外來海洋物種入侵風險評估模式*

王以斌 石紅旗 劉芳明 鄭洲 繆錦來

外來海洋物種入侵風險評估模式*

王以斌①石紅旗②劉芳明③鄭洲④繆錦來⑤

①③助理研究員，②共同第一作者，副研究員，④副研究員，⑤通訊作者，研究員，國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061
*海洋公益性行業(yè)科研專項(201305027、201405015)資助

外來海洋物種；生物入侵；風險評估；風險預測；米草屬植物

以外來海洋生物入侵過程和機制分析為基礎，結合多層次模糊綜合判別，構建外來生物入侵的風險分析框架和風險評估模式。通過建立海洋生物入侵風險評估的分層指標體系，確定指標因子的隸屬度和損害權重賦值標準，明確外來海洋物種入侵風險綜合指數(shù)的計算方法、風險級別劃分標準和入侵風險預警分析方法。以米草屬植物(大米草、互花米草、狐米草)為例，進行海洋植物入侵種的風險評估。結果表明：互花米草和大米草為高風險海洋植物入侵種，狐米草為中等風險的海洋植物入侵種。

外來生物入侵是由外來種的入侵性、生境的可入侵性、入侵的影響等因素決定的[1]。2008—2010年全國第二次外來入侵物種普查結果顯示：中國目前已查明的外來入侵物種有488種，其中植物265種，動物171種，菌物26種，病毒12種，原核生物11種，原生生物3種[2]。在地理學角度上，分布的總面積、密度和單位個體的影響這三個因素決定一個外來入侵種的總體影響，同時它們相互之間以及與總體影響之間存在著非線性的相互作用[3]，所以評價外來入侵種的生態(tài)影響是一項非常復雜的工作。

當前國內(nèi)有關機構和科研人員對外來入侵物種的風險評估及評價已開展了諸多工作。中國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局自1980年開始開展對有害生物的風險分析，其植物的有害生物風險分析工作處于全球植物檢疫界領先水平[4]。農(nóng)業(yè)部等相關部門也從2004年起成立專門的機構來進行風險評估工作[5]。馬英等[6]設計了一種基于三角模糊數(shù)表示的外來海洋物種入侵風險評估體系，并利用該體系進行了互花米草等7種典型海洋外來種的風險評估。李明陽等[7]構建了一個生境預測模型用來分析與中國入侵種沙篩貝相近的斑馬紋貽貝的空間分布規(guī)律及其環(huán)境影響因素。歐健等[8]構建了適用于廈門的外來入侵植物風險評價體系并結合實例進行了分析。陳蕾伊等[9]以草本種子植物的生活史特性和原產(chǎn)地特性作為預測因子構建了一個外來草本種子植物入侵潛力的評估預測模型。

以上工作為本研究的開展提供了大量的參考，本文提出的入侵風險評估體系和模型對同種屬海洋入侵植物的風險評估具有較高的分辨率，具有科學性和可操作性，對于外來海洋物種的入侵風險評估具有重要理論意義和應用價值。

1 風險評估體系的建立

1.1 層次分析法建立風險評估指標體系

外來海洋生物入侵是海洋生物分布的地理區(qū)域的跨越，包括主動擴散和被動擴散兩種方式[10-12]，人為傳播所造成的海洋生物入侵已越來越頻繁。入侵后的海洋生物能否建立起適宜的生物鏈，其發(fā)生和發(fā)展狀況取決于食物資源的多少、寄主抗性、種群競爭的強弱、天敵控制能力，以及人為管理等多種因素。外來海洋生物的迅速發(fā)生和發(fā)展給當?shù)赝林N及其生境造成極大的危害[13-14]。

根據(jù)外來海洋物種入侵過程的一系列條件、事件和風險分析的對象，可劃分成不同層次和等級的風險因子，同時將外來海洋物種的入侵風險監(jiān)測、預測與預報相結合，便于綜合管理[15-17]。根據(jù)外來生物入侵規(guī)律，參考其他文獻資料[5]，按層次分析法建立了外來海洋物種入侵風險評估指標體系框架，見表1。

1.2 入侵風險綜合指數(shù)計算

外來生物入侵風險是指外來生物引入具有一定發(fā)生幾率的潛在的危險性。因此，某種外來物種入侵的風險實質上是其造成的危害和形成這種危害幾率的一個函數(shù)[18]。采用生物入侵風險分析，結合多層次模糊綜合評判模型，可以對外來海洋物種進行風險評估，其評估計算公式如下：

R為入侵風險指數(shù)，P為入侵潛力，S為危害嚴重性指數(shù)。

pi為入侵潛能指標因子i的分級隸屬度賦值，i為指標因子。

表1 外來海洋物種入侵風險評估指標體系

*用于入侵病害微生物WSi為危害指標因子i的權系數(shù),Si為危害嚴重性指標因子i的分級隸屬度賦值，i為指標因子。

1.3 因子分級隸屬度賦值

采用定性分級賦值的方法，對各風險因子賦值，其賦值依據(jù)及分析如下：

(1) 相關因子(pi)及分級隸屬度(表2)

表2 外來海洋物種入侵相關因子( pi)及分級隸屬度

(2) 危害性(Si)及分級隸屬度(表3)

(3)入侵損害權系數(shù)確定(表4)

常用層次分析法來衡量各層次、各領域在外來海洋生物入侵評價總指數(shù)中的權重以及各指標在各層次、各領域中的權重。本研究中，我們應用基于層次分析法的思想建立起來的一種簡化方法——因素分析法[19]。因素分析法繼承了層次分析法的思想：分層次賦予權重，再在各層次內(nèi)部對指標賦予權重，最后進行層內(nèi)權重和層次間權重組合運算，形成總體權重。但是，在賦予層次權重和層內(nèi)權重時需采用層間和層內(nèi)排隊進行簡化的處理，運用倒序計算的方法來衡量具體的權重水平。

表3 外來海洋物種危害性因子(Si)及分級隸屬度

表4 入侵損害權重

(4)入侵風險級別

綜合外來海洋物種入侵能力和入侵危害后果，參考其他生物風險評估和控制體系的分級標準，提出了入侵風險級別劃分標準(表5)：以0.000～0.249為低級；0.250～0.374為中級；0.375～0.500為高級；0.500～1.000為特高級。

表5 入侵風險級別

1.4 生物入侵風險預警分析

生物入侵有一個從量變到質變的過程。為了解外來海洋生物入侵狀態(tài)，需要對外來海洋生物進行全方位的、動態(tài)的監(jiān)測，并建立外來海洋生物入侵的預警系統(tǒng)，為相關決策部門提供決策依據(jù)[20]。

多元區(qū)別分析(multiple discriminant analysis,MDA)方法是用來將觀測結果根據(jù)其自身特征劃分成組的一種統(tǒng)計方法，主要應用在因變量以定性形式出現(xiàn)的問題的分析中[19]。用MDA方法可以確定出外來海洋物種入侵預警判別式，分析的步驟如下：

(1)依據(jù)海洋生物入侵評價指標體系建立明確的指標分組：入侵能力組、土著生物損害組、環(huán)境損害組、生態(tài)系統(tǒng)損害組、經(jīng)濟損失組。選取各組的特征變量，設定海洋生物入侵預警分析的臨界指數(shù)(表6)。

表6 各指標組的臨界指數(shù)

(2)為各組的特征變量(各個指標系中的分類指標)賦值。

(3)結合風險分析的指數(shù)計算結果，構建各組特征變量的預警分析判別式。入侵能力組的預警指數(shù)以P公式描述預警分析判別式；入侵危害相關各組的預警指數(shù)以S1、S2、S3、S4公式描述預警分析判別式。

(4)將預警分析指數(shù)與臨界指數(shù)進行比較，從而獲得海洋生物入侵預警分析結果。

海洋生物入侵的衡量標準在于能否在當?shù)亟⒎N群，并對本地生物、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟帶來可預測的顯著影響[21]。由各預警分析判別式分別計算出海洋生物入侵能力預警分析指數(shù)和損害預警分析指數(shù)，將它們與各自的臨界值作比較，得到預警分析的結論。利用外來海洋物種入侵預警機制，在收集基礎數(shù)據(jù)的基礎上，即可對海洋生物入侵狀況定期地進行評價和預警分析。

2 米草屬植物入侵風險評估實例

以大米草(Spartina anglica)、互花米草(Spartina alternif l ora)、狐米草(Spartina patens)為例運用本評估模式進行評估。這三種米草屬植物自20世紀60年代起先后由仲崇信等引入中國后，已在沿海地區(qū)表現(xiàn)出了很強的入侵性(圖1)[4,20,22-25]。

2.1 評價指標因子賦值

表7是各風險評價指標因子賦值結果。

表7 評價指標因子賦值

2.2 風險計算和風險級別評判

利用表1的賦值數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)～(3)及表4、表5計算并進行風險級別劃分，結果如表8。

表8 米草屬植物風險級別評判

2.3 米草屬植物入侵風險預警分析

米草屬植物互花米草(S. alterniflora)風險預警評判結果見表9。結果表明：互花米草在入侵能力、土著生物損害、環(huán)境損害三個組別均超過臨界值，屬于預警關注的重點。

表9 互花米草入侵風險預警分析

綜上所述，大米草和互花米草的入侵風險等級均已是高風險，互花米草入侵風險高于大米草，狐米草入侵風險等級為中等。對互花米草進行的入侵風險預警分析顯示，其入侵能力、土著生物損害和環(huán)境損害都已超過臨界值，屬于重點關注的預警風險。馬英等[6]利用構建的評估體系對互花米草進行的評估結果認為其為極高風險等級；鄭冬梅等[23]認為福建地區(qū)的互花米草、大米草均屬高風險物種，應嚴格控制其蔓延；歐健等[8]對廈門地區(qū)的互花米草進行的風險分析認為其入侵風險為“高風險”等級之上的“不可接受”等級；馬喜軍等[25]研究了江蘇鹽城附近的米草入侵現(xiàn)狀后也得出了類似的結論。

3 結論

在對外來海洋生物入侵過程和機制分析的基礎上，確立入侵風險分析框架和風險評估模式，建立了海洋生物入侵風險評估的分層指標體系、指標因子的隸屬度和損害權重賦值標準，明確了海洋物種入侵風險綜合指數(shù)計算方法，風險級別劃分標準和入侵風險預警分析方法。利用該模式對三種米草屬植物(大米草、互花米草、狐米草)的入侵風險進行了評估，結果表明：大米草和互花米草的入侵風險均為高風險等級，互花米草的入侵風險高于大米草，狐米草的入侵風險等級為中等，這一評估結果與國內(nèi)外其他研究的結論相一致。該風險評估體系和模型對同屬入侵植物的風險評估具有較高的分辨率，具有科學性和可操作性，對于評估可能的外來海洋物種的入侵風險具有重要的應用價值。

(2013年9月25日收稿)

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An invasive risk assessment model of alien marine species

WANG Yi-bin①, SHI Hong-qi②, LIU Fang-ming③, ZHENG Zhou④, MIAO Jin-lai⑤
①③Research Assistant, ②④Associate Professor, ⑤Professor, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration,Qingdao 266061, Shandong Province, China

To assess the invasion risk of alien marine species, an invasive risk assessment model was constructed based on the analysis of the biological invasions processes and mechanisms, which combined with the multi-hierarchy fuzzy comprehensive evaluation. Through to establish risk assessment index of marine biological invasions, the definition of the invasive factor and subjection degree of qualitative index, and evaluated the weight of invasion damage, a clear risk assessment composite index of marine invasive alien species was calculated. The invasive risk of Spartina plantations (such asSpartina anglica,Spartina alternif l oraandSpartina patens) were assessed by this model. The results identified the grade of cordgrassSpartina alternif l oraandSpartina anglicaas very high risk, andSpartina patensas medium one.

alien marine specie, biological invasion, risk assessment, risk prediction,Spartinaplantation

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.007

(編輯：段艷芳)