京津冀地区潜在高风险外来入侵物种研究

刘志祺,陈凤新,孙亚男,张风娟

(1.河北大学 生命科学学院,河北 保定 071002;2.河北大学 经济学院,河北 保定 071002)

生物入侵已成为关系经济发展和生态安全的重大科学问题[1-4],不仅会使本地种生物多样性降低,生态系统结构和功能遭到破坏,也会给农业、林业等国民经济重要的支柱性产业带来巨大损失[5-6].防治外来入侵物种侵害和实施生物多样性保护目前是国际关注的科学前沿和国家安全的重要需求.通过对全球多个国家及大量入侵生物的对比分析表明,中国是世界上遭受外来入侵物种危害较严重的国家之一[7-9],每年因生物入侵造成的损失达到2 000亿元[10].依据生态位理论和外来入侵物种传播特点,一些研究指出气候环境因素和经济发展情况是影响外来入侵物种成功入侵的两大因素[11-13],在全球范围内外来入侵物种的传入数量没有显示出饱和的迹象,外来入侵物种将随着人类活动而持续增加[14-15].随着经济全球化的进一步深入,世界各国之间的经济联系更加紧密,各地区间水陆交通网络联系更加频繁和复杂,进而增加了外来生物入侵的风险[16-17].所以加强外来入侵物种的防控迫在眉睫.

外来入侵物种的防控包括未入侵生物的预防性防控和已入侵生物的防控[18].目前,中国主要针对已入侵外来生物进行防控,特别是针对危害性较大的紫茎泽兰Ageratinaadenophora、豚草Ambrosiaartemisiifolia、松材线虫Bursaphelenchusxylophilus、黄顶菊Flaveriabidentis等入侵生物进行防控[19],而对未入侵生物的预防性对策研究甚少[20-21].这种治理方式存在一定滞后性,即外来入侵物种往往已经造成严重的生态环境破坏和经济损失,进而投入大量的人力、物力和财力,致使外来入侵物种的防控成本急剧增加.外来生物的入侵包括传入、扩散和暴发等阶段,其中防止外来生物的传入是最有效且成本最低的防控策略.基于此,一些研究者提出加强潜在高风险入侵物种的防控是有效防控处来入侵生物的有效举措[20-25].因此获知潜在入侵生物及其传入途径,针对性地制定防控措施是提高外来入侵物种防控效率、降低经济成本的有效措施.

京津冀地区地形复杂,拥有高原、山地、丘陵、盆地、平原、湖泊和海滨等众多地貌,多样性的气候环境为更多的外来入侵物种成功入侵提供了可能.近几年京津冀地区外来入侵物种种类越来越多,其造成的生态和经济损失越来越大.此外,雄安新区的建立,雄安片区、曹妃甸片区、正定片区和大兴机场片区4个自贸区的设立以及天津港、秦皇岛港等港口的快速发展,为外来入侵物种传入京津冀地区提供了更多的机会,因此在京津冀地区协同发展过程中面临着外来入侵物种入侵的巨大挑战.

因此,本研究基于气候环境和经济活动两大因素,选取气温、降水量和湿度等自然气候因子以及进口总额和入境旅游人数等经济指标,进行了京津冀地区的全球气候匹配,并建立了所选经济指标与外来入侵物种数量之间的回归模型,以此来确定京津冀地区气候相似且传入外来入侵物种数量较多的国家即外来入侵物种高风险来源国家.最后根据世界自然保护联盟(IUCN)公布的危险性入侵物种名单确定了京津冀地区的潜在高风险外来入侵物种,并根据其潜在入侵途径提出了一些防控对策,以期为京津冀地区防治外来物种入侵提供一定参考.

1 数据和方法

1.1 数据采集

1.1.1 气候数据

本研究将京津冀三地每个县(区)作为一个环境观测点.环境观测点的经纬度均来自GeoNames地理数据库(http://www.geonames.org).气候数据来源于CliMond数据库(https://www.climond.org),海拔数据来源于WorldClim数据库(https://worldclim.org).

1.1.2 外来入侵物种数据

京津冀三地外来入侵物种的信息主要来源于相关文献资料和实地踏查,文献资料包括相关专著[26-36]、期刊[37-40]、入侵物种数据库等.对检索到的所有外来入侵物种的名录、入侵时间及空间分布进行整理,得到京津冀三地截至2000年、2005年、2010年、2015年、2021年5个时间节点的入侵动植物的数量总额.

1.1.3 经济指标数据

通过中国国家统计局网站(www.stats.gov.cn)和中国经济与社会发展统计数据库(http://data.cnki.net)获取京津冀三地的公路里程(km)、铁路里程(km)、内河航道里程(km)、国内生产总值(亿元)、入境旅游人数(人次)以及进口总额(万美元)等数据.由于京津冀三地与其他国家具体的下级行政单位(如美国、加拿大等国的州)的旅游人数和进口总额等数据难以获得,本文用其国家统计的数据代替.按照国别统计的入境旅游人数和进口总额数据分别来自京津冀三地的历年统计年鉴.由于各时间节点对入侵动植物的数量统计是一个累积的过程,因而对于各经济贸易指标也相应使用与外来入侵物种数据相同时间节点的总和值.

1.2 京津冀地区与全球气候环境相似性匹配分析

将由CliMond数据库和WorldClim数据库获得的气候图层导入ArcMap软件,之后提取京津冀三地的所有环境观测点的日最低气温、日最高气温、月降水量、上午9点的相对湿度、下午3点的相对湿度以及海拔等数据.将所得的气候数据导入CLIMEX软件中,使用气候匹配算法对来自不同位置的气候数据进行比较[41],依据气候相似性指数得到全球各地(除南极洲外)与京津冀三地的气候匹配程度.气候相似性指数也称为综合匹配指数(CMI),0≤CMI≤1,0代表气候相似程度最低,1代表气候相似程度最高[42-43],两地区间CMI≥0.7,则认为两地区间气候相似[44].因此,CMI≥0.7为全球与京津冀三地气候相似的判断依据.

1.3 京津冀地区外来入侵物种数量与经济指标关系的最优回归模型建立

将整理的各节点的入侵动植物数量累积值与公路里程、铁路里程、内河航道里程、国内生产总值、入境旅游人数和进口总额等累积值进行对数转换.利用R软件进行数据分析,首先对转换后的数值进行相关性分析,随后运用leap包的regsubsets函数,使用全子集回归法以入侵动植物数量累积值为响应变量,以经济指标为预测变量建立模型,依据调整R2来选择最佳模型.最后使用gvlma包对模型进行验证[45],依据偏斜度、峰度和异方差性来进行模型评价,获知模型是否通过.

1.4 京津冀地区外来入侵物种数量预测

指数模型是用来预测时序未来值的常用方法,实践证明它们的短期预测能力较好[46].首先使用R软件的forecast包,利用指数模型来预测2025年京津冀三地的国民生产总值、入境旅游人数以及进口总额等经济指标.其次,将预测的经济指标代入建立的最佳回归模型中,得到截至2025年各国传入京津冀的外来入侵物种数量.

1.5 京津冀地区外来入侵物种高风险来源国家

根据全球各地与京津冀地区的CMI和回归模型的运算结果,得到与京津冀三地气候相似的国家和各国传入京津冀地区外来入侵物种的数量,将两者综合分析,即排名均在前10名的国家确定为京津冀地区的外来入侵物种高风险来源国家.

1.6 京津冀地区潜在的高风险外来入侵物种及其主要传播途径

根据IUCN(https://www.iucn.org)公布的信息,获取危险性入侵物种名单.依据国际应用生物科学中心网站(https://www.cabi.org),得到危险性入侵物种的分布范围及其潜在的入侵途径.本研究重点关注京津冀地区没有出现而其外来入侵物种高风险来源国家存在的最具破坏力的物种,将其列为京津冀三地的潜在高风险外来入侵物种,并对其潜在的入侵途径进行汇总.

2 结果

2.1 京津冀地区与全球气候环境的相似性匹配

与北京气候相似的区域主要在北美洲、欧洲和亚洲. 北美洲主要包括美国(阿拉斯加州和夏威夷州除外)和加拿大南部的艾伯塔省、萨斯喀彻温省和马尼托巴省;欧洲主要包括白俄罗斯、乌克兰、德国、波兰、罗马尼亚、匈牙利、意大利,以及俄罗斯的西北联邦管区、中央联邦管区、南部联邦管区、伏尔加联邦管区、乌拉尔联邦管区5个地区;亚洲包括朝鲜和韩国. 与天津气候相似的区域主要在北美洲、欧洲和亚洲. 北美洲主要包括美国中部的内布拉斯加州、堪萨斯州、俄克拉何马州、得克萨斯州等,以及墨西哥南部的索诺拉州、奇瓦瓦州、科阿韦拉州和杜兰戈州等;欧洲主要包括罗马尼亚、匈牙利、保加利亚、乌克兰、意大利、波兰、德国、捷克、瑞士,以及俄罗斯西南部的中央联邦管区、南部联邦管区、伏尔加联邦管区;亚洲主要包括韩国和朝鲜. 与北京和天津相比,河北气候相似的区域较多,主要在北美洲、欧洲、亚洲、非洲、南美洲和大洋洲. 北美洲主要包括美国(夏威夷州除外)和加拿大的不列颠哥伦比亚省、艾伯塔省、萨斯喀彻温省、马尼托巴省和魁北克省等南部地区;欧洲主要包括保加利亚、罗马尼亚、乌克兰、波兰、阿尔巴尼亚、瑞典、伊朗、土耳其、斯洛文尼亚、奥地利、芬兰、白俄罗斯、匈牙利、捷克、塞尔维亚、德国,以及俄罗斯的大部分地区(西伯利亚管区和远东联邦管区除外);亚洲主要包括哈萨克斯坦、朝鲜、蒙古、吉尔吉斯斯坦、韩国、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦;非洲主要包括索莱托和南非的自由邦省、东开普省;南美洲主要包括阿根廷;大洋洲主要包括澳大利亚的新南威尔士州和维多利亚州等东南部地区(图1).

a、b、c分别为北京、天津、河北的气候匹配图CMI为气候相似性指数,其范围从0(气候相似程度最低)到1(气候相似程度最高),其中CMI≥0.7作为气候是否相似的阈值标准,颜色从绿色逐渐向红色过度,越趋于红色表示CMI越大,即气候相似程度越高

2.2 京津冀地区外来入侵物种数量与经济指标关系的最优回归模型评价

京津冀地区的外来入侵动植物数量与各项经济指标均存在正相关性,其中与国内生产总值、入境旅游人数和进口总额存在较高的相关性(图2).

图中数字为Pearson 相关系数r值,数值越接近1,说明相关性越好,正值为正相关,负值为负相关*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001

由图3可知,从第1行(从底部开始),含截距和公路里程的模型调整R2为0.15,第2行含截距和进口总额的模型调整R2为0.63.跳至最上面一行,可以看到含截距(常数值)、公路里程、内河航道里程、入境旅游人数、进口总额和国内生产总值的5预测变量模型为最佳模型,调整R2为0.92.因此,将该预测5变量与外来入侵物种数量建立模型,得到各变量的回归系数和截距项(表1).经gvlma包对模型做出的验证结果表明数据满足回归模型的全部统计假设(P=0.479 8>0.05),说明该模型通过了综合检验(表2).

表1 5个预测变量与截距项的回归系数

表2 Gvlma包对回归模型做出的验证结果

图3 基于全子集回归的模型评价Fig.3 Model evaluation plot based on full subset regression

2.3 京津冀地区外来入侵物种高风险来源国家的确定

将通过指数模型得到的各项经济指标预测值代入建立的回归模型中,得到截至2025年各国传入京津冀三地的外来入侵物种数量,整理出它们各自的前10名国家(图4).传入北京的外来入侵物种数量位于前10名的国家有澳大利亚、德国、俄罗斯、意大利、加拿大、美国、日本、新加坡、英国和法国,传入天津的外来入侵物种数量位于前10名的国家有法国、澳大利亚、德国、印度尼西亚、美国、意大利、俄罗斯、菲律宾、加拿大和泰国,传入河北的外来入侵物种数量位于前10名的国家有澳大利亚、印度、美国、德国、意大利、印度尼西亚、加拿大、西班牙、韩国以及日本.由此可见,京津冀三地位于前10名的国家中均包括澳大利亚、德国、意大利、加拿大和美国.

a、b、c分别为根据回归模型得出的传入北京、天津、河北的外来入侵物种数量

最后依据气候相似程度和外来入侵物种传入数量的排名确定京津冀地区外来入侵物种高风险来源国家,其中,北京的外来入侵物种高风险来源国家为美国、德国和俄罗斯,天津的外来入侵物种高风险来源国家为美国、意大利和俄罗斯,河北的外来入侵物种高风险来源国家为美国和加拿大.

2.4 京津冀地区潜在的高风险外来入侵物种

京津冀地区的潜在高风险外来入侵物种共有31种,德国存在12种,分别为人厌槐叶萍Salviniamolesta、米氏野牡丹Miconiacalvescens、淡海栉水母Mnemiopsisleidyi、多刺水甲Cercopagispengoi、青蟹Carcinusmaenas、斑马贻贝Dreissenapolymorpha、大头蚁Pheidolemegacephala、大果柏大蚁Cinaracupressi、白鼬Mustelaerminea、小火蚁Wasmanniaauropunctata、阿根廷蚁Linepithemahumile和赤狐Vulpesvulpes;加拿大存在11种,分别为紫翅椋鸟Sturnusvulgaris、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas、斑马贻贝D.polymorpha、大果柏大蚁C.cupressi、四斑按蚊Anophelesquadrimaculatus、北美松鼠Sciuruscarolinensis、白鼬M.erminea、小火蚁W.auropunctata、玄鼠(黑家鼠)Rattusrattus和赤狐V.vulpes;意大利存在10种,分别为人厌槐叶萍S.molesta、海岸松Pinuspinaster、淡海栉水母M.leidyi、斑马贻贝D.polymorpha、大头蚁P.megacephala、大果柏大蚁C.cupressi、北美松鼠S.carolinensis、阿根廷蚁L.humile、玄鼠(黑家鼠)R.rattus和赤狐V.vulpes;俄罗斯存在7种,分别为海岸松P.pinaster、紫翅椋鸟S.vulgaris、淡海栉水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、斑马贻贝D.polymorpha、白鼬M.erminea和赤狐V.vulpes;以上31种物种均在美国分布(表3).

表3 京津冀地区高风险外来入侵物种名单

2.5 京津冀地区潜在高风险外来入侵物种传入途径分析

在31种潜在高风险外来入侵物种中,植物有9种,人厌槐叶萍S.molesta、米氏野牡丹M.calvescens、火树Myricafaya、金姜花Hedychiumgardnerianum、吸水木Cecropiapeltata、腺牧豆树Prosopisglandulosa、海岸松P.pinaster7种植物的入侵途径是作为观赏植物或其他目的(如用作饲料、沙丘保护、木材和树脂生产等)人为有意引进;恶草Clidemiahirta主要以人类活动或者动物作为媒介进行传播;奎宁树Cinchonapubescens主要通过风力散播种子自然传播.与高风险外来入侵植物相反,22种动物绝大部分由各种人类活动无意传入,其中,国际海运是外来入侵物种传入的一个重要途径,淡海栉水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas等可以通过船舶压舱水进行传播;大头蚁P.megacephala、大果柏大蚁C.cupressi、四斑按蚊A.quadrimaculatus、新几内亚扁虫Platydemusmanokwari、小火蚁W.auropunctata等可以通过各种植物或者木制品贸易进行传播;谷斑皮蠹Trogodermagranarium、玄鼠(黑家鼠)R.rattus、海蟾蜍Rhinellamarina等可以跟随大规模运输所使用的集装箱传播.还有部分高风险外来入侵动物存在人为有意引进的可能,如北美松鼠S.carolinensis和棕树蛇Boigairregularis可能通过宠物贸易或者动物园引进,白鼬M.erminea、红颊獴Herpestesjavanicus等可能用作生物防治(兔子、老鼠等)引进,尼罗尖吻鲈Latesniloticus存在水产养殖和人为放生进行传播的风险(表3).

3 讨论及建议

3.1 讨论

本研究表明京津冀地区外来入侵物种高风险来源国家有美国、德国、俄罗斯、意大利和加拿大5个国家,这些国家不仅与京津冀地区气候环境类似,分布有大量有害生物,且彼此之间也同样有着非常紧密的人员与贸易往来,其中美国不仅为京津冀3个地区共有的外来入侵物种高风险来源国家,其存在的高风险外来入侵物种也最多,因此,京津冀地区在与外来入侵物种高风险来源国家(尤其是美国)的经贸联系中,高风险外来入侵物种传入的可能性日益增大.

在京津冀地区的高风险外来入侵物种中,除奎宁树Cinchonapubescens主要依靠自然传播外,其他物种的主要入侵途径都与人类活动有关,其中包括有意引入和无意引入,这与之前学者的研究结果一致[47-49].人厌槐叶萍S.molesta、米氏野牡丹M.calvescens、火树M.faya、金姜花H.gardnerianum、紫翅椋鸟S.vulgaris、北美松鼠S.carolinensis和棕树蛇B.irregularis7种存在作为观赏植物或通过宠物贸易等人为有意引入的可能.其余高风险外来入侵物种大部分为无意引入,其中大头蚁P.megacephala、大果柏大蚁C.cupressi、四斑按蚊A.quadrimaculatus、新几内亚扁虫P.manokwari、小火蚁W.auropunctata、阿根廷蚁L.humile、谷斑皮蠹T.granarium7种害虫均存在通过植物或植物材料进行传播的风险;淡海栉水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi、青蟹C.maenas、斑马贻贝D.polymorpha4种水生生物,其主要传播途径为船舶压舱水,在京津冀地区与外来入侵物种高风险来源国家的远洋贸易中极易造成入侵.

3.2 建议

1)针对潜在高风险外来入侵物种,应建立其快速检验和检疫技术.加大投入,针对每种潜在高风险外来入侵物种的生物学特性,通过比较研究声音测绘法、X射线检测、近红外光谱分析技术、高光谱图像技术、DNA条形码等检疫技术和方法,获得每种潜在外来入侵物种的快速检验检疫技术,实现潜在高风险外来入侵物种的快速检验检疫.

2)根据京津冀地区潜在高风险外来入侵物种的传入途径,针对性地进行检验检疫是将潜在高风险外来入侵物种阻拦在国门之外的重要举措.如在京津冀地区的高风险外来入侵物种中,大头蚁P.megacephala、大果柏大蚁C.cupressi等可能通过植物或植物材料进行传播的害虫,各级检验检疫局可以针对外来入侵物种高风险来源国家的植物进口针对性地进行检验和检疫.

3)加强京津冀地区港口船舶压舱水及附近海域的监管.京津冀地区主要拥有天津港、秦皇岛港、唐山港、黄骅港四大港口,这为淡海栉水母M.leidyi、多刺水甲C.pengoi等高风险水生物种提供入侵的可能.因而对重点来自京津冀地区外来入侵物种高风险来源国家的船舶,需要加强船舶压舱水的处理,对其排放可能带来的潜在风险进行评估,反复排查,直至无风险再进行排放.同时针对上述高风险外来入侵物种,对港口附近的海域进行常态化监测,及时发现,快速歼灭,将影响降到最低.

4)加强宣传力度,增强国民的生物安全意识.在京津冀地区的高风险外来入侵物种中,米氏野牡丹M.calvescens、北美松鼠S.carolinensis、棕树蛇B.irregularis等物种的主要传播途径为人类的有意引入.因而,针对这些潜在高风险外来入侵物种的危害性应利用多种渠道加强宣传,以此来增强国民的生物安全意识,让民众意识到生物入侵的严重性是防控其传入的有效途径.同时,建立健全防控生物入侵等相关法律和制度,明确引进外来物种需要承担的法律责任,严格规范执法,做到违法必究.