中國外來入侵物種數據庫簡介

冼曉青， 陳 宏， 趙 健， 萬方浩＊

（1.中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；2.福建省農業科學院植物保護研究所，福州 350013）

隨著人類活動對自然界影響的日益加劇，生物入侵已成為全球關注的問題。它不僅改變了生物的原有地理分布和自然生態系統的結構與功能，還對環境產生了很大的影響。入侵物種經常形成廣泛的生物污染，危及土著群落的生物多樣性并影響生產生活，造成了巨大的經濟損失［1］。數據集成是研究生物入侵的基礎，對追蹤物種入侵的歷史，分析入侵種擴散規律，預測某一類群生物的入侵可能性，具有不可忽視的作用，也為入侵的預警提供大量必要的信息［2］。建立外來入侵物種數據庫是其數據集成的一種方式，它可以及時地將入侵物種信息提供給相關機構、口岸、植檢部門、科研單位和行政管理人員，便于他們及時掌握外來入侵物種的動態；在生物入侵數據分析的基礎上，尋找入侵生物的統計規律，并以此探索入侵的機制，或建立模型預測其可能的風險，以便制定相應的法規和采取有效的措施預防和控制外來物種的入侵［2］。

國際上關注生物入侵研究已有100多年的歷史，但直到20世紀80年代才引起人們的關注［3］。各研究機構和政府部門建立外來入侵物種數據庫在1990年之后才開始的。1991年，美國農業動植物健康檢查服務局（USDA－APHIS）建立了入侵生物信息管理系統，其中包括植物害蟲、有害雜草和北美外來節肢動物三個數據庫。1997年，國際科聯環境科學問題委員會（SCOPE）、世界自然保護聯盟（IUCN）和聯合國環境規劃署（UNEP）共同發起了全球入侵物種計劃（GISP）。在該計劃的支持下，IUCN入侵物種專家組（ISSG）建立了第一個專業的全球生物入侵數據庫（Global Invasive Species Database）。該數據庫以威脅生物多樣性的入侵種為焦點，包括了微生物、動物和植物的所有類群。數據庫內容包括物種的生物學、生態學特性，本地和外來種的分布范圍、參考書目、聯系方法、鏈接和圖像等。此后，美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭等國家和組織陸續開發了入侵物種數據信息系統，如歐洲外來入侵物種數據庫（Delivering Alien Invasive Species Inventories for Europe）、國際應用生物科學中心（CABI）的入侵物種大全（Invasive Species Compendium）。

自2001年國內第一個專業生物入侵網站“中國生物入侵網”建立以來［4－5］，我國研究人員也開發了許多外來物種的數據信息系統。根據信息系統公布的表現形式可分為以下三類：一是以域名正式對外公開的網站，如以綜合類入侵物種為對象的中國農業有害生物信息系統、中國外來海洋生物物種基礎信息數據庫［6］、中國外來入侵植物信息系統、環保部外來入侵物種數據庫［7］；以特定物種或某類入侵物種為對象的蘋果蠹蛾防控信息網、實蠅預警系統、中國薊馬網、植物入侵防控及利用技術研究與示范。二是以科技論文形式發表的信息系統，如中國外來樹種信息庫［8］、城市綠地外來潛在危險性有害生物數據庫［9］、山東省外來物種數據庫應用系統［10］、云南省外來入侵生物網絡數據庫［11］、武漢市外來物種入侵風險預警網［12］、江蘇省重要外來有害生物管理信息系統［13］、外來生物入侵預警網絡平臺［14］、外來有害生物定量風險分析系統［15］、農作物外來有害生物地理信息系統［16］。三是已獲得軟件著作權登記的信息系統。據初步統計，有16項已獲得軟件著作權的信息系統與外來物種有關，如外來生物災害知識應急管理系統（登記號2012SR071591）、外來有害生物防控數字實驗室系統軟件（登記號2012SR099072）。

我國的生物入侵研究正處于快速發展階段，入侵物種數據信息系統的建設在整體上與國際水平還有一定的差距。這些入侵物種信息系統不僅包含的入侵物種種類不全、數量少，而且物種的基礎信息內容不完整；系統的功能只能滿足特定人員使用，導致推廣應用十分困難。針對上述不足，項目組在十余年的入侵物種資料收集和野外考察的基礎上，開發了中國外來入侵物種數據庫信息系統，該系統涵蓋我國外來入侵物種的所有種類（動物、植物和微生物），將成為國內入侵物種種類最齊全、信息量最大的信息系統，為外來入侵物種的早期預警和檢測監測提供網絡技術平臺。目前，該平臺以域名www.chinaias.cn正式對外開放。

1 數據庫的功能

中國外來入侵物種數據庫信息化平臺根據系統軟件的功能劃分為：中國外來入侵物種數據庫系統、中國外來入侵物種地理分布信息系統、外來入侵物種野外數據采集系統、外來入侵物種安全性評價系統、中國主要外來入侵昆蟲DNA條形碼識別系統和中國重大外來入侵昆蟲遠程監控系統。

中國外來入侵物種數據庫系統是實現對外來入侵物種基礎數據、野外考察數據和入侵物種圖片影像等多媒體數據的管理和發布，為科研部門和公共用戶提供外來入侵物種信息交流和科普宣傳的信息化平臺；外來入侵物種地理分布信息系統是運用GIS技術強大的空間數據管理和分析能力，實現外來入侵物種野外考察數據的空間分布展示，為外來入侵物種監測和防控提供依據；外來入侵物種野外數據采集系統是在移動智能終端設備上開發的信息化野外調查工具，系統集成了數據采集、數據存儲和數據上傳等功能，提高了野外考察的工作效率；外來入侵物種安全性評價系統利用信息化技術手段構建基于網絡及用戶交互式安全性評價模型，安全性評價結果為制定入侵生物的管理措施提供決策支持服務；中國主要外來入侵昆蟲DNA條碼識別系統是基于Blast DNA比對模型框架開發的針對我國難以識別的外來入侵昆蟲種類的DNA條碼對比系統，為科研人員提供DNA條碼比對、條碼信息管理和共享的信息服務平臺；中國重大外來入侵昆蟲遠程監控系統由野外數據采集設備和監測數據管理系統組成，系統為入侵昆蟲遠程監控構筑的信息自動采集網絡。數據庫的功能體系如圖1所示。

圖1 中國外來入侵物種數據庫的功能框架Fig.1 Functions of the database of invasive alien species in China

2 數據庫的總體架構

數據庫項目總體架構由數據庫集群、數據訪問接口、業務化信息服務平臺、網絡環境和應用服務5個部分組成。總體架構如圖2所示。

圖2 中國外來入侵物種數據庫的總體架構Fig.2 The framework of the database of invasive alien species in China

3 系統實施技術路線

系統實施過程涉及外來入侵物種數據資源建設、外來入侵物種野外調查、外來入侵物種數據庫系統軟件建設、數據庫系統軟件應用等步驟。每個系統實施內容又包含了許多具體的研究和實施內容。每個實施步驟前后銜接，相互支撐，為系統研發的順利開展提供保障。具體實施路線如圖3所示。

4 硬件環境建設

為了保證系統運行的穩定性和安全性，專門采購獨立的服務器用于系統的部署。服務器采用DELLTMPowerEdge?R710機架安裝服務器，Intel（R）四核E5506 Xeon?CPU，2.13GHz，4M 高速緩存，QPI達4.86 GT／秒，4 GB （2×2 GB）1333 MHz雙 列UDIMM內存，用于1個處理器的配置，500 GB 7.2k RPM近線6 Gbps SAS 3.5英寸熱插拔硬盤。

5 系統的建設

5.1 數據資源建設

外來入侵物種數據資源建設是整個數據庫系統的核心，它為各個信息化軟件系統提供數據支撐。數據庫包括物種基本調查數據庫、物種相關信息數據庫、專家資料數據庫和科研成果數據庫等。中國外來入侵物種信息庫累計收錄了我國500多種外來物種基本信息、200多種外來入侵物種野外考察信息、40多種檢測監測技術、20多種生物防治技術和70多種風險評估信息。物種基本信息包括物種的名稱、分類地位、國內外分布、主要危害、突出案例、首次發現或引入的地點及時間、原產地、傳入途徑、擴散途徑、生境類型、鑒別特征、生物學特性、可能擴散的區域、預防、控制和管理措施，以及參考文獻等。外來入侵物種調查數據庫主要包括調查地點信息表、問卷調查表、物種排查表、植物普查表、植物樣方表、病害普查表、病害標地表、動物普查表、動物標地調查表、安全 性評估表、標本信息表、影像信息表和考察路線表［17］。

圖3 中國外來入侵物種數據庫系統實施技術路線Fig.3 The technical route of the database of invasive alien species in China

5.2 子系統的開發與功能

5.2.1 中國外來入侵物種數據庫系統

系統采用B／S構架，可避免客戶端PC設備存在的各種差異，讓數據應用子系統發揮最大的社會效益；采用ADO.NET技術訪問數據庫。該技術可以方便地連接數據庫，對用戶屏蔽了異構數據庫系統的差異，用戶不需要了解不同數據庫系統的差異就可以方便地取得需要的數據；連接數據庫后，將數據源中的數據導入DataSet對象，在DataSet對象中就可對數據表進行各種操作，而且DataSet對象本身也可遠程傳遞，不依賴與數據庫的獨立數據集合，斷開數據鏈路或者關閉數據庫依然可用。

系統可進行精確查詢和模糊查詢。查詢條件包括物種名稱（中文名稱／拉丁學名）、分類地位（門／綱／目／科／屬）、棲息地類型、入侵時間、國內分布。用戶輸入查詢條件后，系統以表單的形式返回查詢結果。該系統實現以外來入侵物種名稱為起點，查詢和顯示特定外來入侵物種相關的所有資料（文字／圖片／影像等），其中包括物種排查記錄、問卷調查記錄、普查記錄、標本信息、相關專家和文獻資料。系統中可自定義外來入侵物種顯示的方式（包括排序字段、排列方式、列表顯示方式等）。

5.2.2 中國外來入侵物種地理分布信息系統

系統以ArcGIS Server為開發平臺，將Web技術同GIS技術、數據庫技術和數據庫查詢技術有機地結合與集成。系統通過Web訪問GIS數據庫提供的基本圖層信息，然后通過數據庫查詢技術將WebGIS空間數據庫和外來入侵物種信息數據庫結合起來，經過分析處理，結合形成有外來入侵物種的分布信息的圖層數據并返回顯示。實現了基于空間框架的外來入侵物種信息查詢和顯示，同時保證了在不同的瀏覽器平臺上的良好兼容性。

地理分布信息系統由地圖操作模塊、地圖圖層控制模塊、入侵物種分布模塊、物種問卷排查模塊、物種普查模塊和歷史入侵物種模塊組成。系統能夠實現基礎地理數據顯示、地圖瀏覽操作、專題圖顯示、基于屬性數據和空間位置的查詢、專題地圖輸出（如入侵物種問卷排查、普查和歷史分布的查詢與顯示；省級行政區劃的入侵物種種類統計）。

5.2.3 外來入侵物種野外數據采集系統

野外數據采集系統針對傳統野外考察工作中存在的卡片填寫工作量較大且不容易定位，對采集數據完整性得不到及時有效控制，內業數據錄入工作量大，數據出錯的概率高等問題，利用PDA（Personal Digital Assistant）—個人數字助理具有體積小、耗電少、存儲容量大、操作簡單、攜帶方便等特點，開發的基于PDA的外來入侵物種野外數據采集工具。

系統采用C／S結構。PDA（或具有同等功能的智能手機）作為數據采集系統客戶端的支持平臺，集成了前端數據采集系統、SQLServerCE數據庫、GPS模塊、圖像采集模塊和無線通信模塊（GPRS／3G或WIFI等），實現外來入侵物種基礎數據采集、地理經緯度數據采集、圖像數據采集以及通過無線通信模塊將采集到的數據上傳至服務器。

系統分為外來入侵物種基礎數據采集模塊、地理信息數據采集模塊、圖像數據采集模塊、數據操作模塊和數據上傳模塊。將外來物種野外調查的3類（動物、植物和微生物）24張表格進行電子化，實現外來入侵物種野外調查數據采集、數據存儲和數據上傳等功能。提高了外來入侵物種野外數據采集的工作效率。

5.2.4 外來入侵物種安全性評價系統

在假設外來入侵生物的一般性入侵和危害的基礎上，針對外來生物入侵的復雜性和模糊性的特性，項目利用層次分析法（AHP）的基本原理和模糊綜合多指標法，結合網絡編程語言ASP和ACCESS數據庫，建立了基于網絡及用戶交互式的外來入侵生物安全性評價系統。

系統基于AHP的基本原理，設立安全性指數為總的目標層，以影響外來入侵生物安全性的一般性因素和過程－傳入、定殖、擴散和危害為原則層，在各個原則層下設立各種指標，構成指標層。評價時根據用戶（專家）的經驗判斷對所選指標賦0～1間的數值，同時提供等權、層次分析法賦權和手動賦權3種方法賦權，用戶可根據自身情況任意選擇，最后綜合各指標的得分求出物種安全性指數，并給出安全性評價報告。

本系統的指標采用模糊分析法，對每個指標設立0～1的模糊區間，0表示最安全或最有利于安全，1表示最危險或最不利于安全，并對每個指標設定了4個有利于判斷的模糊域，即0～25%、25%～50%、50%～75%和75%～1的說明。同時，系統建立了基于ACCESS的網絡指標數據庫，通過為指標設立階段、種類、范圍及重要程度等多種屬性，從而可以進行外來入侵生物的不同階段（傳入、定群、擴散及危害）、不同種類（植物、昆蟲和微生物）和不同尺度（全國和區域）的安全性評價。

5.2.5 中國主要外來入侵昆蟲DNA條形碼識別系統

系統采用B／S的三層架構模式，開發環境采用VS.NET的C＃語言，集成應用Blast DNA比對模型框架和Ajax技術，數據存儲采用SQL Server 2005數據庫。系統DNA條碼比對模塊采用Blast算法和數據處理模塊，系統建設的難點在于業務系統數據與Blast模塊的交互。基于技術架構的綜合考慮，系統采用基于 WCF技術的數據接口方案。系統以實蠅類、薊馬類、粉虱類和介殼蟲類等形態難以識別和鑒定的入侵昆蟲為研究對象，實現了這四類昆蟲COI條形碼比對、序列查詢、序列提交和用戶信息管理等功能。

條碼比對：在序列比對頁面輸入COI序列信息或者直接上傳FASTA格式的COI序列信息文件，然后系統自動將目標序列與數據庫中的序列進行BLAST比對。比對結果根據匹配率由高到低的順序逐一顯示，并可導出EXCEL文件和打印操作。

序列查詢：通過輸入物種名稱、序列來源、分類地位等信息進行精確或模糊查詢，可查詢出相應的序列列表信息，同時可以查看序列詳細信息和物種統計、條碼統計結果等功能。條碼列表列出序列的具體信息，包括物種中文名稱、拉丁學名、序列名稱、來源等內容。

序列提交：用戶需注冊并登錄，然后根據系統提示，填寫完整序列信息、樣本信息、標本信息后，才能提交本序列。經后臺審核通過，序列信息方可入庫。

我的序列：根據登錄系統的用戶列出屬于用戶的序列信息，并提供對序列信息的修改、刪除、導出等功能。

5.2.6 中國重大外來入侵昆蟲遠程監控系統

遠程監控系統由野外數據采集設備和信息管理軟件組成。數據采集設備集成了性誘集、無線通訊模塊、GPS模塊、紅外傳感器、攝像傳感器、環境溫濕度傳感器和太陽能電池等電子設備，能夠在無人值守情況下提供長期連續的外來入侵物種監測數據。信息管理軟件數據接口架構采用Web Service；開發環境采用VS.NET開發平臺；開發語言采用C＃；數據存儲采用SQL Server 2005數據庫。系統實現對野外監控設備狀態控制、監控設備與業務平臺之間的數據交互與管理、監控數據分析統計等功能，能夠對外來入侵物種進行實時監控。

5.2.6.1 野外無人監測設備

采用移動通信網作為遠程數據傳輸網，本地網可以采用WIFI組網；在田間自然環境下監測，設備管理配置GPS追蹤；太陽能板與設備主體集成；用昆蟲誘捕器作為主設備的底體；當昆蟲從誘捕器入口向下落，感應計數器的傳感探頭將自動計數，本地存貯時間、計數信息、照片信息，每日定期將數據集合上傳或直接發回服務器數據庫。為避免雨水直接接觸，溫、濕傳感器與主機箱安置在太陽能電池板下方。

5.2.6.2 監控信息模塊

通過監控對象、誘集方法、設立時間、設備狀態和地址查詢出所有的監測點。監測點的詳細頁面包括設備編號、經緯度以及監控對象、采集時間等。采集信息包括監測對象、設備編號、環境濕度、環境溫度、采集指令類型、采集時間等。信息統計模塊實現監控對象、指令類型、監控區域、監控點、統計時間對監控對象的捕獲和監控信息的統計報表。

6 存在的問題及展望

6.1 數據的獲取與準確性

數據是數據庫系統的基石，建立入侵物種數據庫需要大量的入侵物種基礎數據。隨著生物入侵研究的快速發展，以及受到研究資金和研究者參加項目的影響，廣泛而全面地收集生物入侵相關數據變得越來越困難。統計數據分析表明，一個期刊一年就可以貢獻大量的生物多樣性數據。采用聯合數據保存政策對于數據庫和期刊是雙贏的策略，并將是一個在數據數量和質量上可持續的方法［18］。生物入侵物種數據信息系統，也應尋求與生物入侵研究相關期刊的合作和協調，并在生物入侵領域促進科學數據的共享，尤其要積極促進從事生物入侵研究的人員愿意向公共的數據庫系統提供免費數據并獲得一定的利益［19－20］。同時，盡可能降低數據庫中原始數據的錯誤，如物種的有爭議分類信息、新確定的發生區域［21］。

6.2 數據的標準統一

隨著外來入侵物種信息系統數量的不斷增加，研究者們應該著手考慮建立統一的數據庫結構的標準，或者獲得相關數據的標準［22］。尤其是物種的名稱和分類地位信息，便于在不同的數據庫中尋求實際的可比性。Ricciardi等［23］曾指出一個標準的入侵物種數據庫應該具備如下關鍵信息，包括物種的分類地位、物種名稱、同物異名、相關的形態或遺傳變異信息、鑒別特征（包括照片和詳細的描述）、地理分布和生境類型（包括地圖）、基礎生物學信息（生活史、營養條件、繁殖特征、豐富度（或者發生面積和繁殖力）、環境特性和最佳生長條件、生物學相關（病原菌、寄生物和共生物）、傳播和擴散途徑、生態和經濟影響（包括對入侵地種群、群落和生態系統的影響、經濟影響和控制費用）、預防、控制和管理措施、專家信息、參考文獻（含有電子鏈接）。中國外來入侵物種數據庫系統在數據庫結構設計中已充分考慮上述信息，但是部分物種的詳細信息需要進一步補充。

6.3 數據庫系統的維護與更新

隨著計算機技術、地理信息技術和網絡技術的不斷發展，應適時更新現有數據庫的系統，并根據研究的需要開發新的子系統；同時，為了便于讓國外同行了解中國外來入侵物種概況，下一步應該在現有的數據信息系統基礎上，盡早開發簡化的英文版平臺。

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