貴州省河谷型村鎮建設中外來植物的入侵風險評估

王 楠, 呂錫斌, 李 輝， 楊 帆， 馬偉波， 王和玉， 趙立君， 田美榮， 李海東， 王 莉*

1.生態環境部南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042

2.貴州茅臺酒股份有限公司, 貴州 仁懷 564501

村鎮建設和國土空間生態修復的外來植物配置，對區域生態安全和人居環境健康至關重要. 外來入侵植物會在生態系統中占據優勢地位，進而影響整個生態系統的運行過程[1]. 長江支流赤水河流域中上游是長江流域生態屏障的組成部分[2]. 2000年以來，赤水河流域生態保護和河谷兩岸林草生態工程建設在強調鄉土物種的同時，城鎮園林綠化也引進了大量外來植物. 2018年，貴州省林業局發布貴州省林業有害植物的發生情況，發現林業入侵有害植物主要為紫莖澤蘭和飛機草，發生面積可達13.9×104畝[3]，威脅著區域的生態平衡和生物安全.

目前，關于外來植物的研究主要集中在物種組成、入侵途徑、植物區系和生物入侵的危害與管理等方面[4-6]，關于外來植物分布的影響因子和入侵植物的危害性評估研究較少. 在村鎮綠色生態建設過程中，如果忽視了鄉土植物的生態價值，不恰當地引進外來植物，不僅會造成生物入侵和環境危害、壓縮鄉土物種的分布空間，而且會導致生物多樣性[7]和主導生態功能喪失[8-9]，對人居環境健康產生不利影響. 因此，摸清赤水河流域村鎮建設中外來植物的物種組成、影響因子及入侵風險等級，對村鎮生態風險防控和人居環境健康具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州省某河谷型村鎮(106°22′E、27°51′N)地處赤水河中上游河流谷地，屬水源涵養重要生態功能區. 面積為225.1 km2，轄6個社區、22個行政村. 海拔范圍400～800 m，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫17.7 ℃，夏季長達半年之久，冬季無霜期長，溫差小，無霜期359 d，年均降雨量926.1 mm. 土壤類型復雜多樣，主要有黃壤、紫色土等. 耕作土則以各種旱作土、潮土和水稻土為主. 地帶性植被為暖性針葉林和常綠落葉闊葉林.

1.2 樣地布設與調查

2019年7月，結合《中國植被類型圖》(1∶100萬)，在對該河谷型村鎮植被分布進行全面踏查的基礎上，通過遙感和地理信息系統(GIS)的空間分析功能，篩選不同植被類型的調查樣地，采取樣方與線路相結合的方法，進行外來植物樣地調查.

針對不同海拔梯度(300～500、500～700、700～900 m)，在該河谷型村鎮建成區和非建成區選擇了41個樣點(記為P1～P41)和8條線路(記為L1～L8)(見圖1)，建成區的海拔為389～672 m，非建成區海拔為384～810 m. 其中線路均分布在建成區，長度為300～500 m. 根據地形、生境類型等實際情況布設樣方：大范圍樣地選擇布設100 m×100 m的樣方，將其劃分為20 m×20 m的相鄰格子進行喬木調查，并在格子內劃分為10 m×10 m、1 m×1 m的小樣方進行灌木和草本調查；小范圍樣地則選擇布設20 m×20 m的樣方進行喬木調查，并劃分為10 m×10 m、1 m×1 m的小樣方進行灌木和草本調查[10].

圖1 研究區及野外調查樣點和線路分布

每個樣方和線路的記錄數據包括：經緯度、海拔、坡向、坡度、植物名稱、株數、多度和蓋度，重點調查建成區和非建成區高等植物的種類和地理分布.

1.3 分析方法

1.3.1入侵強度分析

根據《中國外來入侵植物名錄》[11]中的外來入侵植物等級，計算各樣點外來植物的入侵強度.

(1)

式中，II為樣點入侵強度，GR為入侵等級.

1.3.2分布特征分析

選取外來植物種數、入侵強度、鄉土植物種數、鄉土優勢植物種數、海拔、坡度和坡向7個因子，利用SPSS 20.0軟件進行相關性分析. 運用軟件R 3.6.0的增強回歸樹(boosted regression tree, BRT)模型分析不同影響因子對外來植物種數的影響程度. 生態建模參數設置：樹復雜性(tree complexity)設為5，學習速率(learning rate)為0.001，袋分數(bag fraction)為0.7.

1.3.3入侵風險等級分析

參考國內關于外來物種入侵風險評估方面的評估方法與真實案例[12-14]，采用層次分析法(analysis hierarchy process，AHP)構建外來植物的入侵風險評估指標體系(見表1). 利用專家咨詢法，確定5個一級指標(總目標指標層)、13個二級指標(分目標指標層)、39個三級指標(操作性指標層)，根據文獻資料和實際調查結果，主要從外來物種的環境適應性、入侵史、生物學特性及危害性等進行綜合評估.

表1 外來植物的入侵風險評估指標體系

運用AHP計算指標權重，通過專家咨詢法確定判斷矩陣，并進行一致性檢驗，用特征向量法計算權重向量，確定外來植物入侵風險評估指標體系中的權重系數，按權重對各級指標賦予不同分值. 該評估體系總分為100分，上層指標得分為下一層指標所得分數的總和. 根據外來植物的基本特征和危害程度等實際情況，確定每個外來植物在操作性指標層的得分.

根據入侵現狀，結合綜合評估所得分值(R)來劃定風險等級：若R≥39，風險等級為高級，應高度重視，加強對外來入侵植物的管控；若32≤R<39，風險等級為中級，風險在可控范圍內，但需采取相應的防范措施；若R<32，風險等級為低級，風險較低，可暫時不予處理.

2 結果與分析

2.1 外來植物組成

實地調查和統計分析顯示，該典型村鎮植物豐富，共發現植物276種，隸屬于99科230屬. 由表2可見，外來植物共計37種，隸屬于18科32屬，占調查獲取植物總數的13.41%. 外來入侵等級為1級的有11種(編號為S1～S11)，占外來植物總數的29.73%. 外來植物中菊科種類(13種)最多且分布廣泛，主要集中在建成區，占外來植物總數的35.14%. 外來植物中有22種來源于美洲，物種編號為S1～S4、S6～S11、S16～S19和S24～S32. 外來植物中草本植物種數最多，占64.86%，其中有害植物17種，占49.95%. 外來植物中灌木和藤本植物較少，無喬木. 有害植物為落葵薯(S3)、蓖麻(S13)、喀西茄(S15)、馬纓丹(S9)等.

表2 外來植物的基本情況

2.2 外來植物的分布特征

如表3所示，外來植物種數與入侵強度呈極顯著正相關(P<0.01)，隨著樣點外來植物種數的增加，入侵強度也隨之增大. 外來植物種數與海拔、鄉土植物種數均呈極顯著負相關(P<0.01)，即隨著海拔的升高，外來植物種數逐漸減少，鄉土植物種數逐漸增加. 鄉土優勢植物種數與入侵強度呈顯著相關(P<0.05). 外來植物種數與坡度、坡向之間的相關性不顯著. 植物種數的變化與海拔密切相關.

表3 外來植物種數與影響因子的相關性分析

如圖2、3所示，對外來植物種數影響最大的是海拔，其貢獻率為68.7%：其次是入侵強度和鄉土植物種數，二者產生的貢獻率分別為12.4%和9.6%；坡向和坡度對入侵植物種數的影響相差不大，貢獻率分別為5.3%、3.0%；影響程度最小的是鄉土優勢植物種數，貢獻率僅為0.9%. 海拔在400～500 m范圍內時與外來植物種數呈負相關，入侵強度在5～15范圍內時與外來植物種數呈顯著正相關，鄉土植物種數為10～22種時，隨著鄉土植物種數的不斷增加，外來植物種數逐漸減小.

注： 括號內為各影響因子的貢獻率，縱軸表示經過中心化處理后的應變量，數值無具體含義，僅表示隨影響因子變化的趨勢.

圖3 外來植物種數的影響因子貢獻率

由圖4可見，外來植物可為3類： ①A類，分布跨度大，在海拔400～810 m內均有分布，包括4種植物，分別為土人參(S29)、垂序商陸(S28)、紅花酢漿草(S26)、苦苣菜(S24)和三葉鬼針草(S2)；②B類，分布范圍較小，僅在400～425 m的低海拔段有分布，為蓖麻(S13)和反枝莧(S1); ③C類，分布在400～650 m海拔段，大部分植物均包含于C類，主要為藿香薊(S10)、野胡蘿卜(S14)和北美車前(S20)等. 外來植物在海拔550 m左右分布數量較多.

注： 物種編號對應的外來植物名稱見表2.

2.3 外來植物的入侵風險等級

由表4可見，在37種外來植物中，入侵風險等級為高級的有13種，占35.10%；入侵風險等級為中級的有14種，占35.14%；入侵風險為低級的植物有10種，占27.03%. 外來入侵風險最高的是小蓬草(S7)，其次是反枝莧(S1)、三葉鬼針草(S2)和土荊芥(S4)等.

表4 37種外來植物入侵風險等級評估

續表4

13種入侵風險等級為高級的外來植物中，有11種分布在建成區，9種分布在非建成區. 其中，在建成區和非建成區均有分布的外來植物有8種，分別為垂序商陸(S28)、藿香薊(S10)、三葉鬼針草(S2)、土荊芥(S4)、喜旱蓮子草(S5)、野胡蘿卜(S14)、小蓬草(S7)和一年蓬(S6).

3 討論

生物入侵可對生物多樣性保護和人居環境健康造成嚴重影響[15-16]，是村鎮綠色生態建設需要高度重視的問題之一[17]. 該河谷型村鎮64.7%的外來植物起源于美洲，可能是因為當地的亞熱帶季風氣候，與美洲氣候特征相似[18-19]；外來植物中，35.1%為菊科，菊科是我國入侵植物種類最多的類群之一，陳新微等[20]研究發現，三葉鬼針草、紫莖澤蘭等菊科入侵植物有著更高的光合特性指標和能量利用指標，使得外來植物在入侵過程中能更有效地捕獲和利用自然資源，因此具有適宜傳播和擴散的生物學特征[21].

該河谷型村鎮建成區主要在海拔較低的赤水河谷地，呈現沿河谷上下游和左右岸延伸的空間格局. 外來植物種數呈隨海拔升高而減少的趨勢，這與王蘇銘等[10]的研究結果一致，在海拔較低的建成區，土地利用類型的劇烈變化會導致生境破碎化，從而使得一些外來植物會通過邊緣向內部入侵[22]. 研究表明，該河谷型村鎮外來植物主要分布在海拔400～650 m之間，這是由于建成區的園林綠化和生態景觀建設使得該海拔段的生境破碎化程度較高，同時伴隨不恰當地引種，造成了外來植物的入侵. 目前該小鎮雖僅發現貴州省林業局發布的有害植物中的紫莖澤蘭[23]，但紫莖澤蘭生長迅速、適應性強，化感作用強烈，對農業生產、土壤養分[24]都可能帶來影響和破壞，且在該小鎮的入侵風險等級已經為高級. 外來植物多樣性與本土植物之間的關系可能與研究尺度有關[25]，在群落尺度上，鄉土植物會對外來植物有“抵抗能力”，所以外來植物與鄉土植物呈負相關. 相關研究表明，外來植物的分布與人類干擾強度有關，旅游開發、貿易往來和生態修復均可能加劇生態風險[26-27]，進而從生態位上對鄉土植物和區域生態安全造成危害[28]. 因此，在“產業興旺、生態宜居”鄉村振興戰略實施中，村鎮建設規劃和國土空間生態修復要合理開發利用鄉土植物資源，應加大對鄉土植物的研究和繁育[29-30]，降低城市園林綠化帶來的外來植物入侵風險.

外來植物的入侵風險評估是生物入侵防控政策制定的基礎和前提[31]. 該河谷型村鎮37種外來植物中有35.1%的外來植物入侵風險等級為高級，這類植物生境適宜性較強，部分外來植物(如反枝莧、三葉鬼針草等)能夠同時適應干、濕兩種生境，具有較強的定居能力，這和任穎等[32]的研究結果相似. 該小鎮入侵風險等級為高級的13種外來植物中，在建成區發現11種，非建成區發現9種，在建成區和非建成區之間的差別不大，可能是由于人類活動和植物本身的易傳播性已造成外來植物的充分擴散[33]. 吳曉雯等[34-35]認為，人類活動強度是決定外來入侵植物種數的關鍵，隨著赤水河流域旅游資源的開發和釀酒業的不斷發展，人類活動強度將不斷增加，著眼于區域生態安全和高質量發展的需求，建議做好以下工作：①嚴格控制已有外來植物的生態風險[36]. 生長在城鎮非建成區的外來植物，根據外來植物的入侵等級和分布情況進行有效防疫. 可采用鄉土植物的生物防治方法，播種早萌植物，提前造成郁閉條件，從而抑制外來植物的萌發[37]. 對于大面積暴發、入侵風險等級為高級的外來植物，采用機械或化學的方法，加強生態環境治理，及時進行風險管理與利用. ②積極開發和培育鄉土植物，在村鎮發展規劃和退化生態系統修復過程中，積極引導鄉土植物和地帶性植物的篩選，加強外來植物檢疫工作，控制外來植物的生態風險，開發與主導產業相一致的村建綠色生態建設模式.

4 結論

a) 該河谷型村鎮共發現外來植物37種，隸屬于18科32屬，有24種來源于美洲. 外來植物中以菊科植物種數最多，有13種，其中草本植物種數最多，占64.86%.

b) 外來植物種數與海拔、鄉土植物種數均呈極顯著負相關，與入侵強度呈極顯著正相關. 對外來植物種數影響最大的是海拔，其貢獻率為68.7%，其次是入侵強度和鄉土植物種數，二者貢獻率分別為12.4%和9.6%. 由于海拔較低的位置主要為建成區，人類活動和物種擴散強度較大，大部分外來植物分布在400～650 m的低海拔段.

c) 對該河谷型村鎮外來植物的入侵風險評估發現，外來植物入侵風險等級為高級的植物種類為13種，占35.1%，有11種分布在建成區、9種分布在非建成區. 外來入侵風險值最高的為小蓬草(S7)，其他依次為反枝莧(S1)、三葉鬼針草(S2)和土荊芥(S4)等.

d) 園林綠化、生態景觀建設和旅游開發等不恰當地引進外來物種行為會造成生物入侵，村鎮建設規劃和國土空間生態修復應高度重視外來植物的引進，合理開發利用鄉土植物資源，減少外來植物的入侵風險和生態危害.