外來入侵動物在中國的分布格局及增長預測

陳鳳新，蒙彥良，陳名清，張風娟

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

外來入侵物種對生物多樣性和生態安全造成了嚴重的威脅[1]，目前已成為全球性環境變化問題之一[2].為了有效控制外來物種的入侵，了解并明確影響外來物種擴散的途徑非常必要[3].基于對區域或全球數據庫的分析，許多研究認為經濟和貿易在形成全球外來物種豐富度模式方面起著重要作用[3-7]，通常經濟越發達的國家，其外來入侵生物數量越多、防治力度越大[8].國際貿易在外來入侵物種擴散中扮演著重要的角色，貿易促進了生物入侵的傳播和擴散[7-10].自1800年以來北美洲、歐洲入侵物種數量隨著貿易的增加總體上呈逐漸增加的趨勢[9-12]，日益增長的貿易網絡和對商品的需求使得路徑風險評估成為預防生物入侵的第一線.入侵模式在很大程度上受全球貿易網絡控制，這些網絡將非本地物種的來源地連接起來，并通過多個貿易網絡加速這些物種的擴散.Chapman[13]與Cardador等[14]利用貿易數據和生態模型對一種全球入侵物種的非本地歐洲種群的起源和分布進行了預測，認為貿易數據與繁殖體的起源和壓力密切相關，可以用貿易數據代替繁殖體起源來預測貿易介導的外來入侵物種的分布和數量.中國已經成為世界上主要經濟貿易大國之一.然而，中國這方面的研究尚屬空白.

自改革開放以來，隨著中國經濟的快速發展，外來生物入侵也給社會經濟和生態安全帶來巨大風險與挑戰.根據統計，因外來生物入侵中國經濟每年造成的損失高達2 000億元[15].人為干擾是造成外來生物入侵的主要影響因素[16]，劉春興[17]研究認為導致長期以來相互隔絕的物種在世界范圍內人為地再分布是因貿易與人員往來的全球化所導致.改革開放后，外來入侵動物開始大量傳入，如20世紀70年代末傳入中國的美國白蛾(HyphantriacuneaDrury)與松突圓蚧(HemiberlesiapitysophilaTakagi)，80年代至90年代傳入中國的福壽螺(Pomaceacanaliculata)、松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)、美洲斑潛蠅(Liriomyzasativae)和馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsadecemlineata).進入21世紀之后，外來有害動物的入侵繼續呈快速增加的態勢，其中有11個無意引入的種被列入了中國外來入侵物種名單.由此可見，貿易活動為外來物種入侵中國提供了便捷的途徑.此前對中國外來入侵動物多側重其來源、入侵途徑、空間分布、入侵機制及防治等研究[18-20]，鮮有從經濟角度去分析中國外來入侵動物數量分布與進出口貿易之間關系的相關研究.因此，本研究利用中國27省(區)外來入侵動物分布數據，對外來入侵動物數量與進出口總額之間進行相關性分析，進而對外來入侵動物的增長趨勢進行模型預測，以期為中國外來入侵動物的風險預警與管理防治工作提供一定的參考.

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

基于文獻資料統計[18-22]及必要的分類學考證，按照2002、2006、2009、2014和2018年這5個時間節點對入侵動物名錄及空間分布信息進行數據歸類整理，得到各省(區)外來入侵動物種類數量.經進一步的篩選整理與分析，分別建立了不同時間節點各省(區)的外來入侵動物數據庫.收集整理的各省(區)貿易進出口總額數據主要來源于國家統計局(www.stats.gov.cn)和中國經濟與社會發展統計數據庫(tongji.cnki.net).參照蒙彥良等[23]的統計方法統計各時間節點的入侵動物數量和進出口總額.此外，該研究中不包括北京、重慶、天津和上海4個直轄市及中國香港、澳門和臺灣地區，因此本研究以河北、山東等27個省(區)為研究對象，研究各省(區)外來入侵動物分布數量與進出口總額之間的關系.

1.2 研究方法

1.2.1 貿易量與入侵動物種類數量的相關性分析

基于SPSS 22.0軟件對各省(區)至各時間節點的進出口總額累積量與外來入侵動物數量進行Pearson相關性分析.依據相關系數來確定二者的相關性.相關系數0.8～1.0為高度相關，0.5～0.8為中度相關，0.3～0.5為低度相關，小于0.3視為不存在相關性[24].P<0.05為顯著相關，P<0.01為極顯著相關.

1.2.2 外來入侵動物數量預測最優模型篩選——曲線估計

使用SPSS軟件進行曲線估計，其中各時間節點進出口總額累積量作為自變量x，外來入侵動物數量作為因變量y，從11種模型(表1)中選出擬合度最佳的模型作為預測模型.

表1 曲線估計模型

β0、β1、β2、β3均為未知參量.

1.2.3 對未來各省(區)外來入侵動物數量增加的預測

1.2.3.1 各省(區)進出口總額的預測 為了便于數據分析，將進出口總額進行了對數化處理(式1)，將對數化后的2002-2018年的進出口總額數據使用S型模型[25]經迭代計算得到最優參數，建立模型(式2)，最后還原對數化，得到所預測進出口總額(式3).

Yt=lnXt(t=1，2，…，15)，

(1)

(2)

Xt=exp(Yt),

(3)

式中,Xt為t年的進出口總額；Yt為對數化處理后的進出口總額；β0、β1、β2均為未知參量；εt為隨機誤差項.

1.2.3.2 各省(區)外來入侵動物數量的預測 將截至2021年進出口總額的累積值代入曲線估計的最優模型，得到2019、2020和2021年的入侵動物的數量.

2 結果與分析

2.1 入侵動物種類數量統計結果

2002、2006、2009、2014和2018年中國入侵動物種類分別為37、71、121、217和260種，即隨著時間的推移入侵種類的數量呈增加的趨勢，每2個時間節點間的增幅分別為34、50、96和43種.各省(區)外來入侵動物增長趨勢與中國入侵動物的數量增加趨勢相似(圖1).以2009—2014年的增長幅度最為顯著，2009—2014年華南地區平均增長31種入侵動物，種類多為谷蠹(Rhizoperthadominica)、小圓皮蠹(Anthrenusverbasci)等糧食有害性昆蟲；華北地區入侵動物種類平均增長25種，主要是桃小食心蟲(Carposinanipponensis)、杏小食心蟲(Cydiaprunivora)等果樹危害性昆蟲；東北地區入侵動物種類平均增長29種，主要為林業檢疫性害蟲，如青楊脊虎天牛(Xylotrechusrusticus)、楊干象(Cryptorhynchuslapathi)、舞毒蛾(Lymantriadispar)等；西北地區貿易不便，入侵形勢不重，平均增加入侵動物種類18種，多為小麥孢囊線蟲(Heteroderaavenae)、康氏粉蚧(Pseudococcuscomstocki)、蘋果小吉丁蟲(Agrilusmali)等農業有害生物.

圖1 各省(區)入侵動物種類數量統計Fig.1 Statistics on the number of invasive animal species in each province

由圖1也可以看出，外來入侵動物的分布呈現東部和南部省(區)高，而西部和北部省(區)低的空間格局，即沿海地區外來入侵動物最嚴重，華北和東北地區次之，而交通不便、經濟不發達的西北地區最少.相比于其他邊疆地區，新疆、云南這兩地外來入侵動物種類數量較多.

2.2 入侵途徑分布結果

圖2顯示的是2018年入侵動物(260種)的不同入侵途徑所占的比例，其中61%的動物是跟隨貿易無意侵入中國，如芒果果肉象(Sternochetusfrigidus)、芒果果實象(Sternochetusolivieri)、銀葉粉虱(Bemisiaargenti)等；35%的動物是經由貿易有意引入，如紅耳彩龜(Trachemysscriptaelegans)、食蚊魚(Gambusiaaffinis)、白鯽(Carassiuscuvieri)等.即260種外來入侵物種中96%是由貿易引入的，僅有少數動物如銀合歡異木虱(Heteropsyllacubona)、歐鲇(Silurusglanis)和北美水貂(Neovisonvison)是以自然擴散方式進入中國.

圖2 中國外來入侵動物的入侵途徑Fig.2 Invasion pathways of invasive animals in China

2.3 各省(區)入侵動物與進出口總額累積量相關性分析結果

從表2可知，27個省(區)皮爾森相關系數為0.908～0.990，各省(區)進出口額累積量與外來入侵動物數量之間的相關性均達到顯著或極顯著水平.

表2 入侵動物種類與貿易量的相關性檢驗

2.4 最優模型篩選結果

由表3和表4可知，曲線估計結果得到對數模型擬合效果最佳.對數模型中各省(區)擬合度R2均在0.915以上，表明對數模型曲線能夠很好地反映進出口額累積量與外來入侵動物數量之間的關系.

Y=alnX+b，

(4)

式中,X為進出口額累積量;Y為外來入侵動物數量;a、b為未知參數.

表3 最優模型篩選

二次、三次曲線模型雖然對數據有較高的擬合度，但與實際發展規律不符，故排除.

表4 對數模型擬合結果

2.5 未來各省(區)外來入侵動物數量的增長預測

2.5.1 進出口總額預測結果

將各省(區)所對應的參數值帶入公式(2)中對2019—2021年的進出口額進行預測，再經公式(3)最終得到進出口額的預測結果(表5).

表5 各省(區)進出口總額的擬合方程系數

2.5.2 入侵動物種類數量預測結果

圖3為對數模型預測的截至2021年中國外來入侵動物的各省(區)分布.其中，西藏、青海、寧夏、山西和黑龍江5省(區)的外來入侵動物分布數量均小于等于50種；新疆、內蒙古、吉林、甘肅、陜西和河南6省(區)分布數量為50～70種；河北、四川、貴州、湖南、江西和安徽6省分布數量為70～90種；遼寧、江蘇、湖北和浙江4省分布數量為90～110種；山東、福建、云南、廣東和廣西5省(區)分布數量大于110種.從經濟角度來看，外來入侵動物分布與各省(區)經濟發展水平密切相關，經濟發展水平高的省(區)外來入侵動物分布多，經濟發展水平相對落后的省(區)分布少.總體來看，外來入侵動物空間分布呈現出自東向西、自南向北依次減少的趨勢.

圖3 至2021年入侵動物種類數量預測Fig.3 Prediction of the number of invasive animal species to 2021

將外來入侵動物的預測結果進行了簡單分級(圖4).其中，預測增量大于15種的地區劃分為1級入侵，預測增量介于10～15種的地區劃分為2級入侵，預測增量介于5～10種的地區劃分為3級入侵，預測增量小于5種的地區歸為4級入侵.研究結果表明1級入侵主要分布于遼寧、陜西、湖北、湖南、貴州、云南、廣西和海南8省(區)，2級入侵主要分布于河北、山東、河南、安徽、江西、福建和廣東7省，3級入侵主要分布于江蘇、浙江、吉林、四川、青海、寧夏和內蒙古7省(區)，4級入侵主要分布于黑龍江、山西、甘肅、西藏和新疆5省(區)(圖3).

圖4 各省(區)入侵動物種類數量增量分析Fig.4 Increment of invasive animal species in each province(region)

3 討論

外來入侵動物的分布格局與各地的經濟發展程度密切相關.2018年福建、廣東、廣西、山東和云南等6省(區)的入侵動物種類在100種以上，而西藏、青海等省(區)的入侵動物種類不超過30種,其中廣東、福建、山東、廣西沿海4省(區)與外國貿易往來頻繁、經濟發達，而且氣候溫暖濕潤，適合物種定居；云南西與緬甸、南與老撾和越南毗鄰，頻繁的貿易加速了外來入侵動物的擴散和傳播.而西藏、青海處于內陸，交通不便，不利于外來種的傳播，同時惡劣環境也不利于物種生存.總體而言，經濟發達、人員流動大的省(區)入侵動物種類遠大于與外界聯系不便且處于內陸的省(區).

經濟全球化使得國際、國內貿易往來越來越頻繁，外來動物成功入侵的概率也大大增加.在中國隨著時間的變化，貿易量增加的同時外來入侵動物種類也在增加，其中2009—2014年外來入侵動物的增長幅度最為顯著，山東、遼寧、浙江、廣東的外來動物增長幅度均超過40種.新增的物種有高雅海神蛤(Panopeaabtupta)、小圓皮蠹(Anthrenusverbasci)、煙草甲(Lasiodermaserricorne)、赤足郭公蟲(Necrobiarufipes)、谷蠹(Rhizoperthadominica)等.以各省(區)2014年共同新增的物種——谷蠹(Rhizoperthadominica)為例，谷蠹起源于熱帶，喜高溫高濕環境，可在倉內和倉外環境中發生.由于糧食具有很高的流通性，蟲害糧食隨之被調運，谷蠹自南向北擴散，目前谷蠹已入侵省份有遼寧、山西、山東、河南、湖北、湖南、浙江、福建、廣東、云南、海南等.小楹白蟻 (Incisitermesminor)源自美國西南部和墨西哥北部，是一種重要的入侵生物，對胡桃木、柑橘、薔薇、桉樹、柳樹、楊樹等經濟林木產生極大危害.小楹白蟻最早是由居民從國外攜帶木箱，經中國香港傳入內地后逐步擴散.與之類似，橘小實蠅(Bactroceradorsalis)起源于中國臺灣地區和日本琉球群島，成功入侵中國大陸后，擴散到南方各省(市)[26]，呈現從南向北、從沿海向內地擴張的特征[27].

在不同的時間或空間尺度上繁殖壓力是影響外來入侵動物分布的重要因素[28-31]，但是繁殖體的數量是很難準確獲得的，甚至是不可能估計的.研究發現貿易網絡可以大尺度上影響外來入侵生物的分布[17]，世界各國間的貿易量與入侵生物數量密切相關[32-34].Gallardo[35-36]研究了刻意引種鳥類的繁殖體的數量和國際貿易的關系，發現較人口密度或人類影響指數等指標而言，用貿易量代替繁殖體數量來預測外來入侵動物的分布更具有說服力.此外，不同國家、不同地區外來入侵物種的種類、數量及入侵途徑存在差異，所以，各國、各地區應尋找合適的模型來預測貿易量與外來入侵物種數量間的關系.本研究表明對數模型能夠很好地擬合進出口額累積量與外來入侵動物數量之間的相關性.中國外來動物入侵的重災區仍為南方及沿海地區，其外來入侵動物預測總量仍是最多的區域.與2018年相比，2021年各省(區)入侵動物種類數目將均有所增加，入侵動物種類數目超過100種的省(區)除上文提到的6個省(區)以外，新增了沿海省份遼寧和海南.此外，對比2018年的入侵動物種類數量，廣西在未來4年中入侵動物種類數量增幅最大，其次是貴州、湖北、湖南、云南等省份.該結果表明中國中部省(區)在未來將面臨極大的外來動物入侵風險與挑戰，入侵區域由南方及沿海地區向中部地區蔓延，入侵面積及頻率都進一步增大，中部地區將成為新的入侵熱點.特別是在“一帶一路”等國家重大戰略實施過程中，中國與世界各地的貿易往來愈發密集，極大地助力中國經濟發展的同時，中國內陸受經濟發展水平與自然條件制約的地區在未來遭受的外來動物入侵壓力將持續升高.綜上可知，貿易活動是影響外來動物入侵和擴散的重要因素，所以應該加強國際貿易過程中的檢驗檢疫力度與引種監管，建立健全外來生物入侵風險評估預警體系，并需全面監測追蹤已入侵物種，建立其快速的防控體系，從而保護中國生態環境安全.