煤矿充填固碳理论基础与技术构想

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO_(2)排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO_(2)封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括:①分析了CO_(2)充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。②总结了现阶段CO_(2)矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO_(2)封存能力和CO_(2)矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO_(2)充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。③针对CO_(2)充填过程中的CO_(2)物理封存问题,提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填2种技术路径,前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔隙的充填体CO_(2)物理封存,后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带,控制顶板垮落,形成CO_(2)物理化学封存空间。④为了评估CO_(2)充填的碳平衡效果,依据全生命周期法界定了CO_(2)充填中碳足迹及碳消纳的计算边界。然后,梳理了CO_(2)充填过程中的碳足迹及碳消纳,分别考虑了CO_(2)的来源、用量、损耗、转化等因素。给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。研究成果有望降低CO_(2)封存的能耗及成本,对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义。

河南省森林固碳量与碳汇价值评估

为了解当前黄河中下游森林固碳量及碳汇价值现状,助力黄河流域生态保护和高质量发展,基于全国森林清查和国土调查数据,以河南省为例,结合蓄积量转换法原理运用改进后的生物量转换因子连续函数法来测算森林固碳量动态变化和碳汇价值。结果表明:河南省森林固碳量由2008年的1.76×10^(8)t上升至2018年的2.78×10^(8)t,年固碳量较高的森林类型为阔叶混和栎类,固碳量按龄级分布状况为幼龄林最大、过熟林最小,森林固碳量的空间格局表现为“西、南高,东、北低”,主要分布在南阳、洛阳和三门峡;森林碳汇价值由2008年的492.47亿元增加至2018年的778.68亿元,年均增长28.62亿元,2018年阔叶混、栎类和杨树的碳汇价值占碳汇总价值的79.93%。针对当前河南省森林建设存在的问题,提出提升森林固碳能力和推动森林碳汇价值实现的建议,可为促进黄河流域高质量发展提供强劲动力。

土壤固碳微生物的绝对定量检测实验设计

为了定量检测土壤中的固碳微生物,设计以功能基因cbbL为靶标的固碳微生物微滴数字聚合酶链式反应(ddPCR)检测方法。选择合适的引物探针,从退火温度、探针浓度以及引物浓度进行反应条件的优化,分析ddPCR检测方法的线性范围、敏感性、重复性和特异性。结果显示,当退火温度为55.8℃、探针与引物浓度分别为350、750 nmol/L时,建立的cbbL-ddPCR扩增反应效率最高,阴阳性微滴分布界限最明显,平均拷贝数较高;检测的线性范围为2.3×10^(0)~2.3×10^(5)copies/μL-DNA,曲线方程y=0.1077x-95.562,相关系数R^(2)为0.9997,检出限为0.5 copy/μL-DNA,21个重复的变异系数仅为3.92%,与其他4种非固碳微生物DNA未发生交叉反应。所建立的cbbL-ddPCR方法可用于土壤微生物固碳潜能测定。

干旱对热带植被固碳能力的影响研究进展

相关学者在热带地区植被生态系统碳汇大小及其驱动机制方面尚存在争议,但普遍认为干旱是影响植被生态系统碳汇功能的最主要胁迫因子。文章梳理了国内外干旱对植被固碳能力的影响研究进展,并就气象环境对植被活动及固碳能力影响的研究方法进行分类和总结。最后就海南如何开展热带地区植被固碳能力研究提出了建议,建议选择与植被光合作用密切相关的监测指标,从干/湿季节和极端干旱事件两个方面研究干旱对热带植被固碳能力的影响。

酶催化固碳过程及其强化技术研究进展

全球范围迅猛发展的工业生产导致温室气体CO_(2)的排放,引发人们对全球气候变化的普遍关切。在发展清洁能源、工业流程再造等减少碳排放的同时,开发高效、经济的CO_(2)捕集、利用与储存(CCUS)技术显得尤为迫切。本文基于CO_(2)资源化利用的目的,对生物体外酶催化固碳过程及其强化技术的研究进展进行综述。首先,介绍了CO_(2)转化过程中涉及的关键催化酶及其优化,阐述了CO_(2)资源化利用的具体策略,涵盖了将CO_(2)催化转化为甲酸、甲醇、甲烷、淀粉以及L-乳酸、丙酮酸等特定产物分子。进而,重点阐述了辅因子的原位再生、酶的固定化、反应系统的优化设计、反应条件优化(pH、温度、底物浓度)以及产物原位分离等技术对CO_(2)生物酶催化反应过程的强化,实现CO_(2)的高效固定与资源化利用。旨在通过多方面交叉论述,为生物酶催化过程及路线设计包括固定化酶催化剂的制备、反应器选择设计与开发、酶催化过程调控、高值化产品定向合成等提供有益的启发和思考。最后,总结了酶催化固碳过程存在的问题和挑战,并对其未来值得研究的方向进行了展望。

陕西省生态系统固碳量与固碳价值的测度及其时空格局演变

生态系统固碳功能强大,是实现碳中和最重要的途径之一。论文从土地利用视角,运用固碳速率法分别对2000年和2020年陕西省县域森林、草地和湿地生态系统固碳量及固碳价值进行估算,并采用空间统计分析方法揭示其时空演变特征。结果表明:1)2000—2020年陕西省森林、草地和湿地生态系统固碳量均实现了不同程度的增长,其中森林固碳量增长最为显著,是对陕西省生态系统固碳增量贡献最大的类型;2)陕西省县域森林、草地的固碳量分布具有显著的空间集聚特征,森林固碳热点区集中在秦岭山区,草地固碳热点区集中在陕北长城沿线风沙区,冷点区都集中在关中平原中部地区;3)陕南秦巴山区是陕西省固碳能力最强的区域,而陕北黄土丘陵沟壑区则是固碳量增加最多的区域,各地级市中除西安市固碳能力下降外,其余城市固碳量均实现了增加,其中延安和榆林是增长最快的两个城市;4)陕西省生态系统固碳价值最高的前5位城市依次是汉中、延安、安康、宝鸡和商洛,总计占全省固碳价值总量的78.33%。

利用电石渣替代水泥开发固碳胶凝材料

本研究利用电石渣替代部分水泥,制备新型固碳胶凝材料,研究了不同电石渣含量的胶凝材料对600 kg/m3等级泡沫混凝土的基础性能及固碳性能的影响。研究表明:电石渣的掺入导致泡沫混凝土气孔变大,28 d抗压强度先升高后降低,保温性能提高;当电石渣取代10%水泥,制备出的泡沫混凝土干密度为595 kg/m3,28 d抗压强度比未掺加电石渣的提高4.2%,达5.0 MPa;当电石渣取代50%水泥,制备出的泡沫混凝土导热系数比未掺加电石渣的降低17.1%,为1.131 W·m-1·K-1。电石渣掺加有利于改善泡沫混凝土收缩,当电石渣掺量增加,泡沫混凝土先呈现收缩减小后出现膨胀。碳化养护不仅能够固化封存CO_(2),还能提高泡沫混凝土的力学性能与保温性能。电石渣掺量越高,泡沫混凝土固碳能力越强,电石渣掺量为50%时,CO_(2)的捕获量达到46.02 wt%。

尕海湿地固碳功能及其抵消能源碳排放评估

甘肃省作为中国重要的生态屏障,省内尕海湿地是国际重要湿地之一,研究尕海湿地能源抵消效应对甘肃省更好地实现“双碳”目标和维护生态安全具有重要意义。根据尕海不同类型湿地的占地面积、土壤的有机碳密度计算出尕海湿地的碳储存总量,以及通过部门法计算出甘肃省2021年不同行业能源消耗的碳排放总量。结果表明,尕海湿地能源抵消效率呈现出明显的类型差异,草本泥炭地和高山湿地的抵消效率相近,永久性沼泽湿地的能源抵消能力最低。因此,针对提升尕海湿地能源抵消率提出以下建议:改良湿地相关的计算方法、完善湿地保护政策、拓宽融资渠道、保护湿地资源,提升抵消能力和提升专业水平,增强环保意识。

脱硫石膏在碱土改良中的无机固碳作用

脱硫石膏溶解产生的Ca^(2+)会和土壤中含碳的阴离子(CO_(3)^(2–)、HCO_(3)^(–))发生反应,最终将CO_(2)吸收并固定为土壤无机碳。脱硫石膏在碱土改良中的无机固碳作用对实现“碳中和”具有重要意义。以新疆阜康三工河流域的荒漠碱土为研究对象,以脱硫石膏为钙源物对0~20 cm土层进行改良。探究不同时间0~40 t·hm^(-2)脱硫石膏施用量下土壤无机碳(SIC)和土壤无机碳密度(SICD)的变化,从而研究碱土改良中的无机固碳作用。结果表明:施用脱硫石膏能显著减轻土壤碱害(pH下降),增加土壤盐分,同时具有无机固碳作用(SIC和SICD上升)(P<0.05)。脱硫石膏最佳施用量为30 t·hm^(-2),此时改良土层pH降至最低(8.24)。改良后0~46 d SIC含量相较对照组增加0.93 g·kg^(–1),SICD增加0.29 kg·m^(-2)(即CO_(2)固定量为1.06 kg·m^(-2))。改良过程中,脱硫石膏施用量与SIC、SO_(4)^(2–)和Ca^(2+)呈显著正相关(P<0.05),与pH、CO_(3)^(2–)、HCO_(3)^(–)和Na^(+)呈显著负相关(P<0.05)。气候因子对土壤无机固碳存在影响,增大相对湿度和降水量会抑制SIC含量和SICD增加,而增大风速、温度和太阳总辐射则有促进作用。研究结果为施用脱硫石膏改良碱土能增加土壤固碳潜力提供了直接证据。

沉水植物净固碳能力研究进展

沉水植物在调节水体CO_(2)和O_(2)浓度的平衡,影响水体碳的“源”和“汇”的状态,提高水体生态系统固碳能力方面发挥了重要的作用。本文总结了沉水植物光合固碳以及凋落物碳排放的过程,以及影响沉水植物净固碳能力的环境因子研究的最新进展。提出加强多个环境因子耦合对沉水植物全生命周期净固碳能力研究和自然水体中沉水植物对水体CO_(2)通量影响的研究,积极开展沉水植物碳储量调查研究,为提高植物和水体碳汇能力提供参考。

基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30~140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47μmol/(m^(2)·s),平均光强达64μmol/(m^(2)·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养7 d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L,微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。

可持续发展背景下不同土地利用类型的土壤固碳能力

在可持续发展大背景下,由于温室效应日益显著,降碳增汇已成为全世界关注的热点问题,土壤强大的CO 2吸收能力逐渐引起各专家学者的重视。近年来,学术界在土壤碳汇方面的研究已经取得一定进展,但目前还没有对不同土地利用类型的土壤固碳能力做出系统梳理。综述森林、草地、农田和旱地土壤的固碳特点和影响因素的研究进展,并就不同土地利用类型的土壤固碳未来研究方向进行了展望。研究表明:①由于丰富的植被和发达的根系,森林土壤固碳能力较高,森林火灾、树木砍伐是影响森林土壤固碳能力的重要因素;②草地生态系统地下部分比地上部分存储了更多的有机碳,放牧、施肥是影响草地土壤固碳能力的重要因素;③农田也可以在地上生物量中储存大量的碳,秸秆还田、生物炭和农作物产量是较为有效的固碳改善方式;④旱地储存了全球大部分土壤无机碳,土壤无机碳含量受母质等多种因素影响,且旱地土壤有机碳和无机碳关系复杂。

油松主要分布区林分碳储量特征与固碳潜力

根据北京市、河北省、辽宁省、陕西省、内蒙古自治区的油松(Pinus tabuliformis)资源二类调查数据,使用材积源生物量法结合油松含碳率计算中国油松主要分布区油松林碳储量与碳密度,分析不同地区、龄组、林种、起源的油松林碳储量分布特征与固碳潜力。结果表明:油松5个主要分布区的油松林总面积为243.09万hm^(2)、总蓄积为11175.75万m^(3)、总碳储量为5043.38万t,平均碳密度为20.75 t·hm^(-2)。油松天然林碳储量为1660.14万t,碳密度为25.77 t·hm^(-2)。油松人工林碳储量为3383.24万t,碳密度为18.94 t·hm^(-2)。油松人工林碳储量高于天然林,占全部碳储量的67.08%。不同龄组中,碳储量最大是油松中龄林,为2032.38万t,占全部碳储量的40.30%;碳储量最小的为过熟林,占全部碳储量的2.32%。油松各龄组平均碳密度随林龄的增加而增加。不同林种中,碳储量来源主要为防护林及用材林,共为4360.45万t,占全部碳储量的86.46%。5处主要分布区的油松林固碳潜力为5285.63万t,相当于现有油松碳储量的1.88倍,其中,中幼龄林固碳潜力为4904.46万t,是油松林固碳潜力所在。油松林具有明显的固碳增汇能力,其人工林为油松碳库的主体,中幼龄油松林具有巨大的固碳潜力,需加强油松人工中幼龄林的抚育及管理。

喀斯特洞穴沉积物中可培养固碳和固氮细菌多样性分析

微生物固碳和固氮作用在生物地球化学循环和能量流动中具有重要作用.洞穴黑暗和寡营养极端环境中蕴藏丰富独特的微生物资源.为了解喀斯特洞穴固碳细菌和固氮细菌群落结构组成和多样性,利用9种分离培养基,分离筛选喀斯特洞穴沉积物固碳细菌和固氮细菌,并基于16S rDNA序列测定,分析分离菌株的系统发育和多样性.共分离获得230株固碳细菌,隶属于3门、16属和64种,优势属为假单胞菌属(Pseudomonas)和不动杆菌属(Acinetobacter).固碳细菌Shannon-Wiener多样性指数为3.65,Margalef丰富度指数为11.58,Pielou均匀度指数为0.88.共分离获得425株固氮细菌,分别属于3门、14属和68种,优势属为假单胞菌属、不动杆菌属和贪铜菌属(Cupriavidus).固氮细菌Shannon-Wiener多样性指数为3.43,Margalef丰富度指数为11.07,Pielou均匀度指数为0.81.此外,无碳培养基CFMD和无氮培养基NFb分离获得的菌株多样性最高.以上结果表明,荔波喀斯特洞穴沉积物中存在丰富的固碳和固氮细菌类群,这些结果为进一步研究固碳和固氮微生物在喀斯特洞穴生态系统中的功能以及农业应用提供了菌种资源.

黄河流域上游煤矿区土地利用类型变化及其对固碳服务的影响

明晰矿区土地利用变化及其对区域碳储量的影响,是“双碳”目标背景下推进矿区低碳减排和绿色高质量发展的重要手段.基于多源数据集,使用InVEST模型、土地利用动态度、转移矩阵、缓冲区分析和灰色关联度等方法,识别了1990-2020年黄河流域上游13个大中型煤矿区的土地利用类型时空变化,评估了不同矿区及其周边不同距离缓冲区的固碳服务能力,并对二者的关联度进行分析,旨在厘清矿区土地利用变化对固碳服务的影响.结果表明:(1)1990-2020年煤矿区土地利用类型主要以草地、未利用地、林地和耕地向城乡工矿居民用地转移为主,城乡工矿居民用地面积以288.8 hm^(2)/a的速度持续扩张.(2)1990-2020年不同时段城乡工矿居民用地的单一动态度均为正值,草地和未利用地则均为负值,其中2010-2015年各土地利用类型的综合动态度均较高,2015-2020年则均相对较低,并且露天开采方式矿区土地利用强度远高于井工开采方式.(3)1990-2020年各矿区内单位面积年固碳量在0.7~4.1 Mg/hm^(2)之间,在时间上呈先下降后升高再下降的趋势,并且在距离矿区50 km范围内,距离越远,平均单位面积年固碳量越高,影响程度逐渐下降.(4)不同土地利用类型与单位面积年固碳量的平均关联度从高到低表现为未利用地>耕地>草地>林地>水体.研究显示,黄河流域上游煤矿区开发过程中未利用地和耕地面积的变化是矿区生态系统固碳服务变化的重要原因.

中国稻田生态系统固碳效应模拟研究

【目的】研究稻田生态系统固碳量的动态变化,为制定与推广耕地固碳减排措施提供依据。【方法】基于3年稻田受控试验数据,校验生物地球化学脱氮—分解作用(denitrification-decomposition,DNDC)模型,并估算2018—2020年间中国稻田生态系统的固碳量;分析稻田生态系统土壤及作物固碳量的时空分布,评估农田生态系统在实现“碳中和”中的贡献。【结果】DNDC模型模拟的水稻产量及土壤有机碳含量与田间观测结果一致性较高(相关系数均大于等于0.77,平均绝对误差和归一化均方根误差均小于13%);2018—2020年中国水稻固碳总量为523.29 Tg,作物对总固碳量的贡献率达97%以上。江西、湖南、广东和广西的双季稻固碳能力较强,而云南、浙江和海南的相对较弱。单季稻固碳量分布呈现北高南低的空间分布特征,其中黑龙江、江苏和湖北的固碳量较高。湖南、福建、江西和广西的双季稻固碳量大于单季稻,双季稻固碳量占总固碳量的60%以上。【结论】DNDC模型可用于模拟稻田生态系统的碳收支,中国稻田生态系统是重要的碳汇,且呈现出较强的空间异质性。

玉米秸秆还田对土壤地力及固碳能力的影响

为探明农产品化肥减量后土壤养分的变化,促进玉米秸秆还田,提升土壤肥力,从2019年开始在黑龙江省大庆市所属4个牧场连续3年进行玉米秸秆还田试验,期间随机选取31处采样点分别进行3次抽样,分析土壤样品中pH、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有机碳和水溶性盐等指标,以此判断玉米秸秆还田对土壤地力和固碳能力的影响。结果表明,长期玉米秸秆还田土壤中有机质含量由21.2 g·kg^(-1)增长至23.6 g·kg^(-1);秸秆还田土壤中有效磷的含量平均增长约144.0%,而未还田土壤中有效磷含量的平均增长约138%;碱解氮含量由166.50 mg·kg^(-1)增长至194.50 mg·kg^(-1),且2022年与2021年测定的碱解氮含量差异显著。可见秸秆还田后土壤固碳能力增加,肥力增强,而pH一直维持在7.92~8.23。因此,合理运用玉米秸秆还田可改善土壤耕作环境,减少土壤中盐分聚集,提高土壤对有机碳的固定效果,调节土壤的酸碱稳定性,对东北土壤生产力的可持续发展具有重要意义。

餐厨垃圾开放式高效定向乳酸生物转化:微生物群落变化及生物固碳效能分析

1研究亮点*餐厨垃圾高效生产115 g/L乳酸,产量为0.97 g/g,最大生产速率为6.08 g/(L·h);*糖化和pH控制对于定向乳酸生物转化至关重要;*Enterococcus mundtii CGMCC 2227适用于开放式餐厨垃圾发酵;*生物固碳使二氧化碳排放量减少了21 kg/t。2背景高压灭菌在发酵底物培养基中引起美拉德反应,导致糖损失和生产成本增加。

不同利用方式对灯心草群落固碳能力的影响

本文以贵州龙里草原为试验地,通过对龙里灯心草群落的植被、地表凋落物和土壤主要组分进行实地观测,探究围封、刈割、放牧3种利用方式对草地固碳能力的影响。结果表明:3种利用方式植被地上生物量以围封最大,刈割次之,放牧最小;不同利用方式对凋落物影响不明显。3种利用方式对植被地下生物量的影响不同。不同利用方式对土壤有机碳、全氮的影响显著,对土壤全磷及容重的影响不大。3种利用方式主要通过改变土壤主要组分来影响植被生长,进而改变植被生物量,从而改变灯心草群落的固碳能力以及对环境的贡献。围封、放牧、刈割通过改变土壤有机碳及容重来改变土壤的固碳能力。

内蒙古固阳县主要灌木人工林植被层固碳速率研究

为了探究内蒙古固阳县不同灌木人工林植被层的固碳速率,以固阳县3种常见灌木人工林树种(柠条,沙棘,山杏)为研究对象,通过实地标准木取样,建立各树种生物量模型,结合空间代替时间的方法,对研究区内3种常见灌木林树种进行碳含量测定,并分析估算不同灌木树种的碳密度和固碳速率。结果表明:固阳地区3种不同灌木不同林龄人工林植被层固碳速率为0.12~1.0 t hm^(-2)·a^(-1),其中柠条人工林植被层固碳速率为0.12~0.38 t hm^(-2)·a^(-1),沙棘人工林植被层为0.12~1.0 t hm^(-2)·a^(-1),山杏人工林植被层为0.22~0.68 t hm^(-2)·a^(-1)。