高效利用大數(shù)據(jù)資源促進(jìn)生物多樣性保護(hù)

文/張文娟 中國生態(tài)文明研究與促進(jìn)會

我們正處在一個信息爆炸的時代，隨著技術(shù)的進(jìn)步和智能監(jiān)測的發(fā)展，同時伴隨著越來越多的人正在加入到現(xiàn)代化公民科學(xué)行列，人類社會已經(jīng)在集體生產(chǎn)生態(tài)學(xué)大數(shù)據(jù)了。海量的生物多樣性數(shù)據(jù)和生物資源本身一樣，是國家重要的資源，我國是生物多樣性信息學(xué)發(fā)展比較好的國家，但信息資源整合度低，信息數(shù)據(jù)碎片化、共享程度有限，阻礙了信息的深度挖掘和有效利用。整合多元異構(gòu)數(shù)據(jù)資源，促進(jìn)信息的深度挖掘和有效利用，是當(dāng)前亟需解決的現(xiàn)實問題。

生物多樣性研究存在知識空缺

世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）半個多世紀(jì)前開始的《瀕危物種紅色名錄》評估工作，有力地推動了各國生物多樣性保護(hù)的進(jìn)程，得到了國際認(rèn)可?；谠摍C(jī)構(gòu)的評估方法，結(jié)合自身國情，我國于20世紀(jì)80年代，先后啟動了植物和動物紅皮書的編寫。2004年起出版的《中國物種紅色名錄》，為我國當(dāng)時瀕危物種的研究、教育和相關(guān)保護(hù)政策的制定提供了最新、最可靠的依據(jù)。

從2007年開始，中科院生物多樣性委員會組織院內(nèi)外分類學(xué)專家編研《中國生物物種名錄》，并從2008年起以年度名錄的形式每年更新和向社會公開發(fā)布，為全球使用者提供實時在線的中國動物、植物和微生物等生物類群的分類和分布信息，中國也成為世界上唯一一個連續(xù)多年發(fā)布年度生物物種名錄的國家。

與此同時，為全面掌握我國生物多樣性受威脅狀況，提高生物多樣性保護(hù)的科學(xué)性和有效性，原環(huán)保部于2008年聯(lián)合中國科學(xué)院啟動了《中國物種紅色名錄》升級版—《中國生物多樣性紅色名錄》的編制。歷經(jīng)多年，《中國生物多樣性紅色名錄—高等植物卷》和《中國生物多樣性紅色名錄—脊椎動物卷》在2013年9月和2015年5月分別正式對外發(fā)布。2018年5月，生態(tài)環(huán)境部又和中科院共同發(fā)布《中國生物多樣性紅色名錄—真菌卷》。這是我國首次采用IUCN標(biāo)準(zhǔn)對大型真菌的受威脅狀況進(jìn)行的一次全面評估。

法國作為僅次于美國的農(nóng)業(yè)大國，它的農(nóng)業(yè)極度發(fā)達(dá)，是世界主要農(nóng)業(yè)大國。主產(chǎn)小麥、大麥、玉米和水果蔬菜。

除了《中國生物物種名錄》《中國生物多樣性紅色名錄》，近年來，國家動植物種質(zhì)資源共享平臺、國家標(biāo)本資源共享平臺等也陸續(xù)完成。

有關(guān)生物多樣性的這些研究成果為相關(guān)主管部門和地方政府制定物種保護(hù)相關(guān)政策和規(guī)劃提供了依據(jù)，對我國生物多樣性保護(hù)與管理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。比如，物種名錄查明我國已知脊椎動物、高等植物和真菌的種的本底狀況、受威脅程度及分布差異，確定了各個大類群的瀕危狀況和保護(hù)等級，分析了瀕危物種滅絕的原因，就可針對受威脅物種的地理分布和種群現(xiàn)狀，制定和完善自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃，合理調(diào)整原有自然保護(hù)區(qū)的面積或功能區(qū)，根據(jù)需要在物種集中分布區(qū)或分布點建立新的自然保護(hù)區(qū)或保護(hù)點。對于那些就地保護(hù)不足以達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的物種，可采取遷地保護(hù)等輔助措施，或?qū)⑵湟迫雱又参飯@進(jìn)行繁育，或保存在國家種質(zhì)資源庫中。

盡管已積累的生物多樣性數(shù)據(jù)足夠豐富，但生態(tài)學(xué)家們依然對缺乏高質(zhì)量生物多樣性數(shù)據(jù)感到苦惱。

研究指出，當(dāng)前全世界在生物多樣性方面都存在著知識欠缺，主要包括七個方面：一是新物種的發(fā)現(xiàn)，二是已知物種的地理分布，三是種群數(shù)量與時空動態(tài)，四是物種進(jìn)化史，五是物種功能形狀，六是物種與環(huán)境之間的關(guān)系，七是物種之間的相互作用。這些空缺導(dǎo)致我們當(dāng)前的生物多樣性研究只能限制在一些特定的區(qū)域，特定的生物有機(jī)體，特定的環(huán)境條件等，基于某一個區(qū)域的或類群提出的理論或假說難以在其他區(qū)域或類群進(jìn)行驗證，這極大地限制了生物多樣性研究，讓決策者做出科學(xué)的判斷。

大數(shù)據(jù)為彌補(bǔ)知識空缺提供了可能

2019年1月發(fā)表在《自然植物》雜志上的一篇文章提出行動號召，敦促人們利用大數(shù)據(jù)解決長期存在的、有關(guān)植物多樣性和進(jìn)化的問題。科學(xué)家們認(rèn)為，利用大數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)解決主要的生物多樣性問題具有巨大的實際意義，從保護(hù)努力到預(yù)測和緩沖氣候變化都將產(chǎn)生巨大的影響。

的確，我們現(xiàn)在看到的大數(shù)據(jù)資源之間的聯(lián)系是不可想象的。幾個世紀(jì)以來，全球收集了數(shù)十億個標(biāo)本及其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中大部分現(xiàn)在可以在網(wǎng)上找到。遠(yuǎn)程傳感器和無人機(jī)等新技術(shù)使科學(xué)家能夠監(jiān)測植物和動物，并實時傳輸數(shù)據(jù)。公眾通過記錄和報告他們通過數(shù)字工具(如iNaturalist)的觀察結(jié)果來貢獻(xiàn)生物數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)資源為科學(xué)家和自然資源保護(hù)者提供了關(guān)于地球上生命的過去、現(xiàn)在和未來的豐富信息。

荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)采取精準(zhǔn)化的供水控制系統(tǒng)，按照作物的生長周期調(diào)整供水量，并且可以在1天時間內(nèi)按照太陽輻射情況及時調(diào)整供水量，既能夠保證作物生長的需要，又能夠避免過度灌溉造成水資源浪費。

目前，大數(shù)據(jù)的挖掘及其應(yīng)用已經(jīng)成為國際生物多樣性研究的前沿內(nèi)容，全球和區(qū)域水平的生物多樣性數(shù)據(jù)庫不斷建立和完善，例如，全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)（GBIF）等全球大型數(shù)據(jù)庫包括10億多條物種分布信息。若干國家的數(shù)據(jù)庫，如澳大利亞生物多樣性信息系統(tǒng)和美國標(biāo)本數(shù)字化平臺，也可以提供數(shù)千萬條物種分布信息。我國自2003年開始建立的國家標(biāo)本資源共享平臺，包含植物、動物、巖礦化石和極地資源在內(nèi)的標(biāo)本照片、名錄、和文獻(xiàn)等信息，目前數(shù)字化標(biāo)本總量也已經(jīng)超過1200多萬份。

基于這些海量的，高異構(gòu)性的數(shù)據(jù)，生態(tài)學(xué)家們已經(jīng)開展了一些突破性的工作，內(nèi)容涉及到生物多樣性研究的多個方面：

基于數(shù)據(jù)分析全球無路地區(qū)生態(tài)價值。德國埃伯斯瓦爾德可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的Pierre Ibisch帶領(lǐng)著國際研究團(tuán)隊，利用自由地維客世界地圖上超過3600萬公里道路的數(shù)據(jù)，繪制了地球上除了格陵蘭島和南極洲以外所有無路地區(qū)的地圖。由于污染、噪音、水土流失、人類造訪日漸增多，以及害蟲和入侵物種的運送，道路的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其實際面積，因此研究團(tuán)隊把距離公路至少一公里的地方都算作是道路覆蓋區(qū)域。他們計算得到的結(jié)果是：全球共有1.32億平方公里的土地，其中約1.05億沒有道路覆蓋。研究者完成無路地區(qū)域繪制后，根據(jù)碎片區(qū)的范圍、生物多樣性和對生態(tài)系統(tǒng)的重要性，判定了它們的生態(tài)價值。大多數(shù)無路地區(qū)面積都很小，在60萬個碎片區(qū)里，有半數(shù)不到1平方公里，80%小于5平方公里，只有7%大于100平方公里。四分之一的無路地區(qū)人煙稀少，寸草不生，基本上是一片荒蕪之地；三分之一是牧場。當(dāng)然大面積無路地區(qū)中也有一些郁郁蔥蔥、生物種類繁多的地方，比如亞馬遜和北美的北方森林。研究者發(fā)現(xiàn)，目前只有9.3%的地方得到了國際保護(hù)力量的保護(hù)。隨著關(guān)于道路負(fù)面影響的科學(xué)證據(jù)越來越多，他們認(rèn)為應(yīng)該優(yōu)先保護(hù)地圖上最具生態(tài)價值的無路地區(qū)。這篇文章2016年12月15日發(fā)表在《自然》雜志上。

基于大數(shù)據(jù)分析森林生產(chǎn)力與物種多樣性之間的關(guān)系。美國西弗吉尼亞大學(xué)的梁晶晶教授等研究者，收集了來自44個國家及地區(qū)、橫跨13個不同生態(tài)區(qū)域的77萬多個全球森林多樣性樣地（global forest biodiversity plots）的數(shù)據(jù)來進(jìn)行統(tǒng)計分析。這77萬多個樣地數(shù)據(jù)涵蓋了231個科、1862個屬中的8737個樹種。對于每一份樣地數(shù)據(jù)，研究者都從中提取出三項關(guān)鍵特征：樹的種類豐富度、林分?jǐn)嗝娣e、初級生產(chǎn)力，在此基礎(chǔ)上，他們引進(jìn)氣候、土壤狀態(tài)、降水等一系列其他變量，建立了一個冪函數(shù)模型來反映生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力之間的關(guān)系。如果全球性的樹木物種減少10%，那么森林的生產(chǎn)力會下降2-3%；而如果在比較極端的情況下，樹木只剩下一種了，那么哪怕全球的樹木總數(shù)維持不變，森林的生產(chǎn)力也還是會下降26%～66%。研究者特地估算了生物多樣性在維持森林生產(chǎn)力方面的經(jīng)濟(jì)價值—相當(dāng)于每年1660億到4900億美元！他們得出結(jié)論：物種多樣性的持續(xù)缺失會加劇森林的生產(chǎn)力（即生物量的產(chǎn)生速率）衰退，保護(hù)物種多樣性作為一種防微杜漸的預(yù)防手段，是具備極高的經(jīng)濟(jì)價值的。這篇文章發(fā)表在2016年10月的《科學(xué)》雜志上。

近年來，利用大數(shù)據(jù)研究分析為生物多樣性研究做出的判斷，正在逐年增多，內(nèi)容涉及到土地利用和覆蓋變化、氣候變化、城市化等對生物多樣性的影響，物種進(jìn)化歷史，物種滅絕風(fēng)險評估與預(yù)測，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的功能關(guān)系等，這些研究案例展示了大數(shù)據(jù)在生物多樣性研究中的巨大潛力，為彌補(bǔ)生物多樣性性知識欠缺，驅(qū)動更具創(chuàng)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了各種可能性。

整合多元異構(gòu)數(shù)據(jù)資源促進(jìn)信息深度挖掘和有效利用

生物多樣性信息數(shù)據(jù)是國家的重要戰(zhàn)略資源，也是國家生態(tài)安全和生態(tài)文明建設(shè)的重要保障。生物多樣性領(lǐng)域多層次、多維度的大數(shù)據(jù)匯聚與綜合分析，正在改變著人類對自然的認(rèn)知方式和資源利用能力。

作為科學(xué)研究的新范式，大數(shù)據(jù)正在改變著人們的思維方式，促使生物多樣性研究不再僅僅滿足于數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和共享，必須邁上一個新的維度，研究需要回答一些基本的問題：是否能夠基于各類數(shù)據(jù)的分析，驅(qū)動更具創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)；是否能夠提供可視化、標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，為政府決策做科技支撐；是否能夠提供共享程度更高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，服務(wù)于科普教育和提升公眾文化水平。

生命科學(xué)領(lǐng)域多層次大數(shù)據(jù)匯集、深度分析，以及通過科學(xué)交叉與生態(tài)、地理、遙感、環(huán)境等數(shù)據(jù)的融合，為更具創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)提供了種種可能性，面對不斷加劇的人類活動和日益嚴(yán)峻的生物多樣性保護(hù)趨勢，是時候行動起來，用大數(shù)據(jù)的思維方式去推動變革，但是，仍然面對著各種挑戰(zhàn)。

最困難障礙之一，是如何使屬于不同的組織、機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫能夠順利地相互協(xié)作，畢竟，全世界不同國家，不同組織和機(jī)構(gòu)建立的各個生物多樣性性系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通常以完全不同的方式收集，將這些集成起來，實現(xiàn)無縫連接，是一個重大挑戰(zhàn)。

僅以中國科學(xué)院系統(tǒng)為例，多年來，中科院積累了大量生物物種（包括古生物）和遺傳信息資源，野外臺站和大樣地監(jiān)測體系，以及龐大的國際合作網(wǎng)絡(luò)，并且已經(jīng)建成全球最大的古生物學(xué)與地層學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫，國家標(biāo)本資源共享平臺，世界微生物數(shù)據(jù)中心，中國生物物種名錄，中國生態(tài)系統(tǒng)評估和生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫，中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和中國森林生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等一系列信息不斷更新的大數(shù)據(jù)平臺，全面整合這些生物、生態(tài)與社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境信息資源，就是一項重大的工作，目前，中國科學(xué)院已經(jīng)在推動中國生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，并已經(jīng)有了基本的架構(gòu)。

據(jù)了解，中國生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)將聚焦服務(wù)國家資源的應(yīng)用場景，形成多層次的柵格化的數(shù)據(jù)圖層，利用分析模型和可視化技術(shù)實現(xiàn)對生物多樣性數(shù)據(jù)資源的挖掘和利用，構(gòu)建開放開源的生物多樣性與生態(tài)安全大數(shù)據(jù)處理利用的通用接口，實現(xiàn)生物多樣性資源和有效管理，保障國家生態(tài)安全，支撐國家公益性科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，促進(jìn)生物多樣性信息最大限度地整合、分析、評價、保護(hù)和利用，為生物多樣性科學(xué)發(fā)展和科普教育，履行《生物多樣性》公約，國家生態(tài)承載能力評估和生態(tài)安全格局構(gòu)建強(qiáng)有力的支撐和服務(wù)。

但是，生物多樣性數(shù)據(jù)的高異構(gòu)性和動態(tài)性仍然是我們面臨的巨大的挑戰(zhàn)，為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，需要更高層次的頂層設(shè)計和協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)地理、氣象、遙感、環(huán)境、國民經(jīng)濟(jì)等跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，驅(qū)動大數(shù)據(jù)時代生物多樣性研究的合作與發(fā)展，從而促進(jìn)交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域科學(xué)發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，構(gòu)建我國生物多樣性資源保護(hù)和生態(tài)格局，為保障國家生態(tài)安全做出努力。