王以斌 石紅旗 劉芳明 鄭洲 繆錦來

外來海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式*

王以斌①石紅旗②劉芳明③鄭洲④繆錦來⑤

①③助理研究員，②共同第一作者，副研究員，④副研究員，⑤通訊作者，研究員，國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061
*海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305027、201405015)資助

外來海洋物種；生物入侵；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)；米草屬植物

以外來海洋生物入侵過程和機(jī)制分析為基礎(chǔ)，結(jié)合多層次模糊綜合判別，構(gòu)建外來生物入侵的風(fēng)險(xiǎn)分析框架和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式。通過建立海洋生物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分層指標(biāo)體系，確定指標(biāo)因子的隸屬度和損害權(quán)重賦值標(biāo)準(zhǔn)，明確外來海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)的計(jì)算方法、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)和入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析方法。以米草屬植物(大米草、互花米草、狐米草)為例，進(jìn)行海洋植物入侵種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明：互花米草和大米草為高風(fēng)險(xiǎn)海洋植物入侵種，狐米草為中等風(fēng)險(xiǎn)的海洋植物入侵種。

外來生物入侵是由外來種的入侵性、生境的可入侵性、入侵的影響等因素決定的[1]。2008—2010年全國第二次外來入侵物種普查結(jié)果顯示：中國目前已查明的外來入侵物種有488種，其中植物265種，動(dòng)物171種，菌物26種，病毒12種，原核生物11種，原生生物3種[2]。在地理學(xué)角度上，分布的總面積、密度和單位個(gè)體的影響這三個(gè)因素決定一個(gè)外來入侵種的總體影響，同時(shí)它們相互之間以及與總體影響之間存在著非線性的相互作用[3]，所以評(píng)價(jià)外來入侵種的生態(tài)影響是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。

當(dāng)前國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員對(duì)外來入侵物種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及評(píng)價(jià)已開展了諸多工作。中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局自1980年開始開展對(duì)有害生物的風(fēng)險(xiǎn)分析，其植物的有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析工作處于全球植物檢疫界領(lǐng)先水平[4]。農(nóng)業(yè)部等相關(guān)部門也從2004年起成立專門的機(jī)構(gòu)來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作[5]。馬英等[6]設(shè)計(jì)了一種基于三角模糊數(shù)表示的外來海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，并利用該體系進(jìn)行了互花米草等7種典型海洋外來種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。李明陽等[7]構(gòu)建了一個(gè)生境預(yù)測(cè)模型用來分析與中國入侵種沙篩貝相近的斑馬紋貽貝的空間分布規(guī)律及其環(huán)境影響因素。歐健等[8]構(gòu)建了適用于廈門的外來入侵植物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了分析。陳蕾伊等[9]以草本種子植物的生活史特性和原產(chǎn)地特性作為預(yù)測(cè)因子構(gòu)建了一個(gè)外來草本種子植物入侵潛力的評(píng)估預(yù)測(cè)模型。

以上工作為本研究的開展提供了大量的參考，本文提出的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和模型對(duì)同種屬海洋入侵植物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有較高的分辨率，具有科學(xué)性和可操作性，對(duì)于外來海洋物種的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的建立

1.1 層次分析法建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

外來海洋生物入侵是海洋生物分布的地理區(qū)域的跨越，包括主動(dòng)擴(kuò)散和被動(dòng)擴(kuò)散兩種方式[10-12]，人為傳播所造成的海洋生物入侵已越來越頻繁。入侵后的海洋生物能否建立起適宜的生物鏈，其發(fā)生和發(fā)展?fàn)顩r取決于食物資源的多少、寄主抗性、種群競爭的強(qiáng)弱、天敵控制能力，以及人為管理等多種因素。外來海洋生物的迅速發(fā)生和發(fā)展給當(dāng)?shù)赝林N及其生境造成極大的危害[13-14]。

根據(jù)外來海洋物種入侵過程的一系列條件、事件和風(fēng)險(xiǎn)分析的對(duì)象，可劃分成不同層次和等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)因子，同時(shí)將外來海洋物種的入侵風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)相結(jié)合，便于綜合管理[15-17]。根據(jù)外來生物入侵規(guī)律，參考其他文獻(xiàn)資料[5]，按層次分析法建立了外來海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系框架，見表1。

1.2 入侵風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)計(jì)算

外來生物入侵風(fēng)險(xiǎn)是指外來生物引入具有一定發(fā)生幾率的潛在的危險(xiǎn)性。因此，某種外來物種入侵的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)質(zhì)上是其造成的危害和形成這種危害幾率的一個(gè)函數(shù)[18]。采用生物入侵風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)合多層次模糊綜合評(píng)判模型，可以對(duì)外來海洋物種進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其評(píng)估計(jì)算公式如下：

R為入侵風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，P為入侵潛力，S為危害嚴(yán)重性指數(shù)。

pi為入侵潛能指標(biāo)因子i的分級(jí)隸屬度賦值，i為指標(biāo)因子。

表1 外來海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

*用于入侵病害微生物WSi為危害指標(biāo)因子i的權(quán)系數(shù),Si為危害嚴(yán)重性指標(biāo)因子i的分級(jí)隸屬度賦值，i為指標(biāo)因子。

1.3 因子分級(jí)隸屬度賦值

采用定性分級(jí)賦值的方法，對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因子賦值，其賦值依據(jù)及分析如下：

(1) 相關(guān)因子(pi)及分級(jí)隸屬度(表2)

表2 外來海洋物種入侵相關(guān)因子( pi)及分級(jí)隸屬度

(2) 危害性(Si)及分級(jí)隸屬度(表3)

(3)入侵損害權(quán)系數(shù)確定(表4)

常用層次分析法來衡量各層次、各領(lǐng)域在外來海洋生物入侵評(píng)價(jià)總指數(shù)中的權(quán)重以及各指標(biāo)在各層次、各領(lǐng)域中的權(quán)重。本研究中，我們應(yīng)用基于層次分析法的思想建立起來的一種簡化方法——因素分析法[19]。因素分析法繼承了層次分析法的思想：分層次賦予權(quán)重，再在各層次內(nèi)部對(duì)指標(biāo)賦予權(quán)重，最后進(jìn)行層內(nèi)權(quán)重和層次間權(quán)重組合運(yùn)算，形成總體權(quán)重。但是，在賦予層次權(quán)重和層內(nèi)權(quán)重時(shí)需采用層間和層內(nèi)排隊(duì)進(jìn)行簡化的處理，運(yùn)用倒序計(jì)算的方法來衡量具體的權(quán)重水平。

表3 外來海洋物種危害性因子(Si)及分級(jí)隸屬度

表4 入侵損害權(quán)重

(4)入侵風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

綜合外來海洋物種入侵能力和入侵危害后果，參考其他生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制體系的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，提出了入侵風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)(表5)：以0.000～0.249為低級(jí)；0.250～0.374為中級(jí)；0.375～0.500為高級(jí)；0.500～1.000為特高級(jí)。

表5 入侵風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

1.4 生物入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析

生物入侵有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程。為了解外來海洋生物入侵狀態(tài)，需要對(duì)外來海洋生物進(jìn)行全方位的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，并建立外來海洋生物入侵的預(yù)警系統(tǒng)，為相關(guān)決策部門提供決策依據(jù)[20]。

多元區(qū)別分析(multiple discriminant analysis,MDA)方法是用來將觀測(cè)結(jié)果根據(jù)其自身特征劃分成組的一種統(tǒng)計(jì)方法，主要應(yīng)用在因變量以定性形式出現(xiàn)的問題的分析中[19]。用MDA方法可以確定出外來海洋物種入侵預(yù)警判別式，分析的步驟如下：

(1)依據(jù)海洋生物入侵評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立明確的指標(biāo)分組：入侵能力組、土著生物損害組、環(huán)境損害組、生態(tài)系統(tǒng)損害組、經(jīng)濟(jì)損失組。選取各組的特征變量，設(shè)定海洋生物入侵預(yù)警分析的臨界指數(shù)(表6)。

表6 各指標(biāo)組的臨界指數(shù)

(2)為各組的特征變量(各個(gè)指標(biāo)系中的分類指標(biāo))賦值。

(3)結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析的指數(shù)計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建各組特征變量的預(yù)警分析判別式。入侵能力組的預(yù)警指數(shù)以P公式描述預(yù)警分析判別式；入侵危害相關(guān)各組的預(yù)警指數(shù)以S1、S2、S3、S4公式描述預(yù)警分析判別式。

(4)將預(yù)警分析指數(shù)與臨界指數(shù)進(jìn)行比較，從而獲得海洋生物入侵預(yù)警分析結(jié)果。

海洋生物入侵的衡量標(biāo)準(zhǔn)在于能否在當(dāng)?shù)亟⒎N群，并對(duì)本地生物、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來可預(yù)測(cè)的顯著影響[21]。由各預(yù)警分析判別式分別計(jì)算出海洋生物入侵能力預(yù)警分析指數(shù)和損害預(yù)警分析指數(shù)，將它們與各自的臨界值作比較，得到預(yù)警分析的結(jié)論。利用外來海洋物種入侵預(yù)警機(jī)制，在收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，即可對(duì)海洋生物入侵狀況定期地進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警分析。

2 米草屬植物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例

以大米草(Spartina anglica)、互花米草(Spartina alternif l ora)、狐米草(Spartina patens)為例運(yùn)用本評(píng)估模式進(jìn)行評(píng)估。這三種米草屬植物自20世紀(jì)60年代起先后由仲崇信等引入中國后，已在沿海地區(qū)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的入侵性(圖1)[4,20,22-25]。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子賦值

表7是各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子賦值結(jié)果。

表7 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子賦值

2.2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)判

利用表1的賦值數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)～(3)及表4、表5計(jì)算并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分，結(jié)果如表8。

表8 米草屬植物風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)判

2.3 米草屬植物入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析

米草屬植物互花米草(S. alterniflora)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)判結(jié)果見表9。結(jié)果表明：互花米草在入侵能力、土著生物損害、環(huán)境損害三個(gè)組別均超過臨界值，屬于預(yù)警關(guān)注的重點(diǎn)。

表9 互花米草入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析

綜上所述，大米草和互花米草的入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均已是高風(fēng)險(xiǎn)，互花米草入侵風(fēng)險(xiǎn)高于大米草，狐米草入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等。對(duì)互花米草進(jìn)行的入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析顯示，其入侵能力、土著生物損害和環(huán)境損害都已超過臨界值，屬于重點(diǎn)關(guān)注的預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)。馬英等[6]利用構(gòu)建的評(píng)估體系對(duì)互花米草進(jìn)行的評(píng)估結(jié)果認(rèn)為其為極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；鄭冬梅等[23]認(rèn)為福建地區(qū)的互花米草、大米草均屬高風(fēng)險(xiǎn)物種，應(yīng)嚴(yán)格控制其蔓延；歐健等[8]對(duì)廈門地區(qū)的互花米草進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析認(rèn)為其入侵風(fēng)險(xiǎn)為“高風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)之上的“不可接受”等級(jí)；馬喜軍等[25]研究了江蘇鹽城附近的米草入侵現(xiàn)狀后也得出了類似的結(jié)論。

3 結(jié)論

在對(duì)外來海洋生物入侵過程和機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，確立入侵風(fēng)險(xiǎn)分析框架和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式，建立了海洋生物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分層指標(biāo)體系、指標(biāo)因子的隸屬度和損害權(quán)重賦值標(biāo)準(zhǔn)，明確了海洋物種入侵風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)計(jì)算方法，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)和入侵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析方法。利用該模式對(duì)三種米草屬植物(大米草、互花米草、狐米草)的入侵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明：大米草和互花米草的入侵風(fēng)險(xiǎn)均為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，互花米草的入侵風(fēng)險(xiǎn)高于大米草，狐米草的入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，這一評(píng)估結(jié)果與國內(nèi)外其他研究的結(jié)論相一致。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系和模型對(duì)同屬入侵植物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有較高的分辨率，具有科學(xué)性和可操作性，對(duì)于評(píng)估可能的外來海洋物種的入侵風(fēng)險(xiǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

(2013年9月25日收稿)

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An invasive risk assessment model of alien marine species

WANG Yi-bin①, SHI Hong-qi②, LIU Fang-ming③, ZHENG Zhou④, MIAO Jin-lai⑤
①③Research Assistant, ②④Associate Professor, ⑤Professor, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration,Qingdao 266061, Shandong Province, China

To assess the invasion risk of alien marine species, an invasive risk assessment model was constructed based on the analysis of the biological invasions processes and mechanisms, which combined with the multi-hierarchy fuzzy comprehensive evaluation. Through to establish risk assessment index of marine biological invasions, the definition of the invasive factor and subjection degree of qualitative index, and evaluated the weight of invasion damage, a clear risk assessment composite index of marine invasive alien species was calculated. The invasive risk of Spartina plantations (such asSpartina anglica,Spartina alternif l oraandSpartina patens) were assessed by this model. The results identified the grade of cordgrassSpartina alternif l oraandSpartina anglicaas very high risk, andSpartina patensas medium one.

alien marine specie, biological invasion, risk assessment, risk prediction,Spartinaplantation

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.007

(編輯：段艷芳)