重要外來入侵植物隨南水北調(diào)工程傳入京津冀受水區(qū)的風(fēng)險評估

鄭志鑫， 王 瑞， 張風(fēng)娟， 冼曉青， 萬方浩

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所植物病蟲害國家重點實驗室，北京 100193； 2河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002

外來物種入侵已成為全球性的環(huán)境問題，中國是遭受外來入侵生物危害最為嚴重的國家之一。隨著全球變化加劇以及我國對外貿(mào)易、旅游和交通等的發(fā)展，外來植物入侵發(fā)生的頻度和危害的程度都在迅速增加，特別是一些有毒或惡性的雜草的入侵和蔓延不僅導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，而且導(dǎo)致嚴重的生態(tài)災(zāi)難(桑衛(wèi)國等，2006； 萬方浩等，2010; Pimenteletal.,2000)。當(dāng)前，我國外來有害生物入侵的形勢異常嚴峻，這表現(xiàn)在2個方面：新的物種正在不斷地通過貿(mào)易、旅游等途徑傳入；已入侵的物種還在不斷擴散蔓延。因此，預(yù)防新的外來物種的入侵以及控制已入侵生物的進一步擴散蔓延是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)。通過風(fēng)險評估明確外來物種傳入與擴散的風(fēng)險、制定早期監(jiān)測預(yù)警措施是控制有害生物入侵、抑制其擴散蔓延的最有效途徑(萬方浩等,2010)。

人類活動是影響外來物種擴散的關(guān)鍵因素(Horvitzetal.,2017)，特別是一些大的跨區(qū)域的工程會促進外來物種的擴張蔓延。南水北調(diào)是中國21世紀的一項巨大輸水工程，目的是把長江流域的水引入華北地區(qū),以緩解華北地區(qū)的水資源匱乏問題，改善受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。南水北調(diào)工程有中線、東線和西線3條調(diào)水線路。其中，中線和東線工程分別從漢江上游的丹江口水庫和長江中下游的江都引水，供給黃淮海平原大部分地區(qū)。2016年底，中線和東線工程已完工并開始輸水。

我國的外來物種分布總體上呈現(xiàn)沿海多于內(nèi)陸的特點，內(nèi)陸地區(qū)呈現(xiàn)出由南向北、由東向西遞減的趨勢(何志恒和張全發(fā)，2007)。南水北調(diào)工程全程干渠大多為露天開放性管道，在調(diào)水的同時為物種的跨區(qū)域擴散提供了通道和動力，尤其一些已在水源地分布的外來有害生物可能會借助這一通道跨越地理屏障從長江流域向北擴散蔓延。因此，系統(tǒng)評估外來有害生物隨南水北調(diào)工程(中線和東線)入侵和擴散的風(fēng)險，明確高風(fēng)險的有害種類及其風(fēng)險等級對南水北調(diào)工程途經(jīng)地和受水區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及外來物種防控具有重要意義。近年來，已有學(xué)者研究了南水北調(diào)工程及其輸水通道對物種傳播的影響(何志恒和張全發(fā)，2007； 呂培茹等，2010； Liuetal.,2017)，但其主要是評估水源地的土著植物(大薸PistiastratiotesL.除外)隨該輸水工程擴散的風(fēng)險。雜草風(fēng)險評估方法是基于植物的生物生態(tài)學(xué)特性等指標評估其入侵后的危害風(fēng)險。生物入侵是一個動態(tài)的過程，其入侵的風(fēng)險應(yīng)該由傳入、定殖、擴散與危害等綜合決定。水源地廣泛分布的重要入侵植物能否隨南水北調(diào)工程擴散、擴散后能否定殖并造成危害等問題并不清楚。因此，本研究以南水北調(diào)水源地分布的危險性入侵植物為評估對象，通過構(gòu)建基于生物入侵過程中不同階段(傳入、定殖、擴散、危害等)的綜合風(fēng)險評估指標體系，并結(jié)合入侵物種傳入、定殖、擴散與危害相關(guān)因子的特性，系統(tǒng)評估它們隨南水北調(diào)工程入侵京津冀受水區(qū)的風(fēng)險，為制定有害生物的早期監(jiān)測預(yù)警措施及控制和預(yù)防外來物種對京津冀受水區(qū)的危害、保障南水北調(diào)工程區(qū)的生態(tài)安全提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)險評估對象

據(jù)統(tǒng)計，目前已入侵我國的外來植物有286種，其中33種已被列入國家重點管理外來入侵物種名錄(農(nóng)業(yè)部外來物種管理辦公室，2013)，它們均已在我國長江流域定殖并正在進一步擴散蔓延。本研究以這33種危險性入侵植物為候選評估對象，通過查閱文獻資料、標本信息及實地考察等明確它們在南水北調(diào)水源地的分布、發(fā)生危害特性等信息；然后，基于風(fēng)險識別程序，通過比較當(dāng)前分布點距水源地距離及植物的繁殖體或種子隨風(fēng)、水流等的擴散距離等方法篩選出能夠隨南水北調(diào)工程擴散的外來入侵植物，并按照構(gòu)建的風(fēng)險評估指標體系對其隨南水北調(diào)工程進入京津冀受水區(qū)的風(fēng)險進行評估。

1.2 風(fēng)險評估體系構(gòu)建

外來生物入侵是一個由復(fù)雜鏈式過程構(gòu)成的風(fēng)險事件，一般可以分為傳入、定殖、擴散與危害4個階段(鞠瑞亭和李博，2012; 張從，2003； Benkeetal.,2011)。理論上，外來植物隨南水北調(diào)工程傳入京津冀受水區(qū)的風(fēng)險是由入侵過程中不同階段的多重因素所決定?；诖?，本研究通過綜合分析影響外來物種入侵的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特征及環(huán)境和人為活動等因素, 以入侵植物的繁殖體能否進入水源地為起點, 提取南水北調(diào)工程促進外來物種入侵風(fēng)險形成的因子, 建立了風(fēng)險評估指標體系(表1)。

該風(fēng)險評估指標體系分為4個層次：第1層次為目標層，即評價的目標，以綜合風(fēng)險指數(shù)(R)表達，描述的是被評估入侵植物隨南水北調(diào)工程傳入受水區(qū)風(fēng)險評估的最終結(jié)果；第2層次為項目層，根據(jù)外來物種入侵的一般過程，即“傳入→定殖→擴散→危害”，將所有影響物種入侵的因素分為四大類，包括傳入風(fēng)險(I)、定殖風(fēng)險(E)、擴散風(fēng)險(D)和危害風(fēng)險(P)；第3層次為因素層，即每個項目層的風(fēng)險由哪些因素決定；第4層次為指標層，即每一個評價因素由哪些具體指標來描述。

為便于統(tǒng)一計算，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，參考已有的風(fēng)險評估案例(鞠瑞亭和李博，2012； 王瑞等，2015)，將各參評指標劃分為5個等級。每個等級設(shè)一個概念閾值，依次為0.25、0.50、0.75、1.00。對于可以定量的指標，設(shè)定了打分可參考的定量范圍；對于不能定量的指標，由專家根據(jù)自身經(jīng)驗評估打分。

1.3 風(fēng)險指數(shù)的計算

根據(jù)已構(gòu)建的風(fēng)險評估指標體系及指標賦值標準(表1)，由專家對評估對象的各項指標逐一打分；然后篩選出評分記錄完整的打分表，統(tǒng)計出各項指標的綜合值；最后，根據(jù)層次分析法—模糊綜合評價模型計算出指標的權(quán)重以及最終的風(fēng)險指數(shù)。

1.3.2 項目層計算 通過分析入侵物種沿南水北調(diào)工程擴散的風(fēng)險構(gòu)成條件，判定因素層與項目層之間的邏輯關(guān)系，確定由因素層計算相對應(yīng)的項目層的方法。

氣候條件(E2)、基質(zhì)條件(E3)、抗性(E4)均只有1項評價指標, 其值可直接得出。

社會風(fēng)險(P1)、生態(tài)風(fēng)險(P2)、經(jīng)濟風(fēng)險(P3)與參評指標(P1i、P2i、P3i)之間均符合替代關(guān)系，它們的計算公式分別為P1=max(P1i)、P2=max(P2i)、P3=max(P3i)。

1.3.4 指標權(quán)重設(shè)置 綜合專家意見，并采用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定符合加法原理的指標權(quán)重(鞠瑞亭和李博，2012； 王瑞等，2015)。

首先，構(gòu)建因子權(quán)重矩陣。參考各指標的綜合評分值確定因子間的重要性(相同、稍強、強、明顯強、絕對強)，分別設(shè)置因子間對風(fēng)險貢獻權(quán)重先驗值(1或2、3或4、5或6、7或8、9)，從而構(gòu)建因子間重要性判斷矩陣。

其次，計算權(quán)向量并做一致性檢驗。計算指標層對準則層的組合權(quán)向量，并根據(jù)公式做組合一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，則需要重新構(gòu)建一致性比率較大的成對比較矩陣，并進行一致性檢驗，直至檢驗通過。最后計算得出各指標的權(quán)重系數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 評估對象識別

經(jīng)資料查詢和實地考察，從33種候選評估對象中篩選出24種在南水北調(diào)中線和東線工程水源區(qū)(與水源地相連的主要河流)和途經(jīng)地有分布的入侵植物，對其隨南水北調(diào)工程擴散的風(fēng)險進行評估。被評估的24種入侵植物分屬于菊科、禾本科、莧科、雨久花科等9科(表2)。刺蒼耳XanthiumspinosumL.、飛機草Chromolaenaodorata(L.) R. M. King & H. Robinson、假臭草PraxelisclematideaR. M. King & H. Robinson、薇甘菊MikaniamicranthaKunth、長刺蒺藜草Cenchruslongispinus(Hack.) Fernald、節(jié)節(jié)麥AegilopstauschiiCoss、長芒莧AmaranthuspalmeriWatson、少花蒺藜草CenchruspauciflorusBentham、刺萼龍葵SolanumrostratumDunal等9種入侵植物的分布區(qū)距離水源地較遠，其繁殖體很難進入水源地及其連接的河流，或與其有關(guān)的資料較少，缺少相關(guān)信息，故未評估其隨南水北調(diào)工程擴散的風(fēng)險。

表2 重要入侵植物沿南水北調(diào)工程入侵京津冀受水區(qū)的風(fēng)險評估指標權(quán)重系數(shù)和綜合風(fēng)險值(R)Table 2 Index weight coefficients and integrated risk (R) values for the major invasive plants with invasion potential into the Beijing-Tianjin-Hebei receiving area with the South-to-North Water Diversion project

2.2 風(fēng)險評估結(jié)果

本研究中被評估對象的權(quán)重系數(shù)值見表2。根據(jù)被評估對象各指標的評分及風(fēng)險指數(shù)算法,計算出24種入侵植物隨南水北調(diào)工程入侵京津冀受水區(qū)的綜合風(fēng)險值(表2)。結(jié)果顯示，紫莖澤蘭Ageratinaadenophora(Sprengel) R.M. King & H. Robinson和互花米草SpartinaalternifloraLoiseleur的入侵風(fēng)險值相對較低(R<0.6)，其余22種入侵植物的風(fēng)險值均較高(R>0.6)，其中，喜旱蓮子草Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.、鳳眼蓮Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms.和大薸3種外來水生植物的入侵風(fēng)險值最高(R>0.8)。

3 討論

由于外來生物具有極強的繁殖能力，一旦成功入侵就很難被根除。因此，外來入侵物種管理中預(yù)防比治理更為經(jīng)濟、可行(Waage & Reaser,2001)。風(fēng)險評估是制定有害生物早期監(jiān)測預(yù)警措施、預(yù)防與控制外來有害生物入侵與擴散的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是外來物種研究的重要內(nèi)容(丁暉等，2006； 王瑞等，2015; Benkeetal.,2011; Pheloungetal.,1999； Pollinoetal.,2012； Weber & Gut,2004)。已開展的外來物種風(fēng)險評估主要集中在其入侵性、入侵過程中某一階段的風(fēng)險，如傳入風(fēng)險、擴散風(fēng)險、適生性風(fēng)險、經(jīng)濟危害風(fēng)險等方面(萬方浩等，2010)。由于生物入侵是一個動態(tài)的過程，單一階段的風(fēng)險評估有時并不能滿足早期管理的需求。近年來，基于外來物種入侵過程的綜合風(fēng)險評估方法逐漸被用來評估外來物種在特定地區(qū)的潛在入侵風(fēng)險(鞠瑞亭和李博，2012)。基于生物入侵發(fā)生的動態(tài)過程與先驗知識，判定影響入侵風(fēng)險發(fā)生的關(guān)鍵因素及其邏輯關(guān)系是構(gòu)建綜合風(fēng)險評估體系的主要方法。

理論上，南水北調(diào)工程可促進外來物種突破自然地理屏障實現(xiàn)進一步擴散蔓延。我國外來入侵物種的發(fā)生與危害總體上呈現(xiàn)從東部、南部沿海向西部、北部地區(qū)遞減的趨勢，如江蘇、湖北、河南、山東等南水北調(diào)中線和東線工程的水源區(qū)和途經(jīng)地是我國外來入侵物種的高發(fā)區(qū)，其外來入侵植物約有190種，約占已確認的全國外來入侵植物(286種)的66%(儲嘉琳等，2016; 壽海洋等，2014； 章承林等，2012； 張緒良等,2010； Huangetal.,2011)，而京津冀地區(qū)外來入侵植物共99種(石青等，2017)。本研究以評估危險性入侵植物隨南水北調(diào)工程進入京津冀受水區(qū)的風(fēng)險為目標，以外來有害生物的動態(tài)入侵過程為基礎(chǔ)，通過分析影響外來植物入侵過程不同階段的不同因素間的邏輯關(guān)系，建立了入侵物種的綜合風(fēng)險評估指標體系?；谠擉w系，以南水北調(diào)水源地和途經(jīng)地區(qū)分布的國家重點管理入侵植物為對象，通過分析其地理分布、擴散動態(tài)、適生區(qū)等篩選出24種外來入侵植物，對其隨南水北調(diào)工程入侵京津冀受水區(qū)的風(fēng)險進行了評估。結(jié)果表明，22種外來入侵植物隨南水北調(diào)工程入侵京津冀受水區(qū)的風(fēng)險較高。其中，喜旱蓮子草、大薸、鳳眼蓮3種水生植物隨南水北調(diào)工程向北擴散的風(fēng)險極高，應(yīng)該予以重點關(guān)注。Liuetal.(2017)已經(jīng)在山東、河北南水北調(diào)的輸水通道發(fā)現(xiàn)了喜旱蓮子草向北擴散種群；同時，研究表明，京津冀受水區(qū)存在其廣闊的適生區(qū)，且適生區(qū)會隨著全球變暖而增大。另外，2018年筆者在河北省保定市南水北調(diào)工程附近白洋淀流域的河道已發(fā)現(xiàn)喜旱蓮子草的新入侵種群。因此，建議在關(guān)注南水北調(diào)帶來便利的同時，應(yīng)該意識到其可能促進外來有害生物向北入侵的風(fēng)險，加強入侵物種的早期監(jiān)測預(yù)警，降低外來生物入侵的風(fēng)險。本研究主要是基于與評估對象相關(guān)的生物生態(tài)學(xué)、發(fā)生危害、適生性和擴散動態(tài)預(yù)測等信息做出的風(fēng)險判斷，評估結(jié)果會存在一定的不可預(yù)知性，這些外來植物能否對京津冀受水區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)造成危害尚需進一步研究。