京津冀地區潛在高風險外來入侵物種研究

劉志祺,陳鳳新,孫亞男,張風娟

(1.河北大學 生命科學學院,河北 保定 071002;2.河北大學 經濟學院,河北 保定 071002)

生物入侵已成為關系經濟發展和生態安全的重大科學問題[1-4],不僅會使本地種生物多樣性降低,生態系統結構和功能遭到破壞,也會給農業、林業等國民經濟重要的支柱性產業帶來巨大損失[5-6].防治外來入侵物種侵害和實施生物多樣性保護目前是國際關注的科學前沿和國家安全的重要需求.通過對全球多個國家及大量入侵生物的對比分析表明,中國是世界上遭受外來入侵物種危害較嚴重的國家之一[7-9],每年因生物入侵造成的損失達到2 000億元[10].依據生態位理論和外來入侵物種傳播特點,一些研究指出氣候環境因素和經濟發展情況是影響外來入侵物種成功入侵的兩大因素[11-13],在全球范圍內外來入侵物種的傳入數量沒有顯示出飽和的跡象,外來入侵物種將隨著人類活動而持續增加[14-15].隨著經濟全球化的進一步深入,世界各國之間的經濟聯系更加緊密,各地區間水陸交通網絡聯系更加頻繁和復雜,進而增加了外來生物入侵的風險[16-17].所以加強外來入侵物種的防控迫在眉睫.

外來入侵物種的防控包括未入侵生物的預防性防控和已入侵生物的防控[18].目前,中國主要針對已入侵外來生物進行防控,特別是針對危害性較大的紫莖澤蘭Ageratinaadenophora、豚草Ambrosiaartemisiifolia、松材線蟲Bursaphelenchusxylophilus、黃頂菊Flaveriabidentis等入侵生物進行防控[19],而對未入侵生物的預防性對策研究甚少[20-21].這種治理方式存在一定滯后性,即外來入侵物種往往已經造成嚴重的生態環境破壞和經濟損失,進而投入大量的人力、物力和財力,致使外來入侵物種的防控成本急劇增加.外來生物的入侵包括傳入、擴散和暴發等階段,其中防止外來生物的傳入是最有效且成本最低的防控策略.基于此,一些研究者提出加強潛在高風險入侵物種的防控是有效防控處來入侵生物的有效舉措[20-25].因此獲知潛在入侵生物及其傳入途徑,針對性地制定防控措施是提高外來入侵物種防控效率、降低經濟成本的有效措施.

京津冀地區地形復雜,擁有高原、山地、丘陵、盆地、平原、湖泊和海濱等眾多地貌,多樣性的氣候環境為更多的外來入侵物種成功入侵提供了可能.近幾年京津冀地區外來入侵物種種類越來越多,其造成的生態和經濟損失越來越大.此外,雄安新區的建立,雄安片區、曹妃甸片區、正定片區和大興機場片區4個自貿區的設立以及天津港、秦皇島港等港口的快速發展,為外來入侵物種傳入京津冀地區提供了更多的機會,因此在京津冀地區協同發展過程中面臨著外來入侵物種入侵的巨大挑戰.

因此,本研究基于氣候環境和經濟活動兩大因素,選取氣溫、降水量和濕度等自然氣候因子以及進口總額和入境旅游人數等經濟指標,進行了京津冀地區的全球氣候匹配,并建立了所選經濟指標與外來入侵物種數量之間的回歸模型,以此來確定京津冀地區氣候相似且傳入外來入侵物種數量較多的國家即外來入侵物種高風險來源國家.最后根據世界自然保護聯盟(IUCN)公布的危險性入侵物種名單確定了京津冀地區的潛在高風險外來入侵物種,并根據其潛在入侵途徑提出了一些防控對策,以期為京津冀地區防治外來物種入侵提供一定參考.

1 數據和方法

1.1 數據采集

1.1.1 氣候數據

本研究將京津冀三地每個縣(區)作為一個環境觀測點.環境觀測點的經緯度均來自GeoNames地理數據庫(http://www.geonames.org).氣候數據來源于CliMond數據庫(https://www.climond.org),海拔數據來源于WorldClim數據庫(https://worldclim.org).

1.1.2 外來入侵物種數據

京津冀三地外來入侵物種的信息主要來源于相關文獻資料和實地踏查,文獻資料包括相關專著[26-36]、期刊[37-40]、入侵物種數據庫等.對檢索到的所有外來入侵物種的名錄、入侵時間及空間分布進行整理,得到京津冀三地截至2000年、2005年、2010年、2015年、2021年5個時間節點的入侵動植物的數量總額.

1.1.3 經濟指標數據

通過中國國家統計局網站(www.stats.gov.cn)和中國經濟與社會發展統計數據庫(http://data.cnki.net)獲取京津冀三地的公路里程(km)、鐵路里程(km)、內河航道里程(km)、國內生產總值(億元)、入境旅游人數(人次)以及進口總額(萬美元)等數據.由于京津冀三地與其他國家具體的下級行政單位(如美國、加拿大等國的州)的旅游人數和進口總額等數據難以獲得,本文用其國家統計的數據代替.按照國別統計的入境旅游人數和進口總額數據分別來自京津冀三地的歷年統計年鑒.由于各時間節點對入侵動植物的數量統計是一個累積的過程,因而對于各經濟貿易指標也相應使用與外來入侵物種數據相同時間節點的總和值.

1.2 京津冀地區與全球氣候環境相似性匹配分析

將由CliMond數據庫和WorldClim數據庫獲得的氣候圖層導入ArcMap軟件,之后提取京津冀三地的所有環境觀測點的日最低氣溫、日最高氣溫、月降水量、上午9點的相對濕度、下午3點的相對濕度以及海拔等數據.將所得的氣候數據導入CLIMEX軟件中,使用氣候匹配算法對來自不同位置的氣候數據進行比較[41],依據氣候相似性指數得到全球各地(除南極洲外)與京津冀三地的氣候匹配程度.氣候相似性指數也稱為綜合匹配指數(CMI),0≤CMI≤1,0代表氣候相似程度最低,1代表氣候相似程度最高[42-43],兩地區間CMI≥0.7,則認為兩地區間氣候相似[44].因此,CMI≥0.7為全球與京津冀三地氣候相似的判斷依據.

1.3 京津冀地區外來入侵物種數量與經濟指標關系的最優回歸模型建立

將整理的各節點的入侵動植物數量累積值與公路里程、鐵路里程、內河航道里程、國內生產總值、入境旅游人數和進口總額等累積值進行對數轉換.利用R軟件進行數據分析,首先對轉換后的數值進行相關性分析,隨后運用leap包的regsubsets函數,使用全子集回歸法以入侵動植物數量累積值為響應變量,以經濟指標為預測變量建立模型,依據調整R2來選擇最佳模型.最后使用gvlma包對模型進行驗證[45],依據偏斜度、峰度和異方差性來進行模型評價,獲知模型是否通過.

1.4 京津冀地區外來入侵物種數量預測

指數模型是用來預測時序未來值的常用方法,實踐證明它們的短期預測能力較好[46].首先使用R軟件的forecast包,利用指數模型來預測2025年京津冀三地的國民生產總值、入境旅游人數以及進口總額等經濟指標.其次,將預測的經濟指標代入建立的最佳回歸模型中,得到截至2025年各國傳入京津冀的外來入侵物種數量.

1.5 京津冀地區外來入侵物種高風險來源國家

根據全球各地與京津冀地區的CMI和回歸模型的運算結果,得到與京津冀三地氣候相似的國家和各國傳入京津冀地區外來入侵物種的數量,將兩者綜合分析,即排名均在前10名的國家確定為京津冀地區的外來入侵物種高風險來源國家.

1.6 京津冀地區潛在的高風險外來入侵物種及其主要傳播途徑

根據IUCN(https://www.iucn.org)公布的信息,獲取危險性入侵物種名單.依據國際應用生物科學中心網站(https://www.cabi.org),得到危險性入侵物種的分布范圍及其潛在的入侵途徑.本研究重點關注京津冀地區沒有出現而其外來入侵物種高風險來源國家存在的最具破壞力的物種,將其列為京津冀三地的潛在高風險外來入侵物種,并對其潛在的入侵途徑進行匯總.

2 結果

2.1 京津冀地區與全球氣候環境的相似性匹配

與北京氣候相似的區域主要在北美洲、歐洲和亞洲. 北美洲主要包括美國(阿拉斯加州和夏威夷州除外)和加拿大南部的艾伯塔省、薩斯喀徹溫省和馬尼托巴省;歐洲主要包括白俄羅斯、烏克蘭、德國、波蘭、羅馬尼亞、匈牙利、意大利,以及俄羅斯的西北聯邦管區、中央聯邦管區、南部聯邦管區、伏爾加聯邦管區、烏拉爾聯邦管區5個地區;亞洲包括朝鮮和韓國. 與天津氣候相似的區域主要在北美洲、歐洲和亞洲. 北美洲主要包括美國中部的內布拉斯加州、堪薩斯州、俄克拉何馬州、得克薩斯州等,以及墨西哥南部的索諾拉州、奇瓦瓦州、科阿韋拉州和杜蘭戈州等;歐洲主要包括羅馬尼亞、匈牙利、保加利亞、烏克蘭、意大利、波蘭、德國、捷克、瑞士,以及俄羅斯西南部的中央聯邦管區、南部聯邦管區、伏爾加聯邦管區;亞洲主要包括韓國和朝鮮. 與北京和天津相比,河北氣候相似的區域較多,主要在北美洲、歐洲、亞洲、非洲、南美洲和大洋洲. 北美洲主要包括美國(夏威夷州除外)和加拿大的不列顛哥倫比亞省、艾伯塔省、薩斯喀徹溫省、馬尼托巴省和魁北克省等南部地區;歐洲主要包括保加利亞、羅馬尼亞、烏克蘭、波蘭、阿爾巴尼亞、瑞典、伊朗、土耳其、斯洛文尼亞、奧地利、芬蘭、白俄羅斯、匈牙利、捷克、塞爾維亞、德國,以及俄羅斯的大部分地區(西伯利亞管區和遠東聯邦管區除外);亞洲主要包括哈薩克斯坦、朝鮮、蒙古、吉爾吉斯斯坦、韓國、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦;非洲主要包括索萊托和南非的自由邦省、東開普省;南美洲主要包括阿根廷;大洋洲主要包括澳大利亞的新南威爾士州和維多利亞州等東南部地區(圖1).

a、b、c分別為北京、天津、河北的氣候匹配圖CMI為氣候相似性指數,其范圍從0(氣候相似程度最低)到1(氣候相似程度最高),其中CMI≥0.7作為氣候是否相似的閾值標準,顏色從綠色逐漸向紅色過度,越趨于紅色表示CMI越大,即氣候相似程度越高

2.2 京津冀地區外來入侵物種數量與經濟指標關系的最優回歸模型評價

京津冀地區的外來入侵動植物數量與各項經濟指標均存在正相關性,其中與國內生產總值、入境旅游人數和進口總額存在較高的相關性(圖2).

圖中數字為Pearson 相關系數r值,數值越接近1,說明相關性越好,正值為正相關,負值為負相關*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

由圖3可知,從第1行(從底部開始),含截距和公路里程的模型調整R2為0.15,第2行含截距和進口總額的模型調整R2為0.63.跳至最上面一行,可以看到含截距(常數值)、公路里程、內河航道里程、入境旅游人數、進口總額和國內生產總值的5預測變量模型為最佳模型,調整R2為0.92.因此,將該預測5變量與外來入侵物種數量建立模型,得到各變量的回歸系數和截距項(表1).經gvlma包對模型做出的驗證結果表明數據滿足回歸模型的全部統計假設(P=0.479 8>0.05),說明該模型通過了綜合檢驗(表2).

表1 5個預測變量與截距項的回歸系數

表2 Gvlma包對回歸模型做出的驗證結果

圖3 基于全子集回歸的模型評價Fig.3 Model evaluation plot based on full subset regression

2.3 京津冀地區外來入侵物種高風險來源國家的確定

將通過指數模型得到的各項經濟指標預測值代入建立的回歸模型中,得到截至2025年各國傳入京津冀三地的外來入侵物種數量,整理出它們各自的前10名國家(圖4).傳入北京的外來入侵物種數量位于前10名的國家有澳大利亞、德國、俄羅斯、意大利、加拿大、美國、日本、新加坡、英國和法國,傳入天津的外來入侵物種數量位于前10名的國家有法國、澳大利亞、德國、印度尼西亞、美國、意大利、俄羅斯、菲律賓、加拿大和泰國,傳入河北的外來入侵物種數量位于前10名的國家有澳大利亞、印度、美國、德國、意大利、印度尼西亞、加拿大、西班牙、韓國以及日本.由此可見,京津冀三地位于前10名的國家中均包括澳大利亞、德國、意大利、加拿大和美國.

a、b、c分別為根據回歸模型得出的傳入北京、天津、河北的外來入侵物種數量

最后依據氣候相似程度和外來入侵物種傳入數量的排名確定京津冀地區外來入侵物種高風險來源國家,其中,北京的外來入侵物種高風險來源國家為美國、德國和俄羅斯,天津的外來入侵物種高風險來源國家為美國、意大利和俄羅斯,河北的外來入侵物種高風險來源國家為美國和加拿大.

2.4 京津冀地區潛在的高風險外來入侵物種

京津冀地區的潛在高風險外來入侵物種共有31種,德國存在12種,分別為人厭槐葉萍Salviniamolesta、米氏野牡丹Miconiacalvescens、淡海櫛水母Mnemiopsisleidyi、多刺水甲Cercopagispengoi、青蟹Carcinusmaenas、斑馬貽貝Dreissenapolymorpha、大頭蟻Pheidolemegacephala、大果柏大蟻Cinaracupressi、白鼬Mustelaerminea、小火蟻Wasmanniaauropunctata、阿根廷蟻Linepithemahumile和赤狐Vulpesvulpes;加拿大存在11種,分別為紫翅椋鳥Sturnusvulgaris、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas、斑馬貽貝D.polymorpha、大果柏大蟻C.cupressi、四斑按蚊Anophelesquadrimaculatus、北美松鼠Sciuruscarolinensis、白鼬M.erminea、小火蟻W.auropunctata、玄鼠(黑家鼠)Rattusrattus和赤狐V.vulpes;意大利存在10種,分別為人厭槐葉萍S.molesta、海岸松Pinuspinaster、淡海櫛水母M.leidyi、斑馬貽貝D.polymorpha、大頭蟻P.megacephala、大果柏大蟻C.cupressi、北美松鼠S.carolinensis、阿根廷蟻L.humile、玄鼠(黑家鼠)R.rattus和赤狐V.vulpes;俄羅斯存在7種,分別為海岸松P.pinaster、紫翅椋鳥S.vulgaris、淡海櫛水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、斑馬貽貝D.polymorpha、白鼬M.erminea和赤狐V.vulpes;以上31種物種均在美國分布(表3).

表3 京津冀地區高風險外來入侵物種名單

2.5 京津冀地區潛在高風險外來入侵物種傳入途徑分析

在31種潛在高風險外來入侵物種中,植物有9種,人厭槐葉萍S.molesta、米氏野牡丹M.calvescens、火樹Myricafaya、金姜花Hedychiumgardnerianum、吸水木Cecropiapeltata、腺牧豆樹Prosopisglandulosa、海岸松P.pinaster7種植物的入侵途徑是作為觀賞植物或其他目的(如用作飼料、沙丘保護、木材和樹脂生產等)人為有意引進;惡草Clidemiahirta主要以人類活動或者動物作為媒介進行傳播;奎寧樹Cinchonapubescens主要通過風力散播種子自然傳播.與高風險外來入侵植物相反,22種動物絕大部分由各種人類活動無意傳入,其中,國際海運是外來入侵物種傳入的一個重要途徑,淡海櫛水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas等可以通過船舶壓艙水進行傳播;大頭蟻P.megacephala、大果柏大蟻C.cupressi、四斑按蚊A.quadrimaculatus、新幾內亞扁蟲Platydemusmanokwari、小火蟻W.auropunctata等可以通過各種植物或者木制品貿易進行傳播;谷斑皮蠹Trogodermagranarium、玄鼠(黑家鼠)R.rattus、海蟾蜍Rhinellamarina等可以跟隨大規模運輸所使用的集裝箱傳播.還有部分高風險外來入侵動物存在人為有意引進的可能,如北美松鼠S.carolinensis和棕樹蛇Boigairregularis可能通過寵物貿易或者動物園引進,白鼬M.erminea、紅頰獴Herpestesjavanicus等可能用作生物防治(兔子、老鼠等)引進,尼羅尖吻鱸Latesniloticus存在水產養殖和人為放生進行傳播的風險(表3).

3 討論及建議

3.1 討論

本研究表明京津冀地區外來入侵物種高風險來源國家有美國、德國、俄羅斯、意大利和加拿大5個國家,這些國家不僅與京津冀地區氣候環境類似,分布有大量有害生物,且彼此之間也同樣有著非常緊密的人員與貿易往來,其中美國不僅為京津冀3個地區共有的外來入侵物種高風險來源國家,其存在的高風險外來入侵物種也最多,因此,京津冀地區在與外來入侵物種高風險來源國家(尤其是美國)的經貿聯系中,高風險外來入侵物種傳入的可能性日益增大.

在京津冀地區的高風險外來入侵物種中,除奎寧樹Cinchonapubescens主要依靠自然傳播外,其他物種的主要入侵途徑都與人類活動有關,其中包括有意引入和無意引入,這與之前學者的研究結果一致[47-49].人厭槐葉萍S.molesta、米氏野牡丹M.calvescens、火樹M.faya、金姜花H.gardnerianum、紫翅椋鳥S.vulgaris、北美松鼠S.carolinensis和棕樹蛇B.irregularis7種存在作為觀賞植物或通過寵物貿易等人為有意引入的可能.其余高風險外來入侵物種大部分為無意引入,其中大頭蟻P.megacephala、大果柏大蟻C.cupressi、四斑按蚊A.quadrimaculatus、新幾內亞扁蟲P.manokwari、小火蟻W.auropunctata、阿根廷蟻L.humile、谷斑皮蠹T.granarium7種害蟲均存在通過植物或植物材料進行傳播的風險;淡海櫛水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas、斑馬貽貝D.polymorpha4種水生生物,其主要傳播途徑為船舶壓艙水,在京津冀地區與外來入侵物種高風險來源國家的遠洋貿易中極易造成入侵.

3.2 建議

1)針對潛在高風險外來入侵物種,應建立其快速檢驗和檢疫技術.加大投入,針對每種潛在高風險外來入侵物種的生物學特性,通過比較研究聲音測繪法、X射線檢測、近紅外光譜分析技術、高光譜圖像技術、DNA條形碼等檢疫技術和方法,獲得每種潛在外來入侵物種的快速檢驗檢疫技術,實現潛在高風險外來入侵物種的快速檢驗檢疫.

2)根據京津冀地區潛在高風險外來入侵物種的傳入途徑,針對性地進行檢驗檢疫是將潛在高風險外來入侵物種阻攔在國門之外的重要舉措.如在京津冀地區的高風險外來入侵物種中,大頭蟻P.megacephala、大果柏大蟻C.cupressi等可能通過植物或植物材料進行傳播的害蟲,各級檢驗檢疫局可以針對外來入侵物種高風險來源國家的植物進口針對性地進行檢驗和檢疫.

3)加強京津冀地區港口船舶壓艙水及附近海域的監管.京津冀地區主要擁有天津港、秦皇島港、唐山港、黃驊港四大港口,這為淡海櫛水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi等高風險水生物種提供入侵的可能.因而對重點來自京津冀地區外來入侵物種高風險來源國家的船舶,需要加強船舶壓艙水的處理,對其排放可能帶來的潛在風險進行評估,反復排查,直至無風險再進行排放.同時針對上述高風險外來入侵物種,對港口附近的海域進行常態化監測,及時發現,快速殲滅,將影響降到最低.

4)加強宣傳力度,增強國民的生物安全意識.在京津冀地區的高風險外來入侵物種中,米氏野牡丹M.calvescens、北美松鼠S.carolinensis、棕樹蛇B.irregularis等物種的主要傳播途徑為人類的有意引入.因而,針對這些潛在高風險外來入侵物種的危害性應利用多種渠道加強宣傳,以此來增強國民的生物安全意識,讓民眾意識到生物入侵的嚴重性是防控其傳入的有效途徑.同時,建立健全防控生物入侵等相關法律和制度,明確引進外來物種需要承擔的法律責任,嚴格規范執法,做到違法必究.