| 标题 | 中国主要外来植物入侵趋势分析 |
| 范文 | 姜景鹤 摘要：生物入侵是主要由人类活动引起的的物种长距离扩散并对生态系统造成一定影响的过程。许多外来生物入侵改变了入侵地的群落结构和生态系统功能，造成入侵地生物多样性的丧失以及巨大的经济损失。此研究旨在通过还原中国主要外来植物的入侵历史，探究这些物种在中国的入侵规律和扩散趋势，为预防控制外来物种入侵提供借鉴。此研究依由大到小的尺度完成三个部分：①调查了我国主要外来植物的入侵地点；②筛选出路径较为明确的百种植物并分析出其入侵趋势；③针对几种主要的入侵路线分析其形成原理。结果显示，我国外来植物的主要入侵地点分布在东南沿海，西南国界与辽东半岛地区次之。同时，在外来植物入侵和扩散的过程中，人类活动的影响极为重要，甚至突破一些自然条件的限制。因此，在防控外来生物入侵时，应将首先考虑人为因素。 Abstract： Biological invasion is an ecological process mainly brought about by citizens activities. Invasive alien species have already given birth to series of serious destruction worldwide.At the same time， the transformation in ecosystems which has led directly to some species' extinctions will probably result in a reduction of biodiversity， threatening the global biodiversity and creating significant economic losses. This research is conducted from macro to micro scale： ①Complementing the statistic of the main alien species in China and their landing sites； ②Screening out the invasive trends of hundreds of alien plants with specific pathways； ③Analyzing the causes of several precise pervading routes.It is apparent to see in the results that the main invasive area in China is the southeast coast， followed by the southwest border and Liaodong peninsula. At the same time， in the procedures of pervading， human migration is the crucial part of dynamics，which even overweights natural factors. So it is the most important to control human determinants when preventing biological invasion. 关键词：外来植物；生态入侵；入侵趋势；扩散动力 Key words： alien plant；ecologic invasion；invasive trend；pervasive dynamics 中图分类号：Q16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0289-05 1 概述 1.1 生物入侵的概念 生物入侵即是非本地物种在新区域的进入，建立和扩散的过程。在新的地区，该物种可以繁殖、扩散并继续维持物种的生存[1]。与之相关的一个重要概念为外来入侵物种，其被定义为：在远远超出其本地范围的地区建立并达到广泛分布的非本土物种，即经历了侵入性扩散的空间传播过程的非本土物种[2]。生物的繁衍与扩散属性使得这一问题比其他方面的污染问题更具威胁性[3]。 1.2 入侵趋势的理解 入侵趋势，即外来物种入侵的方向性和入侵速率的表现规律。我们研究中国外来植物的入侵趋势，主要着手方向为以下几点。 第一，首次登陆地点。想要知道物种入侵的方向，必须要弄明白其入侵过程的初始位置，即物种的登陆地点。 第二，入侵路径的历史还原。随着时间的推移，各入侵植物在空间上发生的变化即是其入侵的过程，所以我们捕捉这些植物的标本在中国各个地区首次出现的时间和位置，就可以大概描绘出这些物种在中国的入侵过程，还原其入侵歷史。 对这些外来物种在时间上空间上的入侵趋势进行系统的了解和评估，将有助于未入侵区域预防措施以及已入侵区域控制措施的制定，以预防和减轻外来物种入侵所造成的危害[4]。同时，由于中国生态环境的复杂性和多样性，通过分析不同地理人文条件下这些入侵植物分布区域变化的特征，可以揭示出更多入侵物种在中国的扩散规律，从而进一步提高在外来物种入侵方面的研究水平。此外，对于这些外来物种的入侵趋势分析将为入侵物种的适应性演化和入侵物种的进一步预防控制等其他方面的研究提供基础资料[5]。 2 研究方法与过程 此研究共分为三个部分，分别为数据收集与处理，数据统计与分析，结果分析与讨论。在这一章，我还会附加在此研究中使用到的主要地理信息软件ACRGIS的基本描述。 2.1 数据收集与处理 在研究的初期，我们通过查阅前人的文献和之前的统计结果，汇总出共502种中国主要外来植物。之后通过收集这些物种在中国植物标本信息库中记录的条例，确定其在中国的出现时间和地点。在这个收集过程中，我们一共汇总了502种植物共计139854条标本记录。 经过两个月的收集与筛选工作，我们得到了最终的数据库。在其中，我们只选取了97种具有较多标本条目且各项信息全面外来植物物种，这些物种都可以描绘出一条比较准确的入侵路径。在后面，我们对其进行下一步的统计和分析。 2.2 数据统计与分析 在统计了97种入侵植物的登陆地点之后，我们将这些物种的主要分布区域按照以上的六个区域划分进行了整理，分别统计出分布在各大地理区域的物种数目，以此来衡量入侵植物在我国各地区的分布情况。 初步的统计工作到此就结束了。接下来我们使用ARCGIS软件分析这些数据的入侵趋势，绘制出入侵趋势图，记录公式运算出的关键数据，制作分析结果表格。根据结果将每种植物的入侵趋势归类，将单一入侵路径与多入侵路径以及幅散式入侵的物种分类整理。 2.3 结果分析与讨论 入侵植物的入侵趋势与物种本身特性和入侵区域的地理人文环境密切相关，我们在总结出物种入侵路径的同时，也要考虑这种现象发生的内在动力。在这里，我们选取主要的入侵路径进行分析，故而环境因素在其中占据较大的比例。在分析过程中，我们从气候带、季风区、地形河流等自然地理因素，以及公路铁路交通、城市发达程度、人口密集程度等人文因素出发，再考虑到不同地区的历史条件，总结出几条主要入侵路径的机理。以期研究植物入侵的普遍机制，为之后制定预防和治理植物入侵问题的政策提供理论依据。 2.4 地理信息系统软件ARCGIS在入侵趋势分析中的应用 使用地理信息软件ARCGIS进行趋势分析是此次研究的主要内容，包括分布情况统计，标本位置显示以及入侵路径和入侵方向的分析。 3 实验结果 实验结果包括主要登陆地点统计，主要入侵路径统计，以及典型入侵路径分析。 3.1 中国入侵植物主要登陆地点 超过一半的外来植物登陆地点在中南地区，也就是广西、广东、海南三省，其中，仅广东地区就有43种植物登陆，接近统计的所有外来物种的一半。这不得不归因于广东地区特殊的历史背景，不论是早期的通商口岸或是改革开放时的经济特区、先锋城市，都使得中南沿海地区进出口物流人流水平高，为外来物种的引进和定居提供了便利。 3.2 主要入侵路径统计 在西南部的13种入侵植物中，有11种是沿横断山脉向东北方向由云南省入侵至四川、重庆、贵州等省份。另外2种则是向东南方向扩散至广西、广东、福建等省。 在中南部的56种入侵植物中，有52种是由东南沿海（广东、广西、海南）辐射性扩散至西边的云南、四川、贵州，以及东边的福建、浙江、江苏等地。其中，比较重要的入侵方向为向西入侵至云南省。剩下的4种则是在小范围内的扩散，由广东到海南，或者是在台湾岛内部的入侵过程。 在东南部的10种入侵植物中，有7种是由浙江省（上海市）向西南内陆和沿海地区扩散，进入福建、江苏、湖南、江西等地。剩余3种则是由福建向东北进入浙江、江苏等省。 同时，西北部的9种入侵植物全部是由新疆省进入，在小范围内扩散或向甘肃、青海、宁夏等省入侵。我们发现，在西北部出现的入侵植物，有时也会在东北部发现，但是在过程中并没有太多的标本被采集，这是由于入侵路径经过内蒙古省，缺乏标本采集记录，使得这些入侵路径无法被还原。 中北部的入侵植物标本过于稀少，且入侵路径不甚明显，故而没有得到可靠的分析结果。 3.3 典型入侵路径分析 在得到的97条入侵路径中，选出重复度最高的和最具特色的6条入侵路径。在每条路径上以其中具有代表性的一种植物为例，对这些典型的外来植物入侵路径的隐藏机理进行探讨。 3.3.1 以银荆（Acacia dealbata）为例分析“云-东北”入侵路径 图1即为银荆数据在软件ARCGIS上入侵趋势分析的结果图，其中的红点即样本采集地点的分布地，可以通过层次图来判断各个样本之间的时间关系。 可以看出，整个物种的入侵趋势呈现由云南省向东北方向扩散的形势。在整体上，这样的扩散方向主要受地形、地势、季风、河流和交通等人类活动的影响。 首先，云南邻近南亚地区，受印度洋、孟加拉湾方向的夏季风的影响。在种子成熟的夏季、秋季，当地盛行西南季风，使得靠风力传播的植物得以向东北方向扩散。其次，云南地处云贵高原，地势相对东北四川盆地等地较高，植物种子较易向这些位置传播。并且云南地处长江的上游位置，水流的传种作用不容忽视，植物的种子随长江流入四川、重庆、湖北、湖南等地，在这些地方定居繁衍，逐步形成了今天的辐射面积。 在细节上，云南西北部坐落着横断山脉，这导致该区域的植物沿着横断山脉的走向扩散，因为地形起伏很大，山谷山脊之间相隔很近，所以植物沿着山谷中的河流向北扩散，这形成了一条极具特色的入侵路径。此外，在观察样本分布的时候，我们发现大多数样本出现在主要铁路交通线附近，甚至是沿着铁路线分布扩散，这个现象使我们在评估人类活动对植物入侵的影响程度上有了更为重要的判断。 3.3.2 以马利筋（Asclepias curassavica）为例分析“东南沿海-内陆”入侵途径 图2即为马利筋数据在软件ARCGIS上入侵趋势分析的结果图，其中的黑点即样本采集地点的分布地，可以通过层次图来判断各个样本之间的时间关系。 总体而言，马利筋由东南沿海登陆，于广东、云南、台湾地区进入中国，向内陆地区辐射式扩散。这里的主要环境因素包括夏季风、河流等自然要素和交通线路、人口流动等人类活动。 东南沿海位邻太平洋，夏季海洋温度低，陆地温度高，热空气上升冷空气下降，海洋上空冷空气向陆地流动补充，就形成了夏季风，由东南方向吹向西北。这个因素在该物种的传播过程中起到推动作用。同时，这些样本点的分布都靠近河流，水流的传种作用也辅助了该植物的入侵。除此之外，更為重要的影响因素是人类活动，无论是交通线路还是人口流动，都为物种的扩散带来便利。而该图所展示出的由沿海向内陆的入侵过程，也是一个较为普遍的外来物种入侵趋势。 3.3.3 以芒穎大麦草（Hordeum jubatum）为例分析“辽东半岛-北”入侵路径 图3显示芒颖大麦草在我国入侵趋势的分析结果，红点代表入侵植物标本采集地点，颜色层次表示时间变化。 相比于南方而言，我国北方的外来植物无论在数目上还是辐射范围上都处于较低水平。其主要的几个入侵核心区域就包括河北省及其邻近的辽东半岛、黑龙江、吉林、新疆地区。在芒颖大麦草的这条入侵路径中，登陆地点为辽宁省南部海湾。这里是进出口贸易的重要关卡，海岸线悠长，是良好的天然港湾，货物即人员流动量大，很容易发生外来物种入侵的现象。 在登陆后，该植物向西扩散到河北（北京），进一步入侵到内蒙古，向东北入侵到黑龙江。其分布范围局限在北方寒温带地区，并且样本沿铁路线分布。地理环境所造成的气候差异是限制其在全国范围内扩散的主要因素，而人类活动带来的便利却是推动其向西部内陆地区以及东北部内陆地区入侵的重要动力。 作为北方重要的外来植物入侵地区之一，辽东半岛和河北地区有着北方其他区域不具备的便利条件，沿海、经济发达、贸易繁荣，自然地理条件和人文城市建设共同造成了其目前的入侵状况。与南方的主要城市相比，这里的地理条件比较单一，缺少地形地势的剧烈变化，所以物种的扩散过程较为平均，呈辐射状扩散。 3.3.4 以麦仙翁（Agrostemma githago）为例分析“吉林-北”入侵路径 图4显示麦仙翁在我国东北入侵趋势分析结果，黑点表示样本分布。 麦仙翁从朝鲜半岛由陆地进入我国，在吉林省登陆，以东北三省为界，呈现辐射式扩散。 由于缺乏剧烈的地理变化，该地区物种扩散的模式较为单一，入侵规律也较为明显。受气候因素的制约，该地区的植物难以跨越温度带入侵南部区域，所以这些植物的分布都先对局限。此外，样本的分布很大程度上依赖交通线路而形成。 4 讨论与展望 此次研究在一定程度上达到了预期的效果，统计了中国入侵植物主要登陆地，总结出其主要入侵趋势，并针对几个典型入侵路径进行具体的分析。 但是，此研究只是在定性的层面上描述这些生态过程的规律，至于定量地计算还需要在此基础上进行进一步的研究。 在这次研究过程中，有三个部分的内容值得深入思考。 第一，在收集数据的过程中，我们接触的最重要的一个直接数据来源就是标本库中记录的信息，而标本这个数据源的优劣直接导致此研究结果的可信度。很容易理解，在这种研究中，我们以标本的首次发现时间估计了该植物在当地的首次入侵时间。这种做法不可避免地会产生一定的误差，但这是目前为止最为准确有效的分析方式。 然而，样本同样具有局限性。首先，样本采集的误差可能由采集时间晚于入侵时间造成。由于外来种出现的频率和范围较小，导致无法及时采集该物种的样本。再者，外来种的受关注程度不足，标本鉴定和记录过程较为缓慢，被搁置甚至记录错误，这些因素导致早期的外来种标本记录出现信息错误，信息延误等情况[23]。 第二，在分析过程中我们发现，一些在东北登陆并且扩散的植物，在一段时间的空白过后，会出现在新疆等西北地区的地图上。我们发现这些植物在通过内蒙古地区时，其扩散过程并为被记录下来。在这些发展速度相对缓慢的地区，对于植物标本的采集工作几乎没有保障，大量标本信息的空档导致了这些入侵路径无法被完整地还原。我国南方改革开放的进程比较早，经济发展较快，这也导致了该地区受物种入侵的危害更加严重。在北方，入侵物种不仅在数量上少，而且其扩散范围也较为狭窄，在南北方的对比上，可以看出人口流动量，人类活动程度对外来物种入侵造成的影响。 第三，也就是此次研究深入讨论的机理，哪些因素在外来植物的入侵过程中起来关键性的影响。可以说，外来物种入侵新区域的途径有许多种，总体上包括自然过程和人为过程，其中人为过程有许多，运输中发生的意外入侵，从隔离状态的意外逃逸，或是具有目的性的人为引进等等。入侵植物进入新环境后，在适宜条件下会借助广泛存在的媒介快速扩散，包括随风向扩散，随水流向下游扩散，在此次研究中也不乏这样的例子。然而，当季风的风向不符合植物入侵的方向，其入侵路径在河流上的分布也呈现出由下游入侵至上游的趋势，这些自然媒介都不能很好地帮助这些外来植物入侵。此时，我们就可以真正体会到人类活动在这些外来物种的快速扩散过程中起到的不可代替的作用。尤其是在东南沿海的几条主要入侵路径中，人文因素是其入侵趋势形成的决定性因素。东南沿海是中国经济发达区，是沟通内陆与其他国家的桥梁，进出口货流人流量大，人畜密集，这些都是外来植物传播的主要媒介。总体而言，人类活动为外来植物脱离原生境进入新环境提供便利，而在入侵地，人类的迁移又为外来植物的进一步扩散提供媒介，使得这些外来植物的入侵范围、入侵速度和强度远远超过了自然入侵过程的水平[28]。 总的来说，人类活动为入侵物种打破地理障碍提供便利，引起巨大的生态反应。入侵过程由初步建立种群开始，到物种数量的增长，最终扩散到其他合适的栖息地。我们通过研究入侵物种在空间尺度上的扩散，重建区域传播中外来物种入侵的历史，进一步了解入侵物种对当地环境的影响机制，为生物入侵的综合防治提供科学依据。 参考文献： [1]Fan Bai，Ryan Chisholm，Weiguo Sang. Spatial Risk Assessment of Alien Invasive Plants in China. Environ.Sci.Technol，2013（47）：7624-7632. [2]Mack R.N.， Simberloff D.， Lonsdale W.，et al. Biotic invasions： causes， epidemiology， global consequence， and control. Ecological Applications， 2000（10）： 689-710. [3]Colautti R. I.， Grigorovich I. A.， MacIsaac H. J. Propagule pressure： A null model for biological invasions. Biol. Invasions 2006， 8 （5）：1023-1037. [4]王瑞，王印政.外来物种入侵、扩散过程与机制[J].生物入侵理论与实践，2003. [5]Dessaint F.，Chadoeuf R.，Barralis G.Spatial pattern analysis of weed seeds in the cultivated soil seed bank. Journal of Applied Ecology，1991，28：721-730. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。