能力，推荐施用量为 10-30t/ha ；微生物菌剂接种，特别是固氮菌、解磷菌和菌根真菌的复合接种，可显著促进植物生长和碳积累；绿肥种植，如豆科植物紫云英、苜蓿等，既能覆盖地表防止侵蚀，又能通过生物固氮增加土壤肥力。特别值得关注的是，这些改良措施的组合应用往往能产生协同效应，如生物炭与菌根真菌联合使用可提高碳封存效率40% 以上。

3.3 完善碳汇监测与管理体系

健全的监测与管理体系是确保煤矿复垦林地碳汇潜力充分发挥的制度保障。在监测体系方面，应建立多尺度、多技术的综合观测网络：站点尺度上，布设通量塔和固定样地，获取高精度的碳通量和碳储量数据；区域尺度上，利用遥感技术（如Sentinel-2、Landsat ）实现大范围、周期性监测；重点区域可采用无人机激光雷达进行高分辨率三维测绘。这些数据应统一整合到煤矿复垦碳汇数据库中，形成完整的本底资料和动态变化记录。在标准体系方面，亟需制定煤矿复垦林地碳汇测算的技术规范，统一采样方法、测定指标和计算参数，确保不同项目间的数据可比性。建议参考 IPCC 国家温室气体清单指南和 CDM 造林再造林方法学，结合煤矿复垦特点制定专门的标准体系。在管理机制方面，建议采取以下创新举措：将碳汇指标纳入矿山环境治理恢复基金使用考核体系，激励企业重视碳汇功能；探索建立煤矿复垦碳汇交易机制，允许企业将核证的碳汇量用于抵消部分碳排放；推行" 碳汇 $+ ^ { ＼dprime }$ 复合修复模式，将碳汇目标与生物多样性保护、水土保持等生态功能协同考虑。政策层面应加强部门协调，生态环境部门、自然资源部门和林业部门需形成合力，将碳汇目标落实到矿山生态修复的全过程。

4 结语

煤矿复垦林地碳汇研究为实现碳中和目标提供了重要路径，通过系统分析碳汇形成机制、创新测算方法和优化提升策略，证实科学复垦可有效转化矿区为碳汇功能区。未来需加强长期监测网络建设，完善碳汇测算标准体系，深化多学科交叉研究，并推动碳汇交易机制创新。建议开展典型区域示范工程，促进研究成果转化应用，同时加强国际合作交流。煤矿复垦区生态修复与碳汇功能协同提升，不仅助力 " 双碳 " 目标实现，更将推动资源型地区绿色转型，为全球气候变化应对贡献中国方案。

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