生命周期评估中的景观穿孔：以全球采石场和矿山为应用的方法开发

《Resources, Environment and Sustainability》：Landscape Perforation in Life Cycle Assessment: Method Development with Global Application to Quarries and Mines

本研究针对人类土地利用导致的栖息地破碎化问题，开发了一种在生命周期评估（LCA）框架内量化景观穿孔（Landscape Perforation）潜能的新方法。研究人员以采石场和矿山为案例，结合人类足迹指数（HFI），通过定义1公里范围的背景区域，并运用模糊逻辑的代数积t-范数模型，构建了穿孔潜能指标yAB。该方法成功应用于全球102,646个矿场数据，并通过钢铁生产的简化LCA案例验证了其从产品视角评估供应链生态影响的可行性。该研究为可持续土地利用、资源规划及供应链环境压力评估提供了重要的空间显性工具。

　　

在人类活动深刻改变地球表面的今天，自然栖息地的完整性和连通性正以前所未有的速度丧失。这种变化不仅直接摧毁了动植物赖以生存的家园，更通过一种被称为“景观穿孔”（Landscape Perforation）的过程，像在完好的纸张上打孔一样，在原本连续的荒野中制造出孤立的非栖息地斑块。这些“孔洞”虽然面积不大，但其造成的“边缘效应”（Edge Effects）却可能对周围的生态系统产生不成比例的深远影响，例如改变微气候、影响物种迁徙和群落组成。特别是在那些人类干扰尚少的原始区域，一个新出现的矿场或采石场，其潜在的生态破坏性可能远超其在已高度开发区域 counterparts。然而，在用于量化产品全生命周期环境影响的工具——生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）中，如何准确捕捉并量化这种景观尺度的空间配置效应，尤其是穿孔过程，仍然是一个方法学上的挑战。

为了解决这一问题，发表在《Resources, Environment and Sustainability》上的研究论文《Landscape Perforation in Life Cycle Assessment: Method Development with Global Application to Quarries and Mines》开发了一种新颖的指标，用于评估特定土地利用（如采矿）对其周边景观造成穿孔的潜在可能性。这项研究由Carla R.V. Coelho等人完成，其核心创新在于将景观生态学的理论与LCA的框架相结合，提出了一种可全球应用的空间显性方法。

为开展此项研究，作者主要运用了几个关键技术方法：首先，利用从OpenStreetMap（OSM）获取的全球102,646个采石场和矿山的地理空间数据作为焦点土地利用；其次，定义了围绕每个矿场的1公里缓冲区作为“背景区域”（Context Area），以表征其可能产生边缘效应的范围；第三，采用人类足迹指数（Human Footprint Index, HFI）的压力图层来量化背景区域内现有的人类活动压力，并将压力区分为改变土地覆盖（如农田、城市）和不改变土地覆盖（如道路、夜间灯光）两种类型；最后，基于景观生态学中空间过程相对重要性的理论模型，构建了穿孔潜能（y_AB）的计算模型，该模型通过模糊逻辑的代数积t-范数（Algebraic product t-norm）整合了两种压力类型对穿孔的贡献（y_A和y_B）。

研究结果

4.1. 矿山和采石场的背景区域

研究从OSM获取的初始数据集包含102,646个矿场位置。经过合并重叠缓冲区等处理步骤后，最终保留了55,459个有效的背景区域用于后续分析。

4.2. 穿孔潜能结果

穿孔潜能y_AB的计算结果显示，该指标能够有效区分不同人类压力背景下的矿场。当矿场周边的人类改造压力（HFI_mod）和非改造压力（HFI_non-mod）均较低时，y_AB值接近1，表示穿孔潜能最高。研究发现，有13,654个（25%）背景区域的y_AB大于0.75，7,035个（13%）的y_AB至少为0.85。这些高穿孔潜能的矿场分布在所有生物群落中，但在泰加林与北方森林（Taiga and Boreal Forest）以及苔原（Tundra）生物群落中平均穿孔潜能最高。

4.3. 验证结果

为确保模型可靠性，研究对y_AB> 0.85的7,001个候选区域进行了抽样验证。通过对365个随机选取的站点进行航空影像判读，发现333个站点存在可见的矿场或采石场痕迹，证实了模型在识别潜在穿孔特征方面的有效性。验证还发现，高穿孔潜能的矿场常伴随道路（导致剖切，Dissection）出现，纯粹的穿孔模式相对较少。

4.4. 钢铁案例研究

通过一个简化的钢铁生产LCA案例，研究演示了如何将穿孔潜能指标应用于产品评估。假设钢铁生产的铁矿石和炼焦煤来源于加拿大、巴西和澳大利亚的特定矿区，计算结果表明，由于加拿大矿区所处区域人类压力较低且单位产品所需开采面积较大，其贡献了钢铁产品穿孔潜能的主要部分（炼焦煤贡献约68%，铁矿石贡献约30%）。这凸显了从产品视角审视原材料来源地景观背景的重要性。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一种在LCA框架内量化景观穿孔潜能的新方法。该方法的核心意义在于它将评估焦点从传统的、仅关注土地利用本身的影响，扩展到了其空间配置和周边环境背景上。通过使用人类足迹指数这类全球可用的压力数据，该方法具备广泛的适用性，能够为决策者提供关于“土地利用周围环境”的关键信息，从而支持更可持续的土地利用规划和供应链管理。

研究也讨论了方法的局限性和未来改进方向。例如，背景区域1公里的划定具有一定主观性，未来可考虑采用距离衰减函数等更精细的方法。所使用的OSM数据和HFI压力图层在精度、时效性和压力类型覆盖（如缺乏林业压力）方面存在不足。未来集成更高分辨率、更全面且更新的压力数据将进一步提升指标的准确性。

此外，穿孔潜能指标本身反映的是一种“潜在影响”，其具体的生态后果（如对特定物种或生态系统功能的影响）还需要结合当地的生态特征进行进一步评估。尽管如此，该方法为在宏观尺度上识别生态风险较高的区域、比较不同供应链方案的景观影响提供了有力的工具。它强调了一种跨学科的解决方案，将景观生态学、地理信息科学和生命周期评估融为一体，为实现可持续生产和生物多样性保护的目标增添了重要的一环。最终，该研究倡导一种前瞻性的（proactive）环境保护 approach，通过在开发活动可能对完整景观造成不可逆损害之前就识别出风险，从而为守护地球上所剩无几的荒野区域提供了科学依据。