煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第7期

• “双碳”目标下煤炭能源地位变化与绿色低碳开发

  王双明, 申艳军, 宋世杰, 刘浪, 顾霖骏, 魏江波,

  在发挥煤炭能源安全供给兜底作用的同时，实现煤炭资源绿色安全开采、清洁低碳利用，是关乎国家能源安全和发展全局的重要命题。分析了国际发展环境变化对我国利用国际市场油气资源的影响，研究了建设社会主义现代化强国对能源供给的刚性需求，立足于现阶段我国煤为主体的能源开发利用现状，遵循建设人与自然和谐现代化的根本要求，提出了在实现“双碳”目标进程中，煤炭工业绿色低碳发展方向及路径。① 我国油气资源对外依存度分别超过70%和40%，油气战略储备不足，在国际形势深刻变化的背景下，利用国际市场油气资源的不确定性增加，国家能源安全外部风险有所增加。② 建设社会主义现代化强国必然带动能源需求刚性增长，在新能源目前难以安全有效替代化石能源的情况下，化石能源的主体能源地位短期内难以改变。③ 对标“双碳”目标，“达峰前”煤炭消费占比呈现持续下降态势，消费总量将迎来拐点。而“达峰后”煤炭主体能源地位将弱化，但战略性矿产资源和煤基原料作用会进一步凸显。④ 在“双碳”目标驱动下，煤为主体的基本国情决定了煤炭将继续承担能源安全供给兜底的重大使命，进一步发挥战略性矿产资源的原料作用。但煤炭的高碳资源属性决定了煤炭开发利用将面临保供和减碳的双重压力。因此，科学服务经济社会高质量发展对能源安全保供和绿色低碳的重大需求，必须立足现阶段我国煤为主体、新能源为补充的能源生产和供给特点，以实现生态文明建设新进步为根本遵循，加大煤炭减损开采与生态碳汇、深部煤层与煤炭采空区CO2地质封存和煤矿区新能源协同开发利用关键技术攻关力度，用技术创新支撑“双碳”目标下我国煤炭工业高质量发展。

• 煤炭零碳开采技术

  卞正富, 伍小杰, 周跃进, 程伟, 雷少刚, 朱超斌,

  在分析能源革命和全球绿色发展大趋势的基础上，提出了煤炭零碳或近零碳开采技术的概念与总体发展思路。煤炭零碳开采技术按照物质能量守恒定律，通过清洁能源消纳与源网荷储协同优化、二氧化碳地质封存、生态系统碳汇提升等实现煤炭开采过程二氧化碳的近零排放。井工煤矿和露天煤矿均以分布式能源为基础，借用虚拟电厂技术将矿区内部资源聚合，对源网荷储协同优化，构建矿区综合能源系统，平抑可再生能源电力的随机波动性，使得不同能源形态之间的耦合更加紧密，为能量的多级应用以及能源的合理配给提供保障，使用清洁能源是实现零碳开采的根本途径。二氧化碳地质封存包括密闭封存、矿化封存和吸附封存等形式，煤矿可充分利用开采煤炭形成的地下空间、岩体裂隙以及深部不可采煤层封存坑口燃煤电厂的二氧化碳，实现封存二氧化碳、处置固体废弃物和减轻下沉的多重效果，是实现零碳开采的重要手段。提升生态系统碳汇包括强化国土空间规划、提高土地种植利用率、优选植物、改良复垦土壤等方式，土壤与植物碳汇是实现零碳开采的必要补充。

• 基于4DGIS的智能化矿区云平台关键技术研究及应用

  毛善君, 景超, 李团结, 黄伟, 高鹏, 宋启, 李祥, 陈金川, 姜文磊,

  时空信息是智能化煤矿建设的重要基础，如何构建矿区统一的基于多维GIS的综合一体化管控决策平台，对提升智能化系统的实用性和可操作性具有重要的意义。针对目前智能化矿井、智能化矿区建设过程中矿区级GIS管理和应用方式单一、多层级管控模式缺乏全场景业务研究与应用、多源数据应用缺乏空间维度的融合分析以及生产设备控制缺少多系统空间协同联控机制等问题，提出了基于4DGIS的智能化矿区云平台总体框架，研究了基于“4DGIS+数字孪生”数据底座的“云边端”分层架构三级应用融合技术、基于大数据的跨数据库多源数据融合应用技术、基于4DGIS的自主可控设备群协同联控技术，研发了融合多元特征的时空图推理模型、基于大数据的决策支持模型应用子平台、4DGIS协同控制子平台，构建了“集团+矿井”生产要素全息可视、生产系统协同可控、生产管理智能可算的智能化矿区云平台，实现了煤矿井下的一键智能巡检、检修模式向生产模式一键切换的生产全过程协同控制、基于大数据的智能决策分析等功能，完成了单系统智能化向全矿区智能系统化的跨越。相关技术在黄陵矿业公司及所属一号煤矿、二号煤矿、双龙煤业、瑞能煤业4对矿井得到了实际应用，提高了矿井安全生产管控效率和集团公司的智能化决策支持水平。

• 双碳战略背景下中国煤电技术发展与挑战

  于伟静, 杨鹏威, 王放放, 李琦, 赵光金, 马京香, 马双忱,

  中国煤电装机容量世界居首，是中国最大的碳源，也是中国双碳目标及世界气候目标实现的关键。首先，梳理了中国煤电的发展历程，指出中国煤电具有体量大、清洁化、低碳化、产能过剩的特点。其次，分析了中国煤电发展的主要制约因素，指出煤电关乎发展问题，对社会稳定、经济发展、能源安全具有重要影响，退出具有一定的复杂性。此外，梳理了发展煤电的政策，表明中国将严控煤电，推动煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型。进一步，总结了煤电技术及挑战，将煤电技术分为节能技术、减排技术和灵活性技术，其中节能技术分为高效技术和提效技术，减排技术包括煤与低碳燃料掺烧、煤与新能源耦合发电和CCUS，灵活性技术包括机组燃烧侧灵活调峰技术、热电联产机组热电解耦技术、发电侧储能调峰和提高变负荷速率调峰技术。同时，中国煤电面临碳锁定已经形成、节能减排技术受限、灵活性技术待优化3方面的挑战。最后，通过国内外煤电对比分析，表明中国煤电机组先进、煤耗和碳排放强度等方面接近或达到世界领先水平，但煤电技术原创力不足，在先进节能技术、减排技术等方面积累不足，处于跟跑阶段。未来，中国应加强煤电的灵活性运行，综合考虑灵活性需求、机组特性、经济效益、环保效益，合理选择灵活性运行策略，确保整体效益最佳。同时，积极开发低碳发电技术和减排技术，为煤电减量退出做好技术储备。

• 能源领域碳系统结构优化和碳排放预测方法与实例验证

  罗必雄, 张毅, 张力, 张武军, 程远林,

  “碳达峰”和“碳中和”是事关全人类的一场社会性变革，如何准确的预测和降低碳排放是这场变革胜利的关键。为准确预测能源领域的碳排放量，采用多目标优化算法，以预测过程中的电力装机结构和能源消费结构成本最小化、结构更加清洁化以及碳排放量最小化为目标，基于电力平衡、电量平衡和调峰平衡等能源安全考虑，采用一种混合测算模型对碳排放量预测过程中电力装机结构和能源消费结构进行优化，从而根据优化后的能源消费结构得到基于电力装机成本和能源消费结构成本最优的最小碳排放值。整个预测过程主要分成3个部分，首先根据LMDI分解方法解析能源领域碳排放影响因素，可得GDP对碳排放的正向驱动效应明显，能源消费强度和产业结构对碳排放的负向驱动效应明显；其次，对碳系统结构进行初步优化、基于初步优化后的结果预测初始碳排放值；最后，基于过程的合理性和准确性，给出了一种模型评估方法，采用关键指标验证方法来对预测过程中的电能占终端能源消费占比、非化石能源消费占比和碳强度累计下降率等约束性指标进行反馈验证，经关键指标验证和多重反馈调整，最终得到满足多目标函数约束和各约束性指标的碳排放值。采用中部某省的实际数据对优化和预测过程的可行性和可靠性进行了验证，结果表明，仅在达峰场景下，该省能满足达峰目标以及通过3个关键指标验证。

• 煤炭在中国农村生活能源中的利用与退出路径

  曹淑艳, 徐勤飞, 张东玮, 黄岚, 龙菲, 张卫,

  碳中和对我国农村能源革命和能源转型提出了加速发展的更紧迫要求，煤炭退出农村生活能源系统是大势所趋，关键在于如何有序、有效、公平、高质量地退出。基于农村生活能源全品类谱系的消费量与碳排放，回顾评估1949年以来煤炭在我国农村生活能源系统中的作为、地位与影响；基于北京农村调查分析政策性退出煤炭的问题与挑战；进一步结合有效能需求评价与预测，系统分析农村生活能源系统碳中和转型的韧性、经济性和差异化瓶颈，预判煤炭在未来农村生活能源系统中的地位与贡献，探索煤炭退出机制。主要结论：① 我国农村人均生活能耗及有效能需求均处于增长通道，全电力模式下未来农村居民生活用电峰值预计人均5 000 kW·h。② 长远看，农村生活能源电气化将是以碳中和、可再生、市场化为核心特征的电气化。煤炭退出机制重在推动农村生活能源系统朝“清洁”能源转型，是“煤炭替代”与“替代煤炭”的有机综合。在农村绿色能源市场还没有充分发展之前，煤炭依然是确保农村能源安全的首选“压舱石”。③ 基于区域差异，提出跨越煤炭、煤炭替代(煤炭替代生物质，清洁煤升级)与替代煤炭(自愿退煤，强制禁煤)3类共5种能源转型路径，分类施策，组合发展。未来我国农村居民生活将享有一个富有韧性与公平性的现代化碳中和能源系统。

• 燃煤机组烟气余热利用系统优化运行研究

  杜晓楠, 白如雪, 桑鹏, 房立伟, 史月涛,

  富煤贫油少气的能源结构决定了我国以煤为主的能源格局短期难以改变，而燃煤电厂的排烟损失占锅炉热损失一半以上，充分利用烟气余热资源，不仅能降低对环境的污染，还可提高能源利用率，降低发电煤耗。依据国家标准对某1 000 MW超超临界二次再热燃煤机组进行多工况性能考核试验，全面分析设有空气预热器旁路烟道的烟气余热利用系统运行参数对机组经济性的影响；基于试验运行数据建立了Ebsilon系统仿真模型，通过变工况模拟数据与试验数据对比，验证了模型的准确性；基于仿真模型探索了高、低旁省煤器不同进水流量、空气预热器和旁路烟道的烟气比例对机组热力性能的影响规律，并探究不同负荷下高、低旁省煤器的最佳进水流量。优化结果表明：① 不同负荷下，最佳机组热经济性判据为给水主路和给水旁路混合点前基本无温差，以及低旁省煤器和6号低加混合点前的出水温差在0～5 ℃，此时高、低旁省煤器的进水流量为最佳进水流量；② 随着机组负荷升高，不同工况的高、低旁省煤器的最佳进水流量也随之增大；③ 运行时应保证磨煤机出口温度在70 ℃以上的前提下，增大旁路烟气比例来提高机组的经济性。同时，模型模拟所得影响规律及参数优化设置，可为超超临界二次再热燃煤机组深度节能提供参考。

• 雄安新区碳酸盐岩热储酸化压裂增产改造数值模拟研究

  赵志宏, 徐浩然, 陈思聪, 马峰, 王贵玲,

  地热井经常面临初期产能不足或运营期产能下降等生产性难题，酸化压裂作为一种柔性激发技术，是深层碳酸盐岩热储增产改造的首选技术，其基本原理是通过地热井向热储层注入化学压裂液，利用化学溶蚀作用来提高岩体基质孔隙率和裂隙开度。由于地热领域的酸化压裂工艺以借鉴油气领域的成熟经验为主，尚未形成完整的技术体系，特别是针对深部热储层增产的设计方法、工艺参数优选、预测模拟、效果评价等方面缺乏理论指导。基于裂隙岩体热水力化多场耦合理论框架，通过引入裂隙刚度和最大闭合量的酸蚀修正系数，提出了考虑力学与化学耦合作用的非线性裂隙本构模型，发展了适合于深层碳酸盐岩热储酸化压裂增产改造的数值模拟方法。依托雄安新区D22井酸化压裂增产改造现场试验，验证了所提出的模拟方法的正确性，研究了射孔位置、质量分数、排量等酸化压裂施工参数对增产改造效果的影响规律。结果表明：深层碳酸盐岩热储酸化压裂增产改造主要发生在初始开度较高的裂隙中，且酸蚀裂隙逐渐沟通了周边高渗储层，形成了酸化改造网络；增产改造效果不仅与酸−岩反应和水压作用下裂隙开度增加量显著相关，也取决于改造后裂隙的闭合路径；射孔位置距离高渗储层越近，酸化压裂改造效果越好；高浓度、大排量的施工方案有助于形成长裂缝，有利于连通高渗储层，酸化压裂改造效果更好。

• CO2地质封存潜力与能源资源协同的技术基础研究进展

  桑树勋, 刘世奇, 朱前林, 韩思杰, 张守仁, 谭克龙, 周效志, 郑司建, 王许, 刘统,

  规模化集群化部署是CCUS技术发展方向和化石能源低碳化利用的国家重大需求，CO2地质封存潜力与能源资源协同关系及机制是实现CCUS技术规模化、集群化部署的理论基础。系统梳理评述了国内外CO2地质封存潜力及其评价方法、CCUS源汇匹配与管网设计模型、CO2地质封存潜力与能源资源协同关系、CCUS集群部署技术基础与模式等领域的主要进展，讨论展望了我国CO2地质封存潜力与能源资源协同理论方法体系的研究思路。研究工作取得以下认识：CO2地质封存潜力制约着CCUS技术的发展潜力与应用规模，适宜性评价方法、封存容量评估方法和封存选址方法所构成的CO2地质封存潜力评价方法体系已初步建立，但亟待完善发展；源汇匹配是CO2运输管网设计与CCUS技术集群化部署的重要直接依据，完善建立CCUS源汇匹配规划优化模型与CCUS集群管网设计模型是技术关键，从单阶段静态规划模型向多阶段动态规划模型发展是方向；CO2地质封存潜力与能源资源协同关系构成了CCUS技术的约束条件，CCUS技术与可再生能源、氢能、储能等新能源技术的协同有望形成实现能源系统脱碳的新路径、新模式和新方向，CO2地质封存潜力与生物质、水资源协同关系约束了CCUS技术规模化部署地域和BECCS技术发展应用潜力，基于CCUS源汇匹配模型的能源资源系统优化模型研究也成为新的技术需求；CO2地质封存潜力、能源系统约束的CCUS源汇匹配优化方案和CCUS全流程技术体系构成CCUS集群化部署的重要技术基础，近源输送陆上封存CCUS集群部署模式应是我国优先考虑发展方向，远源输送陆上封存CCUS集群部署模式和离岸封存CCUS集群部署模式在我国长三角、大湾区等区域也有发展前景。

• 高钙粉煤灰固碳降碱反应特性及煤矿井下规模化利用新途径

  尹希文, 于秋鸽, 甘志超, 浮耀坤, 樊振丽, 纪龙,

  高钙粉煤灰浆pH较高，直接用于煤矿井下防灭火易污染地下水。为研究CO2矿化利用粉煤灰制井下防灭火材料固碳降碱反应特性，选取陕北某煤电一体化企业粉煤灰为样品，通过XRF、XRD分析了粉煤灰组分及物相结构，利用N2和CO2的混合气模拟电厂烟气，开展了CO2矿化利用粉煤灰实验室小试及扩试试验，研究了粉煤灰固碳降碱反应过程中浆液pH变化规律及模拟烟气CO2体积分数、烟气流量、固液比、温度、搅拌方式等关键参数对矿化反应过程的影响，并从粉煤灰固碳降碱浆液特性、矿化反应装置研制等方面提出了井下规模化应用有待攻克的关键技术，研究结果表明：① 粉煤灰原样中富含Ca2+、Mg2+、K+、Al3+等碱金属元素，其中CaO质量分数高达17.8%；② CO2与粉煤灰中含Ca2+、Mg2+等碱性矿物产生矿化反应，反应后CO2以方解石型碳酸钙附着在粉煤灰球形颗粒表面，表明了高钙粉煤灰固碳降碱具有可行性；③ 矿化反应过程中，浆液pH下降呈“慢—快—慢”3个阶段，当粉煤灰浆液pH降至7.0～7.5后，浆液返碱pH不会超过9，满足煤矿井下粉煤灰防灭火材料要求；④ 确定了最优矿化反应参数为CO2体积分数10%～15%、固液比300 g/L、每升浆液的烟气流量1.0 L/min、温度不高于55 ℃；⑤ 综合考虑固碳量、降碱返碱速度以及反应规模等因素，提出了涡流式反应器与旋桨式反应器串并联两级耦合反应系统。

• 超临界CO2作用下页岩抗拉强度的变化规律

  田时锋, 周军平, 鲜学福, 董志强, 郑懿, 邓光荣, 张平,

  CO2地质封存过程中，抗拉强度是评估CO2注入后岩石破裂压力以及裂纹扩展的重要参数。通过巴西劈裂试验研究了不同时间(10、20、30 d)超临界CO2(60 ℃、20 MPa)作用下干湿页岩的抗拉强度，劈裂模量和破坏特征的变化规律。研究表明：① 超临界CO2作用弱化了页岩的抗拉强度和劈裂模量，弱化程度随着作用时间的增加而增大，湿页岩抗拉强度和劈裂模量的弱化程度比干页岩大。② 原始页岩试样劈裂破坏后仅产生路径单一的直线型裂纹，超临界CO2处理后的页岩破坏后裂纹形态多样化，且产生了多条次裂缝。③ 通过核磁共振测试分析发现，超临界CO2作用后，页岩孔隙度的变化与页岩抗拉特性的变化具有较好的一致性，随着超临界CO2处理时间的增加，页岩孔隙度逐渐增大，劈裂过程中页岩破裂压力越低，页岩抗拉强度和劈裂模量弱化更明显。页岩孔径分布的变化对于页岩抗拉强度也具有显著影响，页岩抗拉强度和劈裂模量与微孔孔隙度的变化呈现正相关关系，与中孔和大孔的孔隙度呈现负相关关系，中孔和大孔的孔隙度增大在弱化页岩抗拉强度中起主导作用。CO2长期封存过程中，抗拉强度的减小可能导致在流体压力作用下页岩盖层更容易产生破坏，增加CO2泄露的风险。因此，需要考虑页岩抗拉强度变化建立破坏准则，对地层压力进行合理控制，以保证CO2封存的安全性。

• 有机胺电化学再生系统性能与影响因素

  徐楠, 张永春, 毛庆, 赵一铭, 郭新闻, 陈绍云,

  在碳中和背景下，碳捕集、利用与封存(CCUS)是实现节能减排的关键技术。针对有机胺溶液在碳捕集过程中存在的高能耗和降解问题，电化学介导胺再生(EMAR)是一种极具应用前景的碳捕集技术，原理是利用Cu(II)和吸收剂之间的络合实现二氧化碳(CO2)的释放。使用吸收解吸实验装置，测量了9种吸收剂的CO2吸收解吸性能。发现伯、仲胺溶液相对叔胺拥有更好的吸收性能，但在传统热解吸方法下再生效率不高，具有很大的改进潜力。直接向负载CO2饱和的胺溶液中加入Cu(II)，发现溶液展现出优秀的解吸性能。在相同条件下测试了不同有机胺溶液的阴、阳极电化学参数，综合考虑极化电位、电流密度和溶液内阻等电化学参数，以及吸收解吸性能和原料成本等，选择了二乙烯三胺(DETA)作为研究对象继续后续实验条件的探索。利用电化学反应装置对吸收CO2饱和的30%(质量分数)DETA水溶液进行研究，探究4种影响因素：电解质种类、电解质质量摩尔浓度、Cu(II)质量摩尔浓度和温度对电化学反应过程的影响。研究发现NaBr在所选4种电解质中具有更低的腐蚀电位，且在高质量摩尔浓度下电位的优势更为明显，更有利于反应的进行。高电解质质量摩尔浓度能使腐蚀电位相对未加入电解质时下降达到0.2 V，且它和温度都能有效降低电荷转移电阻，提高反应速率。此外，低Cu(II)负荷利于Cu(II)的生成和CO2的解吸，溶液Cu(II)质量摩尔浓度的增加会抑制阳极铜氧化为铜离子的过程，有利于单质铜的生成和DETA的再生。

• 直接空气碳捕集技术生命周期评价的研究进展及挑战

  王珺瑶, 何松, 严家辉, 曾雪兰, 邓帅, 雷励斌, 田志鹏,

  直接空气碳捕集技术(DAC)能够从空气中直接移除二氧化碳，在全球净零排放路径中具有重要作用。但该技术的可行性始终受高能耗及其伴生环境影响的质疑，其实际碳移除效率需通过生命周期评价(LCA)方法评估。概述了现有代表性直接空气碳捕集技术，其中基于高温再生的溶液吸收法(L-DAC)和固体吸附的变温吸附法(S-DAC)DAC系统技术成熟度较高，目前在商业化推广阶段。依据生命周期评价框架，从目标和范围、清单分析、影响评价结果及解释3个方面对DAC生命周期评价研究现状进行分析和评述。L-DAC和S-DAC技术均能够实现净碳移除，但DAC系统的生命周期碳移除效率区间较大，为10%～95%，且极大程度上取决于系统的能耗及能量来源。在DAC生命周期碳排放过程中，系统的热力和电力消耗所造成的温室气体排放占比超过80%，DAC运行过程中所需吸附剂、吸收剂消耗以及工厂建设产生的温室气体排放占比均小于10%。此外，DAC系统的生命周期水耗、材料消耗及土地利用等伴生环境影响也受到关注，初步估算DAC技术的水耗范围在0～50 Gt/Gt CO2，利用光伏、风电等可再生能源驱动DAC系统会导致其生命周期土地利用面积大幅增加。最后，对DAC生命周期评价发展趋势与挑战进行了梳理并展望了未来研究方向。目前，针对DAC系统的生命周期环境影响评估研究仍处于起步阶段，缺乏标准化的分析框架及实际项目数据支撑，且亟需扩展针对新型DAC技术的生命周期评价，DAC动态生命周期评价以及DAC与其他负排放技术的对比分析研究。

• 光热催化CO2还原制甲酸研究进展

  高慧敏, 荆洁颖, 李文英,

  CO2资源化利用是实现“碳达峰碳中和”目标不可或缺的环节。将CO2催化转化为甲酸是一种有效且最为原子经济的路径，但因CO2热力学性质稳定，导致其不易活化，反应转化率低。为了在温和条件下得到更高的甲酸产率，将光催化与热催化结合。光热催化主要体现在光活化上，通过激发载流子，调控电子注入位置和吸附位点有效活化CO2，热能则增强反应物CO2的吸附、电荷转移和反应速率，激活热活性位点，结合光催化的低能耗、反应条件温和与热催化高效率的优势提高甲酸产率及选择性。目前，光热催化CO2还原制甲酸的主要挑战在于CO2固有的化学稳定性使得CO2转化率低、产物不可控、选择性差等。基于目前对光热催化CO2转化技术的需求，分别介绍了光催化、热催化、光热催化的原理、优势及存在的问题，重点从催化剂改性、反应条件、反应器选择方面综述了光热催化CO2还原制甲酸过程中提高CO2转化率和甲酸选择性的策略，其中重点探讨对于催化剂的改性，包括提高电子−空穴分离程度、调控暴露面比例以及提高CO2的吸附，并阐述了光热催化CO2还原制甲酸需重点攻克的问题。未来研究应综合考虑反应器选择与催化剂设计，通过反应条件的优化，实现高产率甲酸的生产以及光热催化大规模工业应用。

• 基于煤储层三维非均质地质模型的CO2-ECBM数值模拟研究

  刘旭东, 桑树勋, 周效志, 刘世奇, 韩思杰, 王梓良, 张守仁, 吴见, 张兵,

  CO2驱煤层气地质封存(CO2-ECBM)强化煤层气开发、实现煤层气井增产的同时，将CO2封存到深部煤层中，该技术极具发展前景。依托示范工程，基于地质建模开展数值模拟研究，仍是技术研发的重要路径。基于对角点地质模型和COMSOL Multiphysics地质建模能力的分析，利用拆分−重构法在COMSOL Multiphysics内建立了能有效描述沁水盆地柿庄南区块3号煤储层的三维空间展布和含气量、吸附时间、孔隙度、渗透率、弹性模量、泊松比非均质分布的地质模型。在此基础上，结合吸附−渗流−温度−应力−化学(AHTMC)多场耦合数学模型开展了控压注气方式的CO2-ECBM数值模拟工作，分析了CO2注入压力对CH4增产、CO2封存及煤储层地球化学环境的影响，提出了同时关井、序贯关井2种关井方式和省时提效、CH4增产、CO2封存以及3者综合兼顾4种CO2-ECBM工程目标，优化了2种关井方式、分别实现4种工程目标场景下的CO2注入压力。研究结果表明：① 在15 a工期、5.5～9.5 MPa注气压力情况下，随着注入井CO2注气压力的增加，生产井CH4增产率、煤储层CO2封存量均增加，最大可分别达14.39%和8.31×107 m3，含酸性裂隙水的煤储层区域扩大，受CO2从生产井大量产出的影响，储层CO2封存率降低，但保持在95%以上；② 煤储层非均质性对煤层气井生产影响很大，煤层气井周围煤储层CH4含气量越高、孔隙度和渗透率越大，CH4增产效果越显著，周围煤储层吸附CO2能力越强，CO2产出速度越小；③ 同时关井和序贯关井方式下，CO2注气压力对生产井组产出气CO2体积分数和CH4产气速度变化有显著影响，CO2-ECBM工程结束时煤储层CH4采收率随注气压力增加而降低，3.50、6.50、9.50 MPa的注气压力下分别为33.28%、18.90%、12.81%和41.63%、29.03%、23.01%；④ 以省时提效、CH4增产、CO2封存及3者综合兼顾为工程目标的CO2最优注入压力在同时关井时分别为8.05、3.50、6.35和6.25 MPa，在序贯关井时分别9.50、9.50、3.50和9.50 MPa；⑤ 相较于同时关井，序贯关井在采用最优CO2注气压力时能够通过延长工程时间获得较好的CH4增产和CO2封存效果。

• 咸水层毛管力圈闭机制及对非纯CO2封存效率的影响

  崔国栋, 胡哲, 宁伏龙, 王延永, 焦玉勇,

  实际咸水层呈垂向多层分布，物性差异大，毛管力非均质性严重。非纯CO2气体封存过程中，毛管力不仅会圈闭CO2，更会圈闭伴随的杂质气体，影响CO2运移和封存。但是，垂向多层系下毛管力的圈闭机制还不清楚，其对非纯CO2气体封存效率的影响亟待分析。为此结合随机统计地质建模和非纯CO2−盐水两相渗流模型，建立了垂向多层系咸水层非纯CO2封存运移模型；研究了毛管力作用下CO2和杂质气体的运移过程及其羽流发育规律，并对非纯CO2气体垂向运移速率和毛管力圈闭能力进行了量化计算；最后通过敏感性分析，阐明了毛管力大小、非均质程度、杂质体积分数等因素对非纯CO2气体封存效率的影响。研究结果表明，非均质毛管力可有效圈闭非纯CO2气体，增加非纯CO2气体在横向上的波及体积；随着毛管力大小和非均质程度增加，毛管力圈闭量升高，毛管力封存系数增大，但CO2垂向运移速率降幅明显，与杂质气体垂向运移速率的差异幅度增加。毛管力自上而下递减时，底部毛管力圈闭减少，更多的非纯CO2气体将运移到地层上部的各个区域，使得非纯CO2气体毛管力封存系数增加，非纯CO2气体残余封存系数减少，CO2垂向运移速率增大，与杂质气体垂向运移速率的差异幅度减小；随着杂质气体体积分数增加，非纯CO2气体浮力增加，垂向运移速率增大，更多非纯CO2气体运移到地层顶部，非纯CO2气体毛管力封存系数降低，残余封存系数增加。因此为保证封存安全性，应尽可能选择含杂质少的非纯CO2气体注入毛管力大、非均质性强以及垂向毛管力自上而下先递增后递减的咸水层。

• 基于孔隙网络模型的气液渗流特性

  美合日阿依·穆太力普, 李涛, 顾文波, 蔡武, 薛庆楠, 敬嘉珩, 魏景阳, 王骞,

  CO2地质封存是实现大量CO2减排的有效途径之一，而阐明CO2在岩石孔隙中的运移规律是CO2长期安全地质封存的关键。基于岩心微观结构重建的孔隙网络模型，不仅可以反映真实岩心孔喉分布规律，又能体现孔隙空间的分布及其发育特征，在多孔介质多相流研究领域具有十分重要的意义。选用储层较为常见的Berea砂岩，基于微焦点X射线计算机断层扫描(micro-CT)技术获得二维CT图像，在ImageJ软件中通过尺寸裁剪、降噪滤波以及阈值分割等一系列图像处理过程，重建了岩心样品数字图像，并在Matlab软件中借助提取函数实现了二值化；然后，采用最大球算法，通过搜索最大球、建立最大球连通关系、孔喉的识别和参数计算3个主要步骤，提取了实验岩心样品中的孔喉拓扑等效网络，并运用Amira软件进行可视化，将孔隙和吼道等效为球杆模型。通过对比不同图像处理与孔隙网络提取方法得到的岩心孔隙度、配位数、孔喉几何尺寸与形状因子等结构参数，确定了能够较好反映真实岩心孔隙空间特征的数字岩心重构及孔隙网络模型提取方法，即模型Pic7：滤波处理时将Mean值设置为1.5，Median值设置为2；阈值分割选择Otsu算法且应用最大球法提取数字岩心时将最小孔径设置为1。确定了Berea岩心孔隙结构参数：配位数分布在30以内，峰值在5左右；孔隙半径分布在80 μm内，集中在20 μm左右；吼道半径分布在60 μm内，集中在10 μm左右；孔隙形状因子和吼道形状因子分布在0.07以内，孔隙形状因子峰值在0.03左右，吼道形状因子峰值在0.035左右。最后，借助帝国理工大学开发的孔隙网络两相渗流模拟程序，用0.103 mol/kg NaCl溶液表征咸水，在50 ℃、12.4 MPa的储层条件下，开展了基于孔隙网络模型的多孔介质内CO2驱替咸水的渗流数值模拟，通过分析驱替和吸入过程中毛细管压力曲线和相对渗透率曲线，阐明了孔隙网络提取方法对多孔介质多相流过程的影响，再次验证了孔隙网络模型建模方法的可靠性以及所得建模参数的准确性。

• 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

  代旭光, 王猛, 冯光俊, 郑司建, 任斌, 徐慎,

  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。

• 低渗油藏CO2地质封存矿物颗粒运移及注入堵塞机理

  杨现禹, 解经宇, 叶晓平, 吕文军, 代钊恺, 蒋国盛, 蔡记华,

  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。

• 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, 朱燕峰, 马静, 杨永均, 尤云楠, 王丽萍,

  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。

• 腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应

  程伟, 朱卓, 王文杰, 王维忠, 雷少刚, 卞正富,

  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。

• 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

  马守臣, 王新生, 刘赛赛, 张合兵,

  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。

• 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

  聂小军, 赵星辉, AMMARAGill, 洪雯雯, 张合兵,

  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_\rmm^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。

• 徐州高潜水位区采煤塌陷地及其复垦土壤碳变化

  余健, 房莉, 方凤满, 支俊俊, 张平究, 李冉, 黄振华,

  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。

• 荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子

  刘英, 林家权, 岳辉, 毕银丽, 彭苏萍,

  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。

• 基于响应面法游湖沉积物−水界面溶解性碳交换通量

  路平, 张浩然, 任峰, 袁涛, 刘怡君,

  湿地作为陆地生态系统最重要的碳汇，是减缓全球大气中二氧化碳含量上升和全球气候变暖的重要途径。目前研究多针对于自然湿地中储碳量和碳密度的研究，对于因煤炭开采形成的采煤塌陷湿地碳密度及其变化研究则相对较少。基于对采煤塌陷湿地水体和沉积物中碳含量和影响因子的调查，研究采煤沉陷湿地沉积物−水界面不同形态碳交换通量规律，评估沉积物对于上覆水中碳素的源/汇特征，探讨不同环境因子单一及交互作用下沉积物−水界面各形态碳的交换通量的变化规律。针对徐州九里湖采煤塌陷湿地沉积物和水体进行研究，分别于 2020年12月、2021年4月和2021年8月采集沉积物和上覆水，分析沉积物和水体中碳素的赋存特征以及影响碳素含量的关键因子。通过室内模拟试验，进行沉积物−水界面溶解性碳交换通量研究，并探讨主要环境因子对溶解性碳交换通量的影响。最后基于响应面法构建沉积物−水界面溶解性碳交换通量回归模型，预测采煤沉陷湿地溶解性碳最小释放条件，估算采煤塌陷湿地溶解性碳释放总量。结果如下：温度升高会导致溶解性碳交换通量增大，而pH对其影响较小；在高氧(9.0 mg/L)和低氧(3.0 mg/L)条件下，溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)交换通量相对较高，在中氧(6.0 mg/L)条件下，相对较小。得出在环境因子交互作用下的最优化条件，当温度为 5.69 ℃、pH为7.18、溶解氧DO为6.38 mg/L时，DOC和DIC交换通量区的最小值分别为2.32、3.54 mg/(m2·h)。估算出湿地8月沉积物DOC和DIC释放总量最高，分别为1.75、5.76 t；12月沉积物DOC和DIC释放总量最低，分别为0.98、2.01 t。结果表明，环境因子对 DOC 和 DIC 交换通量均有不同程度影响，温度通过改变吸附能力和生物活性的方式使 DOC 和DIC 交换通量随温度增加而增大；pH 影响着沉积物中碳酸盐的溶解度使得 DIC在碱性环境中增加不明显，但对 DOC 交换通量影响较小。DOC和DIC释放总量变化规律一致，夏季温度较高，沉积物微生物活性强，促进DOC和DIC向上覆水中大量释放，冬季温度低，释放作用显著下降。沉积物−水界面溶解性碳交换通量只考虑了温度、pH 和 DO三个条件，然而影响物质在沉积物−水界面的迁移转化还包括沉积物自身特性、生物扰动以及重金属等因素，对于因采煤形成的湿地，沉积物中金属离子对溶解性碳的释放更应引起注意，在后面的研究中可以微生物为切入点，探究沉积物碳“源”与“汇”转换的临界条件。

• 煤炭资源枯竭转型城市植被碳汇变化观测：以徐州为例

  许庆, 秦凯, 鹿凡, 康涵书, 侯湖平,

  在国家“碳达峰、碳中和”战略背景下，资源枯竭型城市的生态修复正成为固碳增汇的重要途经，利用长时间序列观测数据开展固碳增汇能力定量评价，将为设计资源枯竭型城市生态修复方式提供有价值的参考。以我国东部典型资源枯竭转型城市徐州为研究区域，通过“涡度相关法”和“卫星遥感”2种方式观测分析了总初级生产力(Gross Primary Productivity，GPP)的时空变化特征。结果表明：① 在生长季植被生长旺盛的时候，MODIS卫星遥感对GPP存在低估，是由于光能利用率模型将同种植被的最大光能利用率设为定值，不能体现植被生长状态的影响，从而增加了估算光能利用率的不确定性。但MODIS GPP与涡度相关通量塔实测GPP数据变化趋势一致，有较强的相关性(R2=0.587，P=0)，因此MODIS GPP数据可用于徐州矿区生态修复前后GPP变化特征分析。② 2005—2011年，徐州煤矿开采对徐州矿区生态环境破坏严重，固碳能力持续减弱，2011年后徐州地区采取生态修复措施，GPP明显升高，到2015年GPP达到最高值(0.878 kgC/(m2·a))，2016—2020年GPP变化趋于稳定(0.85 kgC/(m2·a)左右)。③ 徐州采取的矿区关闭、煤矸石回填、生态公园建设等一系列生态修复措施，提高了原有矿区的固碳增汇能力，形成了自稳定生态系统，且未来仍有改善的趋势，证明对煤炭资源枯竭型城市进行生态修复可以在5～10 a内有效改善当地生态环境，快速提升当地的植被固碳能力，为其他煤炭资源枯竭型城市的生态修复提供参考。

• 煤炭工业全生命周期碳排放核算与影响因素

  李姗姗, 袁亮,

  煤炭工业低碳转型既是其实现高质量发展的内在要求，也是落实国家“双碳”战略目标的重要抓手。“双碳”目标对煤炭工业碳减排提出了更高要求，精准把控煤炭工业减排降碳现状是高质量实现“双碳”目标的基础与前提，本研究旨在对煤炭工业全生命周期碳排放量及影响因素进行研究。以中国煤炭工业为研究对象，从开采分选、运输、加工转换、消费利用4个阶段对煤炭工业的碳排放进行核算，并进一步对煤炭消费物质流及煤炭工业全生命周期碳流通进行分析，最后使用MDI模型对我国煤炭工业碳排放的驱动因素进行解析。结果表明：① 2000—2020年中国煤炭工业碳排放量年均增长6.39%，其中加工转换阶段为煤炭工业碳排放的主要贡献者，其碳排放量从129623万t增加到500365万t，年均增长6.99%。② 2020年煤炭工业各子行业碳排放从大到小依次为：煤发电工业(53.41%)、黑色金属冶炼及压延加工业(17.88%)、煤制热工业(9.73%)、非金属矿物制品业(5.86%)、化学原料及化学制品制造业(5.86%)、煤炼焦工业(1.35%)等。③ 对煤炭工业碳排放表现为正向驱动效应的因素为经济发展(1179835万t)、碳强度(120579万t)、人口规模(58985万t)；对煤炭工业碳排放表现为负向抑制效应的因素为能源效率(−523272万t)、能源结构(−149807万t)、产业结构(−141118万t)。研究是对算清煤炭供需“大账”需求的重要响应，有助于靶向制定煤炭工业减排降碳引导策略，助推煤炭工业“双碳”战略尽快实现。

• CO2地质封存GIS基础数据平台建设初探

  孙杰, 刘亢, 谭克龙, 林中月, 桑树勋, 徐翰, 蒋喆, 韩思杰, 邹卓,

  CO2地质封存GIS(Geographic Information System, 地理信息系统)基础数据平台建设是部署CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage, 碳捕集、利用与封存)全链条示范工程的重要基础。通过研究国内外典型碳封存数据平台，分析了碳封存数据的特征：多源、多尺度、多类型，认为有以下几方面需要进一步加强：平台功能基本为数据存储管理展示，需进一步加强模型嵌入动态分析；需进一步加强封存与能源资源协同方面研究。在此基础上，初步设计了CO2地质封存GIS基础数据管理处理平台架构：以Map GIS空间数据库和SQL Server属性数据库为数据基础，利用实现系统Microsoft.Net Frame开发框架及Web GIS等技术构建，系统核心逻辑结构分为资源数据层、技术支撑层、业务应用层、用户权限层共4层，安全保障体系、管理支撑体系、标准规范体系共3个外围支持体系。数据平台建设关键技术包括碳封存地质GIS数据多元异构数据融合，二次开发导入封存能力评价模型、源汇匹配动态模型、能源资源协同模型共3个模型。并初步设计了数据平台首页界面、专题图件及成果输出界面、盆地级成果图件界面、封存潜力—源汇匹配—能源资源协同数据分析界面共4个界面。CO2地质封存GIS基础数据管理处理平台的建设，将为源头减碳去碳解决方案选择、CCUS区域性规模化部署的地质封存选址和CCUS大规模示范工程开展提供科学基础。

• 基于成像高光谱技术的露天煤矿区复垦土壤剖面有机碳和全氮预测及制图

  彭思涵, 包妮沙, 雷海梅, 刘善军, 杨天鸿,

  露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后，其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化，并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此，在双碳目标下，复垦SOC和TN在0～100 cm剖面的监测及制图，是评估矿区生态恢复及复垦工程固碳的重要基础。相比于传统的化学方法，高光谱技术是一种快速而且无损，已经广泛应用于土壤属性估测的技术，成像高光谱技术相比于点位光谱测量具有图谱合一的优势。因此以我国北方干旱半干旱草原大型露天煤矿复垦土壤为研究对象，采集不同复垦工程、复垦年限的土壤剖面样本，揭示不同复垦年限和复垦方式下土壤剖面SOC和TN垂直分布规律和高光谱特征，通过深度挖掘和筛选SOC和TN特征波段和指数，构建可解释性机器学习模型，从而实现土壤剖面SOC和TN的制图，结果表明：① 土壤光谱反射率随SOC和TN质量分数的增加而降低，通过集成皮尔森相关性分析和选择连续投影算法，对点状高光谱数据进行降维和去冗余，最终明确表征SOC质量分数的30个特征波段和表征TN质量分数的18个特征，并基于特征波段建立了SOC和TN三维光谱特征指数；② 通过对比偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林模型(RF)和径向基函数(RBF)神经网络预测模型，发现对光谱数据进行特征波段筛选和变换，可以提高预测精度，其中随机森林模型预测SOC和TN的精度最高，对SOC的预测结果为R2=0.97、RMSE=7.5 g/kg、LCCC=0.84、bias=3.70，TN预测结果为 R2=0.78、RMSE=0.33 g/kg、LCCC=0.74、bias=0.19；③ 利用SHAP可解释机器学习模型方法对输入特征进行重要度排序，发现提出的三维光谱指数对模型预测的贡献大于大部分特征波段；④ 使用最佳模型可以快速绘制出成像高光谱图像中每个像素的SOC和TN质量分数，实现矿山土壤剖面中SOC和TN质量分数的制图和可视化。基于成像高光谱技术绘制露天煤矿区复垦土壤剖面可以揭示复垦土壤形成和演化过程，阐明复垦年限、复垦植被类型在剖面演替过程中的驱动力，为露天煤矿区复垦土壤碳汇潜力的动态监测以及土壤固碳技术的效益评价提供重要的数据来源和技术支持。