文/張文娟 中國(guó)生態(tài)文明研究與促進(jìn)會(huì)

我們正處在一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，隨著技術(shù)的進(jìn)步和智能監(jiān)測(cè)的發(fā)展，同時(shí)伴隨著越來(lái)越多的人正在加入到現(xiàn)代化公民科學(xué)行列，人類社會(huì)已經(jīng)在集體生產(chǎn)生態(tài)學(xué)大數(shù)據(jù)了。海量的生物多樣性數(shù)據(jù)和生物資源本身一樣，是國(guó)家重要的資源，我國(guó)是生物多樣性信息學(xué)發(fā)展比較好的國(guó)家，但信息資源整合度低，信息數(shù)據(jù)碎片化、共享程度有限，阻礙了信息的深度挖掘和有效利用。整合多元異構(gòu)數(shù)據(jù)資源，促進(jìn)信息的深度挖掘和有效利用，是當(dāng)前亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

生物多樣性研究存在知識(shí)空缺

世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）半個(gè)多世紀(jì)前開(kāi)始的《瀕危物種紅色名錄》評(píng)估工作，有力地推動(dòng)了各國(guó)生物多樣性保護(hù)的進(jìn)程，得到了國(guó)際認(rèn)可?；谠摍C(jī)構(gòu)的評(píng)估方法，結(jié)合自身國(guó)情，我國(guó)于20世紀(jì)80年代，先后啟動(dòng)了植物和動(dòng)物紅皮書的編寫。2004年起出版的《中國(guó)物種紅色名錄》，為我國(guó)當(dāng)時(shí)瀕危物種的研究、教育和相關(guān)保護(hù)政策的制定提供了最新、最可靠的依據(jù)。

從2007年開(kāi)始，中科院生物多樣性委員會(huì)組織院內(nèi)外分類學(xué)專家編研《中國(guó)生物物種名錄》，并從2008年起以年度名錄的形式每年更新和向社會(huì)公開(kāi)發(fā)布，為全球使用者提供實(shí)時(shí)在線的中國(guó)動(dòng)物、植物和微生物等生物類群的分類和分布信息，中國(guó)也成為世界上唯一一個(gè)連續(xù)多年發(fā)布年度生物物種名錄的國(guó)家。

與此同時(shí)，為全面掌握我國(guó)生物多樣性受威脅狀況，提高生物多樣性保護(hù)的科學(xué)性和有效性，原環(huán)保部于2008年聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了《中國(guó)物種紅色名錄》升級(jí)版—《中國(guó)生物多樣性紅色名錄》的編制。歷經(jīng)多年，《中國(guó)生物多樣性紅色名錄—高等植物卷》和《中國(guó)生物多樣性紅色名錄—脊椎動(dòng)物卷》在2013年9月和2015年5月分別正式對(duì)外發(fā)布。2018年5月，生態(tài)環(huán)境部又和中科院共同發(fā)布《中國(guó)生物多樣性紅色名錄—真菌卷》。這是我國(guó)首次采用IUCN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大型真菌的受威脅狀況進(jìn)行的一次全面評(píng)估。

法國(guó)作為僅次于美國(guó)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，它的農(nóng)業(yè)極度發(fā)達(dá)，是世界主要農(nóng)業(yè)大國(guó)。主產(chǎn)小麥、大麥、玉米和水果蔬菜。

除了《中國(guó)生物物種名錄》《中國(guó)生物多樣性紅色名錄》，近年來(lái)，國(guó)家動(dòng)植物種質(zhì)資源共享平臺(tái)、國(guó)家標(biāo)本資源共享平臺(tái)等也陸續(xù)完成。

有關(guān)生物多樣性的這些研究成果為相關(guān)主管部門和地方政府制定物種保護(hù)相關(guān)政策和規(guī)劃提供了依據(jù)，對(duì)我國(guó)生物多樣性保護(hù)與管理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。比如，物種名錄查明我國(guó)已知脊椎動(dòng)物、高等植物和真菌的種的本底狀況、受威脅程度及分布差異，確定了各個(gè)大類群的瀕危狀況和保護(hù)等級(jí)，分析了瀕危物種滅絕的原因，就可針對(duì)受威脅物種的地理分布和種群現(xiàn)狀，制定和完善自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃，合理調(diào)整原有自然保護(hù)區(qū)的面積或功能區(qū)，根據(jù)需要在物種集中分布區(qū)或分布點(diǎn)建立新的自然保護(hù)區(qū)或保護(hù)點(diǎn)。對(duì)于那些就地保護(hù)不足以達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的物種，可采取遷地保護(hù)等輔助措施，或?qū)⑵湟迫雱?dòng)植物園進(jìn)行繁育，或保存在國(guó)家種質(zhì)資源庫(kù)中。

盡管已積累的生物多樣性數(shù)據(jù)足夠豐富，但生態(tài)學(xué)家們依然對(duì)缺乏高質(zhì)量生物多樣性數(shù)據(jù)感到苦惱。

研究指出，當(dāng)前全世界在生物多樣性方面都存在著知識(shí)欠缺，主要包括七個(gè)方面：一是新物種的發(fā)現(xiàn)，二是已知物種的地理分布，三是種群數(shù)量與時(shí)空動(dòng)態(tài)，四是物種進(jìn)化史，五是物種功能形狀，六是物種與環(huán)境之間的關(guān)系，七是物種之間的相互作用。這些空缺導(dǎo)致我們當(dāng)前的生物多樣性研究只能限制在一些特定的區(qū)域，特定的生物有機(jī)體，特定的環(huán)境條件等，基于某一個(gè)區(qū)域的或類群提出的理論或假說(shuō)難以在其他區(qū)域或類群進(jìn)行驗(yàn)證，這極大地限制了生物多樣性研究，讓決策者做出科學(xué)的判斷。

大數(shù)據(jù)為彌補(bǔ)知識(shí)空缺提供了可能

2019年1月發(fā)表在《自然植物》雜志上的一篇文章提出行動(dòng)號(hào)召，敦促人們利用大數(shù)據(jù)解決長(zhǎng)期存在的、有關(guān)植物多樣性和進(jìn)化的問(wèn)題?？茖W(xué)家們認(rèn)為，利用大數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)解決主要的生物多樣性問(wèn)題具有巨大的實(shí)際意義，從保護(hù)努力到預(yù)測(cè)和緩沖氣候變化都將產(chǎn)生巨大的影響。

的確，我們現(xiàn)在看到的大數(shù)據(jù)資源之間的聯(lián)系是不可想象的。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全球收集了數(shù)十億個(gè)標(biāo)本及其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中大部分現(xiàn)在可以在網(wǎng)上找到。遠(yuǎn)程傳感器和無(wú)人機(jī)等新技術(shù)使科學(xué)家能夠監(jiān)測(cè)植物和動(dòng)物，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。公眾通過(guò)記錄和報(bào)告他們通過(guò)數(shù)字工具(如iNaturalist)的觀察結(jié)果來(lái)貢獻(xiàn)生物數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)資源為科學(xué)家和自然資源保護(hù)者提供了關(guān)于地球上生命的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的豐富信息。

荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)采取精準(zhǔn)化的供水控制系統(tǒng)，按照作物的生長(zhǎng)周期調(diào)整供水量，并且可以在1天時(shí)間內(nèi)按照太陽(yáng)輻射情況及時(shí)調(diào)整供水量，既能夠保證作物生長(zhǎng)的需要，又能夠避免過(guò)度灌溉造成水資源浪費(fèi)。

目前，大數(shù)據(jù)的挖掘及其應(yīng)用已經(jīng)成為國(guó)際生物多樣性研究的前沿內(nèi)容，全球和區(qū)域水平的生物多樣性數(shù)據(jù)庫(kù)不斷建立和完善，例如，全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)（GBIF）等全球大型數(shù)據(jù)庫(kù)包括10億多條物種分布信息。若干國(guó)家的數(shù)據(jù)庫(kù)，如澳大利亞生物多樣性信息系統(tǒng)和美國(guó)標(biāo)本數(shù)字化平臺(tái)，也可以提供數(shù)千萬(wàn)條物種分布信息。我國(guó)自2003年開(kāi)始建立的國(guó)家標(biāo)本資源共享平臺(tái)，包含植物、動(dòng)物、巖礦化石和極地資源在內(nèi)的標(biāo)本照片、名錄、和文獻(xiàn)等信息，目前數(shù)字化標(biāo)本總量也已經(jīng)超過(guò)1200多萬(wàn)份。

基于這些海量的，高異構(gòu)性的數(shù)據(jù)，生態(tài)學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)展了一些突破性的工作，內(nèi)容涉及到生物多樣性研究的多個(gè)方面：

基于數(shù)據(jù)分析全球無(wú)路地區(qū)生態(tài)價(jià)值。德國(guó)埃伯斯瓦爾德可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的Pierre Ibisch帶領(lǐng)著國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，利用自由地維客世界地圖上超過(guò)3600萬(wàn)公里道路的數(shù)據(jù)，繪制了地球上除了格陵蘭島和南極洲以外所有無(wú)路地區(qū)的地圖。由于污染、噪音、水土流失、人類造訪日漸增多，以及害蟲(chóng)和入侵物種的運(yùn)送，道路的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其實(shí)際面積，因此研究團(tuán)隊(duì)把距離公路至少一公里的地方都算作是道路覆蓋區(qū)域。他們計(jì)算得到的結(jié)果是：全球共有1.32億平方公里的土地，其中約1.05億沒(méi)有道路覆蓋。研究者完成無(wú)路地區(qū)域繪制后，根據(jù)碎片區(qū)的范圍、生物多樣性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的重要性，判定了它們的生態(tài)價(jià)值。大多數(shù)無(wú)路地區(qū)面積都很小，在60萬(wàn)個(gè)碎片區(qū)里，有半數(shù)不到1平方公里，80%小于5平方公里，只有7%大于100平方公里。四分之一的無(wú)路地區(qū)人煙稀少，寸草不生，基本上是一片荒蕪之地；三分之一是牧場(chǎng)。當(dāng)然大面積無(wú)路地區(qū)中也有一些郁郁蔥蔥、生物種類繁多的地方，比如亞馬遜和北美的北方森林。研究者發(fā)現(xiàn)，目前只有9.3%的地方得到了國(guó)際保護(hù)力量的保護(hù)。隨著關(guān)于道路負(fù)面影響的科學(xué)證據(jù)越來(lái)越多，他們認(rèn)為應(yīng)該優(yōu)先保護(hù)地圖上最具生態(tài)價(jià)值的無(wú)路地區(qū)。這篇文章2016年12月15日發(fā)表在《自然》雜志上。

基于大數(shù)據(jù)分析森林生產(chǎn)力與物種多樣性之間的關(guān)系。美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)的梁晶晶教授等研究者，收集了來(lái)自44個(gè)國(guó)家及地區(qū)、橫跨13個(gè)不同生態(tài)區(qū)域的77萬(wàn)多個(gè)全球森林多樣性樣地（global forest biodiversity plots）的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。這77萬(wàn)多個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)涵蓋了231個(gè)科、1862個(gè)屬中的8737個(gè)樹(shù)種。對(duì)于每一份樣地?cái)?shù)據(jù)，研究者都從中提取出三項(xiàng)關(guān)鍵特征：樹(shù)的種類豐富度、林分?jǐn)嗝娣e、初級(jí)生產(chǎn)力，在此基礎(chǔ)上，他們引進(jìn)氣候、土壤狀態(tài)、降水等一系列其他變量，建立了一個(gè)冪函數(shù)模型來(lái)反映生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力之間的關(guān)系。如果全球性的樹(shù)木物種減少10%，那么森林的生產(chǎn)力會(huì)下降2-3%；而如果在比較極端的情況下，樹(shù)木只剩下一種了，那么哪怕全球的樹(shù)木總數(shù)維持不變，森林的生產(chǎn)力也還是會(huì)下降26%～66%。研究者特地估算了生物多樣性在維持森林生產(chǎn)力方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值—相當(dāng)于每年1660億到4900億美元！他們得出結(jié)論：物種多樣性的持續(xù)缺失會(huì)加劇森林的生產(chǎn)力（即生物量的產(chǎn)生速率）衰退，保護(hù)物種多樣性作為一種防微杜漸的預(yù)防手段，是具備極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。這篇文章發(fā)表在2016年10月的《科學(xué)》雜志上。

近年來(lái)，利用大數(shù)據(jù)研究分析為生物多樣性研究做出的判斷，正在逐年增多，內(nèi)容涉及到土地利用和覆蓋變化、氣候變化、城市化等對(duì)生物多樣性的影響，物種進(jìn)化歷史，物種滅絕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的功能關(guān)系等，這些研究案例展示了大數(shù)據(jù)在生物多樣性研究中的巨大潛力，為彌補(bǔ)生物多樣性性知識(shí)欠缺，驅(qū)動(dòng)更具創(chuàng)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了各種可能性。

整合多元異構(gòu)數(shù)據(jù)資源促進(jìn)信息深度挖掘和有效利用

生物多樣性信息數(shù)據(jù)是國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，也是國(guó)家生態(tài)安全和生態(tài)文明建設(shè)的重要保障。生物多樣性領(lǐng)域多層次、多維度的大數(shù)據(jù)匯聚與綜合分析，正在改變著人類對(duì)自然的認(rèn)知方式和資源利用能力。

作為科學(xué)研究的新范式，大數(shù)據(jù)正在改變著人們的思維方式，促使生物多樣性研究不再僅僅滿足于數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和共享，必須邁上一個(gè)新的維度，研究需要回答一些基本的問(wèn)題：是否能夠基于各類數(shù)據(jù)的分析，驅(qū)動(dòng)更具創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)；是否能夠提供可視化、標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，為政府決策做科技支撐；是否能夠提供共享程度更高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，服務(wù)于科普教育和提升公眾文化水平。

生命科學(xué)領(lǐng)域多層次大數(shù)據(jù)匯集、深度分析，以及通過(guò)科學(xué)交叉與生態(tài)、地理、遙感、環(huán)境等數(shù)據(jù)的融合，為更具創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)提供了種種可能性，面對(duì)不斷加劇的人類活動(dòng)和日益嚴(yán)峻的生物多樣性保護(hù)趨勢(shì)，是時(shí)候行動(dòng)起來(lái)，用大數(shù)據(jù)的思維方式去推動(dòng)變革，但是，仍然面對(duì)著各種挑戰(zhàn)。

最困難障礙之一，是如何使屬于不同的組織、機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)能夠順利地相互協(xié)作，畢竟，全世界不同國(guó)家，不同組織和機(jī)構(gòu)建立的各個(gè)生物多樣性性系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通常以完全不同的方式收集，將這些集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

僅以中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)為例，多年來(lái)，中科院積累了大量生物物種（包括古生物）和遺傳信息資源，野外臺(tái)站和大樣地監(jiān)測(cè)體系，以及龐大的國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)，并且已經(jīng)建成全球最大的古生物學(xué)與地層學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，國(guó)家標(biāo)本資源共享平臺(tái)，世界微生物數(shù)據(jù)中心，中國(guó)生物物種名錄，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估和生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等一系列信息不斷更新的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，全面整合這些生物、生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境信息資源，就是一項(xiàng)重大的工作，目前，中國(guó)科學(xué)院已經(jīng)在推動(dòng)中國(guó)生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，并已經(jīng)有了基本的架構(gòu)。

據(jù)了解，中國(guó)生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)將聚焦服務(wù)國(guó)家資源的應(yīng)用場(chǎng)景，形成多層次的柵格化的數(shù)據(jù)圖層，利用分析模型和可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物多樣性數(shù)據(jù)資源的挖掘和利用，構(gòu)建開(kāi)放開(kāi)源的生物多樣性與生態(tài)安全大數(shù)據(jù)處理利用的通用接口，實(shí)現(xiàn)生物多樣性資源和有效管理，保障國(guó)家生態(tài)安全，支撐國(guó)家公益性科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，促進(jìn)生物多樣性信息最大限度地整合、分析、評(píng)價(jià)、保護(hù)和利用，為生物多樣性科學(xué)發(fā)展和科普教育，履行《生物多樣性》公約，國(guó)家生態(tài)承載能力評(píng)估和生態(tài)安全格局構(gòu)建強(qiáng)有力的支撐和服務(wù)。

但是，生物多樣性數(shù)據(jù)的高異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性仍然是我們面臨的巨大的挑戰(zhàn)，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，需要更高層次的頂層設(shè)計(jì)和協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)地理、氣象、遙感、環(huán)境、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，驅(qū)動(dòng)大數(shù)據(jù)時(shí)代生物多樣性研究的合作與發(fā)展，從而促進(jìn)交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域科學(xué)發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，構(gòu)建我國(guó)生物多樣性資源保護(hù)和生態(tài)格局，為保障國(guó)家生態(tài)安全做出努力。