貴州省河谷型村鎮(zhèn)建設(shè)中外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042

2.貴州茅臺(tái)酒股份有限公司, 貴州 仁懷 564501

村鎮(zhèn)建設(shè)和國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的外來(lái)植物配置，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全和人居環(huán)境健康至關(guān)重要. 外來(lái)入侵植物會(huì)在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，進(jìn)而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程[1]. 長(zhǎng)江支流赤水河流域中上游是長(zhǎng)江流域生態(tài)屏障的組成部分[2]. 2000年以來(lái)，赤水河流域生態(tài)保護(hù)和河谷兩岸林草生態(tài)工程建設(shè)在強(qiáng)調(diào)鄉(xiāng)土物種的同時(shí)，城鎮(zhèn)園林綠化也引進(jìn)了大量外來(lái)植物. 2018年，貴州省林業(yè)局發(fā)布貴州省林業(yè)有害植物的發(fā)生情況，發(fā)現(xiàn)林業(yè)入侵有害植物主要為紫莖澤蘭和飛機(jī)草，發(fā)生面積可達(dá)13.9×104畝[3]，威脅著區(qū)域的生態(tài)平衡和生物安全.

目前，關(guān)于外來(lái)植物的研究主要集中在物種組成、入侵途徑、植物區(qū)系和生物入侵的危害與管理等方面[4-6]，關(guān)于外來(lái)植物分布的影響因子和入侵植物的危害性評(píng)估研究較少. 在村鎮(zhèn)綠色生態(tài)建設(shè)過(guò)程中，如果忽視了鄉(xiāng)土植物的生態(tài)價(jià)值，不恰當(dāng)?shù)匾M(jìn)外來(lái)植物，不僅會(huì)造成生物入侵和環(huán)境危害、壓縮鄉(xiāng)土物種的分布空間，而且會(huì)導(dǎo)致生物多樣性[7]和主導(dǎo)生態(tài)功能喪失[8-9]，對(duì)人居環(huán)境健康產(chǎn)生不利影響. 因此，摸清赤水河流域村鎮(zhèn)建設(shè)中外來(lái)植物的物種組成、影響因子及入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)村鎮(zhèn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控和人居環(huán)境健康具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省某河谷型村鎮(zhèn)(106°22′E、27°51′N)地處赤水河中上游河流谷地，屬水源涵養(yǎng)重要生態(tài)功能區(qū). 面積為225.1 km2，轄6個(gè)社區(qū)、22個(gè)行政村. 海拔范圍400～800 m，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫17.7 ℃，夏季長(zhǎng)達(dá)半年之久，冬季無(wú)霜期長(zhǎng)，溫差小，無(wú)霜期359 d，年均降雨量926.1 mm. 土壤類型復(fù)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(shè)與調(diào)查

2019年7月，結(jié)合《中國(guó)植被類型圖》(1∶100萬(wàn))，在對(duì)該河谷型村鎮(zhèn)植被分布進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)上，通過(guò)遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析功能，篩選不同植被類型的調(diào)查樣地，采取樣方與線路相結(jié)合的方法，進(jìn)行外來(lái)植物樣地調(diào)查.

針對(duì)不同海拔梯度(300～500、500～700、700～900 m)，在該河谷型村鎮(zhèn)建成區(qū)和非建成區(qū)選擇了41個(gè)樣點(diǎn)(記為P1～P41)和8條線路(記為L(zhǎng)1～L8)(見(jiàn)圖1)，建成區(qū)的海拔為389～672 m，非建成區(qū)海拔為384～810 m. 其中線路均分布在建成區(qū)，長(zhǎng)度為300～500 m. 根據(jù)地形、生境類型等實(shí)際情況布設(shè)樣方：大范圍樣地選擇布設(shè)100 m×100 m的樣方，將其劃分為20 m×20 m的相鄰格子進(jìn)行喬木調(diào)查，并在格子內(nèi)劃分為10 m×10 m、1 m×1 m的小樣方進(jìn)行灌木和草本調(diào)查；小范圍樣地則選擇布設(shè)20 m×20 m的樣方進(jìn)行喬木調(diào)查，并劃分為10 m×10 m、1 m×1 m的小樣方進(jìn)行灌木和草本調(diào)查[10].

圖1 研究區(qū)及野外調(diào)查樣點(diǎn)和線路分布

每個(gè)樣方和線路的記錄數(shù)據(jù)包括：經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡度、植物名稱、株數(shù)、多度和蓋度，重點(diǎn)調(diào)查建成區(qū)和非建成區(qū)高等植物的種類和地理分布.

1.3 分析方法

1.3.1入侵強(qiáng)度分析

根據(jù)《中國(guó)外來(lái)入侵植物名錄》[11]中的外來(lái)入侵植物等級(jí)，計(jì)算各樣點(diǎn)外來(lái)植物的入侵強(qiáng)度.

(1)

式中，II為樣點(diǎn)入侵強(qiáng)度，GR為入侵等級(jí).

1.3.2分布特征分析

選取外來(lái)植物種數(shù)、入侵強(qiáng)度、鄉(xiāng)土植物種數(shù)、鄉(xiāng)土優(yōu)勢(shì)植物種數(shù)、海拔、坡度和坡向7個(gè)因子，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析. 運(yùn)用軟件R 3.6.0的增強(qiáng)回歸樹(shù)(boosted regression tree, BRT)模型分析不同影響因子對(duì)外來(lái)植物種數(shù)的影響程度. 生態(tài)建模參數(shù)設(shè)置：樹(shù)復(fù)雜性(tree complexity)設(shè)為5，學(xué)習(xí)速率(learning rate)為0.001，袋分?jǐn)?shù)(bag fraction)為0.7.

1.3.3入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析

參考國(guó)內(nèi)關(guān)于外來(lái)物種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的評(píng)估方法與真實(shí)案例[12-14]，采用層次分析法(analysis hierarchy process，AHP)構(gòu)建外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系(見(jiàn)表1). 利用專家咨詢法，確定5個(gè)一級(jí)指標(biāo)(總目標(biāo)指標(biāo)層)、13個(gè)二級(jí)指標(biāo)(分目標(biāo)指標(biāo)層)、39個(gè)三級(jí)指標(biāo)(操作性指標(biāo)層)，根據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)際調(diào)查結(jié)果，主要從外來(lái)物種的環(huán)境適應(yīng)性、入侵史、生物學(xué)特性及危害性等進(jìn)行綜合評(píng)估.

表1 外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

運(yùn)用AHP計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)專家咨詢法確定判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，用特征向量法計(jì)算權(quán)重向量，確定外來(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中的權(quán)重系數(shù)，按權(quán)重對(duì)各級(jí)指標(biāo)賦予不同分值. 該評(píng)估體系總分為100分，上層指標(biāo)得分為下一層指標(biāo)所得分?jǐn)?shù)的總和. 根據(jù)外來(lái)植物的基本特征和危害程度等實(shí)際情況，確定每個(gè)外來(lái)植物在操作性指標(biāo)層的得分.

根據(jù)入侵現(xiàn)狀，結(jié)合綜合評(píng)估所得分值(R)來(lái)劃定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：若R≥39，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)，應(yīng)高度重視，加強(qiáng)對(duì)外來(lái)入侵植物的管控；若32≤R<39，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)，但需采取相應(yīng)的防范措施；若R<32，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)較低，可暫時(shí)不予處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 外來(lái)植物組成

實(shí)地調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析顯示，該典型村鎮(zhèn)植物豐富，共發(fā)現(xiàn)植物276種，隸屬于99科230屬. 由表2可見(jiàn)，外來(lái)植物共計(jì)37種，隸屬于18科32屬，占調(diào)查獲取植物總數(shù)的13.41%. 外來(lái)入侵等級(jí)為1級(jí)的有11種(編號(hào)為S1～S11)，占外來(lái)植物總數(shù)的29.73%. 外來(lái)植物中菊科種類(13種)最多且分布廣泛，主要集中在建成區(qū)，占外來(lái)植物總數(shù)的35.14%. 外來(lái)植物中有22種來(lái)源于美洲，物種編號(hào)為S1～S4、S6～S11、S16～S19和S24～S32. 外來(lái)植物中草本植物種數(shù)最多，占64.86%，其中有害植物17種，占49.95%. 外來(lái)植物中灌木和藤本植物較少，無(wú)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(lái)植物的基本情況

2.2 外來(lái)植物的分布特征

如表3所示，外來(lái)植物種數(shù)與入侵強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，隨著樣點(diǎn)外來(lái)植物種數(shù)的增加，入侵強(qiáng)度也隨之增大. 外來(lái)植物種數(shù)與海拔、鄉(xiāng)土植物種數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，即隨著海拔的升高，外來(lái)植物種數(shù)逐漸減少，鄉(xiāng)土植物種數(shù)逐漸增加. 鄉(xiāng)土優(yōu)勢(shì)植物種數(shù)與入侵強(qiáng)度呈顯著相關(guān)(P<0.05). 外來(lái)植物種數(shù)與坡度、坡向之間的相關(guān)性不顯著. 植物種數(shù)的變化與海拔密切相關(guān).

表3 外來(lái)植物種數(shù)與影響因子的相關(guān)性分析

如圖2、3所示，對(duì)外來(lái)植物種數(shù)影響最大的是海拔，其貢獻(xiàn)率為68.7%：其次是入侵強(qiáng)度和鄉(xiāng)土植物種數(shù)，二者產(chǎn)生的貢獻(xiàn)率分別為12.4%和9.6%；坡向和坡度對(duì)入侵植物種數(shù)的影響相差不大，貢獻(xiàn)率分別為5.3%、3.0%；影響程度最小的是鄉(xiāng)土優(yōu)勢(shì)植物種數(shù)，貢獻(xiàn)率僅為0.9%. 海拔在400～500 m范圍內(nèi)時(shí)與外來(lái)植物種數(shù)呈負(fù)相關(guān)，入侵強(qiáng)度在5～15范圍內(nèi)時(shí)與外來(lái)植物種數(shù)呈顯著正相關(guān)，鄉(xiāng)土植物種數(shù)為10～22種時(shí)，隨著鄉(xiāng)土植物種數(shù)的不斷增加，外來(lái)植物種數(shù)逐漸減小.

注： 括號(hào)內(nèi)為各影響因子的貢獻(xiàn)率，縱軸表示經(jīng)過(guò)中心化處理后的應(yīng)變量，數(shù)值無(wú)具體含義，僅表示隨影響因子變化的趨勢(shì).

圖3 外來(lái)植物種數(shù)的影響因子貢獻(xiàn)率

由圖4可見(jiàn)，外來(lái)植物可為3類： ①A類，分布跨度大，在海拔400～810 m內(nèi)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(lái)植物在海拔550 m左右分布數(shù)量較多.

注： 物種編號(hào)對(duì)應(yīng)的外來(lái)植物名稱見(jiàn)表2.

2.3 外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

由表4可見(jiàn)，在37種外來(lái)植物中，入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)的有13種，占35.10%；入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中級(jí)的有14種，占35.14%；入侵風(fēng)險(xiǎn)為低級(jí)的植物有10種，占27.03%. 外來(lái)入侵風(fēng)險(xiǎn)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(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

續(xù)表4

13種入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)的外來(lái)植物中，有11種分布在建成區(qū)，9種分布在非建成區(qū). 其中，在建成區(qū)和非建成區(qū)均有分布的外來(lái)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(duì)生物多樣性保護(hù)和人居環(huán)境健康造成嚴(yán)重影響[15-16]，是村鎮(zhèn)綠色生態(tài)建設(shè)需要高度重視的問(wèn)題之一[17]. 該河谷型村鎮(zhèn)64.7%的外來(lái)植物起源于美洲，可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，與美洲氣候特征相似[18-19]；外來(lái)植物中，35.1%為菊科，菊科是我國(guó)入侵植物種類最多的類群之一，陳新微等[20]研究發(fā)現(xiàn)，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(biāo)和能量利用指標(biāo)，使得外來(lái)植物在入侵過(guò)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(kuò)散的生物學(xué)特征[21].

該河谷型村鎮(zhèn)建成區(qū)主要在海拔較低的赤水河谷地，呈現(xiàn)沿河谷上下游和左右岸延伸的空間格局. 外來(lái)植物種數(shù)呈隨海拔升高而減少的趨勢(shì)，這與王蘇銘等[10]的研究結(jié)果一致，在海拔較低的建成區(qū)，土地利用類型的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致生境破碎化，從而使得一些外來(lái)植物會(huì)通過(guò)邊緣向內(nèi)部入侵[22]. 研究表明，該河谷型村鎮(zhèn)外來(lái)植物主要分布在海拔400～650 m之間，這是由于建成區(qū)的園林綠化和生態(tài)景觀建設(shè)使得該海拔段的生境破碎化程度較高，同時(shí)伴隨不恰當(dāng)?shù)匾N，造成了外來(lái)植物的入侵. 目前該小鎮(zhèn)雖僅發(fā)現(xiàn)貴州省林業(yè)局發(fā)布的有害植物中的紫莖澤蘭[23]，但紫莖澤蘭生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)，化感作用強(qiáng)烈，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤養(yǎng)分[24]都可能帶來(lái)影響和破壞，且在該小鎮(zhèn)的入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已經(jīng)為高級(jí). 外來(lái)植物多樣性與本土植物之間的關(guān)系可能與研究尺度有關(guān)[25]，在群落尺度上，鄉(xiāng)土植物會(huì)對(duì)外來(lái)植物有“抵抗能力”，所以外來(lái)植物與鄉(xiāng)土植物呈負(fù)相關(guān). 相關(guān)研究表明，外來(lái)植物的分布與人類干擾強(qiáng)度有關(guān)，旅游開(kāi)發(fā)、貿(mào)易往來(lái)和生態(tài)修復(fù)均可能加劇生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[26-27]，進(jìn)而從生態(tài)位上對(duì)鄉(xiāng)土植物和區(qū)域生態(tài)安全造成危害[28]. 因此，在“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居”鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施中，村鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃和國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)要合理開(kāi)發(fā)利用鄉(xiāng)土植物資源，應(yīng)加大對(duì)鄉(xiāng)土植物的研究和繁育[29-30]，降低城市園林綠化帶來(lái)的外來(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn).

外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是生物入侵防控政策制定的基礎(chǔ)和前提[31]. 該河谷型村鎮(zhèn)37種外來(lái)植物中有35.1%的外來(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)，這類植物生境適宜性較強(qiáng)，部分外來(lái)植物(如反枝莧、三葉鬼針草等)能夠同時(shí)適應(yīng)干、濕兩種生境，具有較強(qiáng)的定居能力，這和任穎等[32]的研究結(jié)果相似. 該小鎮(zhèn)入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)的13種外來(lái)植物中，在建成區(qū)發(fā)現(xiàn)11種，非建成區(qū)發(fā)現(xiàn)9種，在建成區(qū)和非建成區(qū)之間的差別不大，可能是由于人類活動(dòng)和植物本身的易傳播性已造成外來(lái)植物的充分?jǐn)U散[33]. 吳曉雯等[34-35]認(rèn)為，人類活動(dòng)強(qiáng)度是決定外來(lái)入侵植物種數(shù)的關(guān)鍵，隨著赤水河流域旅游資源的開(kāi)發(fā)和釀酒業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)強(qiáng)度將不斷增加，著眼于區(qū)域生態(tài)安全和高質(zhì)量發(fā)展的需求，建議做好以下工作：①嚴(yán)格控制已有外來(lái)植物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[36]. 生長(zhǎng)在城鎮(zhèn)非建成區(qū)的外來(lái)植物，根據(jù)外來(lái)植物的入侵等級(jí)和分布情況進(jìn)行有效防疫. 可采用鄉(xiāng)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(lái)植物的萌發(fā)[37]. 對(duì)于大面積暴發(fā)、入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)的外來(lái)植物，采用機(jī)械或化學(xué)的方法，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理，及時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理與利用. ②積極開(kāi)發(fā)和培育鄉(xiāng)土植物，在村鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)過(guò)程中，積極引導(dǎo)鄉(xiāng)土植物和地帶性植物的篩選，加強(qiáng)外來(lái)植物檢疫工作，控制外來(lái)植物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)與主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)相一致的村建綠色生態(tài)建設(shè)模式.

4 結(jié)論

a) 該河谷型村鎮(zhèn)共發(fā)現(xiàn)外來(lái)植物37種，隸屬于18科32屬，有24種來(lái)源于美洲. 外來(lái)植物中以菊科植物種數(shù)最多，有13種，其中草本植物種數(shù)最多，占64.86%.

b) 外來(lái)植物種數(shù)與海拔、鄉(xiāng)土植物種數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與入侵強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān). 對(duì)外來(lái)植物種數(shù)影響最大的是海拔，其貢獻(xiàn)率為68.7%，其次是入侵強(qiáng)度和鄉(xiāng)土植物種數(shù)，二者貢獻(xiàn)率分別為12.4%和9.6%. 由于海拔較低的位置主要為建成區(qū)，人類活動(dòng)和物種擴(kuò)散強(qiáng)度較大，大部分外來(lái)植物分布在400～650 m的低海拔段.

c) 對(duì)該河谷型村鎮(zhèn)外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，外來(lái)植物入侵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高級(jí)的植物種類為13種，占35.1%，有11種分布在建成區(qū)、9種分布在非建成區(qū). 外來(lái)入侵風(fēng)險(xiǎn)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(tài)景觀建設(shè)和旅游開(kāi)發(fā)等不恰當(dāng)?shù)匾M(jìn)外來(lái)物種行為會(huì)造成生物入侵，村鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃和國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)應(yīng)高度重視外來(lái)植物的引進(jìn)，合理開(kāi)發(fā)利用鄉(xiāng)土植物資源，減少外來(lái)植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)危害.