外來入侵物種的大數(shù)據(jù)獲取及預(yù)測(cè)分析方法研究進(jìn)展

蘇夢(mèng)可,高靈旺

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,北京 100193)

根據(jù)國際植物檢疫措施標(biāo)準(zhǔn)(international standards for phytosanitary measures,ISPM)第5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《植物檢疫術(shù)語表》中的明確規(guī)定[1],外來入侵物種指其定殖或擴(kuò)散傷害植物或通過風(fēng)險(xiǎn)分析表明潛在傷害植物的外來物種?！渡锒鄻有怨s》(convention on biological diversity,CBD)將引入和/或擴(kuò)散威脅生物多樣性的外來物種定義為外來入侵物種[1]。國際自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)將對(duì)本土生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)或人類福祉產(chǎn)生負(fù)面影響的被引入其自然范圍之外的動(dòng)物、植物或其他生物稱為外來入侵物種[2]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化、世界一體化趨勢(shì)的不斷加強(qiáng),全球氣候的不斷變化,國際、國內(nèi)貿(mào)易往來和旅游業(yè)的不斷發(fā)展,使得某些物種可以通過多種方式由原發(fā)地移居到新的生存地,并自此定殖,穩(wěn)定棲息繁殖。外來入侵物種會(huì)破壞本地物種、群落的生存環(huán)境,對(duì)本地生態(tài)平衡造成嚴(yán)重的破壞以及成為生態(tài)多樣性喪失和物種滅絕最重要因素之一,同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)收入,威脅人類的健康[3-7]。福壽螺PomaceacanaliculataLamarck,來自于巴西亞馬遜河流域,曾作為高蛋白食物被引入亞洲[8],2003年及2012年,我國將福壽螺先后列入首批外來入侵物種名單以及國家重點(diǎn)管理外來入侵物種名錄[9]。福壽螺不僅危害生態(tài)環(huán)境,其作為多種寄生蟲的中間宿主,甚至?xí)?duì)人類生命健康產(chǎn)生威脅[10]。豚草AmbrosiaartemisiifoliaL.產(chǎn)自北美洲,20世紀(jì)30年代前以人為攜帶的方式傳入我國[11]。豚草嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全,其花粉更是花粉過敏癥的病原之一,危害人類生命健康,造成肺氣腫等病,損害勞動(dòng)能力,嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致病人出現(xiàn)心力衰竭[12]。美國白蛾HyphantriacuneaDrury發(fā)源于北美洲,1940年傳入歐洲,1979年傳入中國遼寧省丹東地區(qū)[13],給當(dāng)?shù)剞r(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)造成了重大經(jīng)濟(jì)損失,其幼蟲會(huì)侵入住戶家中化蛹,給人們的精神和生活帶來了很大的困擾[14]。還有素有“植物殺手”之稱的外來入侵雜草微甘菊MikaniamicranthaH.B.K,危害人類健康的外來入侵動(dòng)物紅火蟻SolenopsisinvictaBuren,危害松樹的紅脂大小蠹DendroctonusvalensLeConte等都是入侵我國且危害極大的外來物種。

入侵生物的傳播和擴(kuò)散過程是其產(chǎn)生危害最重要的過程,不負(fù)責(zé)任的人為因素、監(jiān)測(cè)管理機(jī)制不嚴(yán)格、檢疫體系不全面以及缺乏科學(xué)的外來入侵物種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)致部分外來物種成功入侵[15]。由此可見,在生產(chǎn)實(shí)踐中通過對(duì)入侵生物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,以便為生物入侵的控制及其管理提供依據(jù)是非常重要的[16]。數(shù)據(jù),這一概念早已滲透到當(dāng)今社會(huì)生活中的各行各業(yè)技術(shù)領(lǐng)域,作為國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源,已經(jīng)成為重要的生產(chǎn)因素[17-18]。在學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界,已經(jīng)對(duì)大數(shù)據(jù)形成了一個(gè)被大眾所廣泛接受的定義：大數(shù)據(jù)是指通過匯聚多種類型數(shù)據(jù)源,采用現(xiàn)代信息技術(shù)和構(gòu)架,從而能夠高速處理分析、具有高度的使用價(jià)值和決策支撐功能、擁有多種類型的數(shù)據(jù)及其技術(shù)的集成[19]。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比,大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類和來源多樣化、數(shù)據(jù)價(jià)值密度相對(duì)較低、速度快、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度高等5大主要特征[20],在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型方面作為發(fā)展新動(dòng)力,起到穩(wěn)步加快的作用。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)技術(shù)是通過數(shù)據(jù)庫分析工具處理數(shù)據(jù)規(guī)模相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),但無法處理海量數(shù)據(jù)以及圖像、聲音、文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。由于大數(shù)據(jù)規(guī)模和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等因素,需要用到大數(shù)據(jù)技術(shù)來分析大數(shù)據(jù)。其可在成本可接受的范圍內(nèi),進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、采集和分析,能夠在大量的數(shù)據(jù)中提取到真正有意義、有價(jià)值的信息[21]。大數(shù)據(jù)技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)訪問、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測(cè)和結(jié)果展示等8種技術(shù)[22]。與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法相比,大數(shù)據(jù)技術(shù)通過建立一個(gè)完整的機(jī)制,對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和觀察,可以得到完整的數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行全面的分析工作,精確度較高[23]。現(xiàn)如今,大數(shù)據(jù)技術(shù)早已廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

全球一體化的加速和國際貿(mào)易的開展,加劇了有害生物跨境傳播、擴(kuò)散和危害的風(fēng)險(xiǎn),外來入侵物種隨著貿(mào)易往來進(jìn)入我國的可能性逐步增加。2021年4月15日我國開始正式施行《中華人民共和國生物安全法》,確立了生物安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警制度等11項(xiàng)基本制度。因此要加強(qiáng)外來入侵物種防控管理,做好檢查監(jiān)測(cè)、入境檢疫、國內(nèi)防控等工作。2022年2月,國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃的通知》,要求建立和推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系[24-25]。如今,以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)等為代表的信息技術(shù)已經(jīng)深度融合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。隨著防控外來入侵物種積累的數(shù)據(jù)越來越多,將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)植物疫情防控工作至關(guān)重要。為提高外來入侵物種識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平,迫切需要信息化、大數(shù)據(jù)的支撐和助力,去應(yīng)對(duì)越來越多的數(shù)據(jù)信息[26]。本文對(duì)外來入侵物種的大數(shù)據(jù)獲取與預(yù)測(cè)分析方法進(jìn)行綜述,旨在為外來物種入侵早期預(yù)警和快速反應(yīng)提供信息技術(shù)支撐。

1 外來入侵物種大數(shù)據(jù)采集方法

外來入侵生物野外數(shù)據(jù)來源包括人工實(shí)地直接觀測(cè)和傳感器自動(dòng)記錄兩種。對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的觀測(cè)而言,人工實(shí)地觀測(cè)是經(jīng)典采集方法,靈活性較高,面對(duì)規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)、精度高的觀測(cè)需求以及惡劣的野外條件,人類身體條件會(huì)成為收集數(shù)據(jù)的限制因素。近年來,利用傳感器觀測(cè)生態(tài)系統(tǒng)并收集相關(guān)數(shù)據(jù)成為主要方式[16]。但由于外來入侵物種傳播和擴(kuò)散的影響因子較為復(fù)雜,調(diào)查過程中無法通過機(jī)器全自動(dòng)采集完成,人工實(shí)地觀測(cè)仍然是目前最主要的調(diào)查外來入侵物種的方法[27]。在數(shù)據(jù)信息高速發(fā)展的時(shí)代,應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)等現(xiàn)代化信息技術(shù)開發(fā)建立的外來入侵物種的大數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)入快速發(fā)展階段。

基于個(gè)人數(shù)字助理(personal digital assistant,PDA)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的外來入侵物種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[28],實(shí)現(xiàn)了對(duì)外來入侵物種的數(shù)據(jù)采集、匯總、儲(chǔ)存以及上傳等功能,大大提高了外來入侵物種數(shù)據(jù)采集工作的準(zhǔn)確性和時(shí)效性?；诜?wù)架構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)的Web GIS設(shè)計(jì)開發(fā)的中國外來入侵物種地理分布信息系統(tǒng)[29],實(shí)現(xiàn)了入侵生物發(fā)生數(shù)據(jù)的可視化和分析評(píng)估的圖形化,為中國外來入侵物種大范圍調(diào)查與研究協(xié)作提供數(shù)據(jù)管理與共享利用的工具。基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)、GIS和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的野外外來物種入侵大數(shù)據(jù)采集調(diào)查工具—農(nóng)林科學(xué)數(shù)據(jù)云采集平臺(tái)(簡(jiǎn)稱“云采集”)[27],在福建省紅火蟻疫情普查等項(xiàng)目中應(yīng)用,并根據(jù)實(shí)際工作需要,在福建、廣西、云南、新疆、北京等省市自治區(qū)開展了100多個(gè)入侵生物大數(shù)據(jù)野外調(diào)查的應(yīng)用試驗(yàn)。提高了外來入侵物種野外調(diào)查數(shù)據(jù)的質(zhì)量和檢疫工作效率?；诖髷?shù)據(jù)的外來入侵物種的數(shù)據(jù)采集技術(shù)通過收集入侵物種的信息,實(shí)時(shí)定位,實(shí)地拍攝物種生境情況,將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄從紙質(zhì)記載變?yōu)榫珳?zhǔn)的數(shù)據(jù)庫記載,提高了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的準(zhǔn)確性,為外來物種入侵的野外調(diào)查大數(shù)據(jù)采集提供了信息化支持。

2 外來入侵生物數(shù)據(jù)庫

ISPM第5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定,有害生物記錄是指提供有關(guān)在所述情況下特定有害生物在特定時(shí)間、某個(gè)地區(qū)(通常是一個(gè)國家)內(nèi)存在或不存在的文件[1]。《生物多樣性公約》呼吁“匯編和傳播關(guān)于威脅生態(tài)系統(tǒng)、棲息地或物種的外來物種的信息,用于任何預(yù)防、引入和緩解活動(dòng)”[30]。數(shù)以萬計(jì)的數(shù)據(jù)庫現(xiàn)已用于商業(yè)管理、政府管理、科學(xué)數(shù)據(jù)管理等許多其他領(lǐng)域[31]。在動(dòng)植物疫情防控領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)踐活動(dòng)中經(jīng)常需要查詢特定有害生物的相關(guān)信息,而互聯(lián)網(wǎng)或紙質(zhì)資料中記錄的信息較為分散,不同來源的信息質(zhì)量不盡相同,數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、標(biāo)準(zhǔn)化程度存在差異,使得在查詢時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,工作效率較低。針對(duì)這一情況,一些國家或機(jī)構(gòu)開發(fā)了在線的共享數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站,方便使用者查詢相關(guān)信息,提高工作效率[32]。數(shù)據(jù)庫是“根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉庫”。它是長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的、可共享的、統(tǒng)一組織和管理的大數(shù)據(jù)的集合[33]。建立入侵生物數(shù)據(jù)庫,是通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步探索生物入侵的發(fā)生規(guī)律,進(jìn)而預(yù)測(cè)生物入侵的可能性及其擴(kuò)散規(guī)律,從而為入侵機(jī)制研究、疫情防控等提供信息技術(shù)支持[34]。面對(duì)日漸嚴(yán)峻的外來物種入侵,構(gòu)建基于植物檢疫的大數(shù)據(jù)平臺(tái),需要充分利用各種資源,不斷充實(shí)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與發(fā)展[34]。截至目前,國內(nèi)外已成功開發(fā)多個(gè)外來入侵生物數(shù)據(jù)庫[32,36-37]。

2.1 國內(nèi)數(shù)據(jù)庫

中國外來入侵物種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(http:∥www.chinaias.cn/wjpart/index.aspx)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所建設(shè)。該數(shù)據(jù)庫包含中國外來入侵物種地理分布信息系統(tǒng)、中國外來入侵物種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、外來入侵物種野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、外來入侵物種安全性評(píng)價(jià)系統(tǒng)、中國主要外來入侵昆蟲DNA條形碼識(shí)別系統(tǒng)和中國重大外來入侵昆蟲遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng),是我國入侵物種種類最齊全、信息量最大的權(quán)威網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái),包括754種入侵生物、2 773張物種圖片,管理和發(fā)布外來入侵物種相關(guān)數(shù)據(jù)信息,為相關(guān)人員提供了外來入侵物種信息交流和科普宣傳的信息化平臺(tái)。

中國國家有害生物檢疫信息系統(tǒng)(http:∥www.pestchina.com)是由海關(guān)總署動(dòng)植物檢疫司、進(jìn)出口食品安全局與標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)研究中心共同開發(fā)建設(shè)。該系統(tǒng)由有害生物信息系統(tǒng)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)信息系統(tǒng)、有害生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)和有害生物檢疫信息系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)和有害生物檢疫信息系統(tǒng)不對(duì)外開放。該系統(tǒng)在動(dòng)植物檢疫、植物保護(hù)和有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析方面提供了準(zhǔn)確有力的信息支持和技術(shù)服務(wù),真正實(shí)現(xiàn)了信息資源的整合與共享。

動(dòng)植物檢驗(yàn)檢疫信息資源共享服務(wù)平臺(tái)(http:∥info.apqchina.org)是由中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院建設(shè)。該平臺(tái)包括疫情動(dòng)態(tài)、口岸截獲、有害生物和風(fēng)險(xiǎn)分析等7個(gè)模塊,但該數(shù)據(jù)庫不對(duì)外開放,需要用戶權(quán)限才可以使用。擁有該平臺(tái)權(quán)限的使用者經(jīng)常通過最新有害植物截獲、有害生物查詢和進(jìn)境檢疫要求等模塊查詢并獲取相關(guān)信息。

中國外來入侵物種信息系統(tǒng)(http:∥www.iplant.cn/ias/)是由中國科學(xué)院植物研究所建設(shè)。該系統(tǒng)包括入侵名錄、圖像識(shí)別、DNA條形碼、入侵動(dòng)態(tài)、政策法規(guī)和參考論著6個(gè)模塊。入侵名錄模塊包括中國入侵植物名錄、中國自然生態(tài)系統(tǒng)外來入侵物種、農(nóng)業(yè)重大外來入侵生物、國家重點(diǎn)管理外來入侵物種記錄(第一批)、生物入侵：中國外來入侵植物圖鑒。該系統(tǒng)為我國防范植物疫情提供了信息支持和技術(shù)服務(wù)。但是該數(shù)據(jù)庫截至2019年就沒有發(fā)布任何入侵動(dòng)態(tài)相關(guān)信息,數(shù)據(jù)需要及時(shí)更新。

2.2 國際數(shù)據(jù)庫

國際自然保護(hù)聯(lián)盟入侵生物專家組(IUCN Invasive Species Specialist Group,IUCN ISSG)研發(fā)了全球入侵物種數(shù)據(jù)庫(Global Invasive Species Database,GISD,http:∥www.iucngisd.org/gisd)。在該數(shù)據(jù)庫中檢索某一物種,可以得到其生態(tài)學(xué)信息、地理分布信息、生活史信息、危害影響以及針對(duì)該物種的管理措施等。該數(shù)據(jù)庫還有一個(gè)特色功能,即提供全球100種最危險(xiǎn)的入侵生物的相關(guān)信息。

國際農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)研究中心(Centre for Agriculture and Biosciences International,CABI)研發(fā)了CABI-ISC(CABI-Invasive Species Compendium,http:∥www.cabi.org/isc)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫記錄了威脅全球生計(jì)和環(huán)境的入侵物種,匯集了不同類型廣泛的基礎(chǔ)科學(xué)信息,以支持全球入侵物種管理決策。在該數(shù)據(jù)庫中檢索某一外來入侵物種,可以得到其地理分布信息、形態(tài)特征信息、針對(duì)其提出的管理措施等。

歐洲和地中海國家植物保護(hù)組織(European and Mediterranean Plant Protection Organization,EPPO,https:∥www.eppo.int/index)是運(yùn)用國家戰(zhàn)略來防止對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境構(gòu)成威脅的有害生物的引入和傳播,并通過推廣安全有效的有害生物防治方法來保護(hù)植物的組織。EPPO開發(fā)了EPPO Global Database(EPPO GD,https:∥gd.eppo.int/)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫旨在收集所有由EPPO制作或匯編的特定有害生物信息,包含植物和害蟲的學(xué)名和通用名稱,以及他們相關(guān)的EPPO代碼、EPPO數(shù)據(jù)集、EPPO標(biāo)準(zhǔn)、地理分布信息、寄主植物名錄和圖片。

3 外來入侵物種的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與分析方法

大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)作為大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心是用已有數(shù)據(jù)建立的模型去預(yù)測(cè)未來某一事件的可能發(fā)生程度,并且據(jù)此進(jìn)行一定程度上的人為干預(yù),使得未來這一事件向理想的方向發(fā)展的技術(shù)[38]。

ISPM第5號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定[1],檢疫性有害生物風(fēng)險(xiǎn)包括其傳入和擴(kuò)散的可能性及相關(guān)的潛在經(jīng)濟(jì)影響程度。檢疫性有害生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指對(duì)檢疫性有害生物傳入和擴(kuò)散的可能性及相關(guān)的潛在經(jīng)濟(jì)影響程度進(jìn)行評(píng)估,為后續(xù)的分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。CBD將利用科學(xué)資料對(duì)外來物種的引入的影響和定殖可能性進(jìn)行的評(píng)估稱為風(fēng)險(xiǎn)分析[1]。

隨著全球合作的加深,外來入侵物種不僅影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境治理,甚至造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,在針對(duì)外來入侵物種的防控管理中,加強(qiáng)對(duì)有害生物的風(fēng)險(xiǎn)分析是至關(guān)重要的。

3.1 預(yù)測(cè)潛在地理分布

預(yù)測(cè)某一物種的潛在地理分布是有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析的重要組成之一。潛在地理分布的預(yù)測(cè)是指通過有害生物的分布信息、生物學(xué)信息以及氣候地理數(shù)據(jù)等一系列信息,預(yù)測(cè)目標(biāo)有害生物在所研究地區(qū)的適生范圍以及適生程度[39]。在以往有害生物潛在地理分布的大量研究中,生態(tài)位模型占據(jù)主導(dǎo)地位。生態(tài)位模型是利用某一物種的已知分布數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境變量來判斷其生態(tài)需要,預(yù)測(cè)其在不同時(shí)空中的實(shí)際分布和潛在分布[40]。近年來有很多用于預(yù)測(cè)有害生物潛在地理分布的模型,較為常用的有地點(diǎn)比較模型CLIMEX[41],生態(tài)位因子分析模型DIVA GIS,基于遺傳算法的規(guī)則組合預(yù)測(cè)模型GARP[42]以及最大熵模型MaxEnt[43]。其中DIVA GIS包括基于環(huán)境包絡(luò)理論的BIOCLIM模型[44]和DOMAIN模型[45]。不同的生態(tài)位模型的適應(yīng)性會(huì)根據(jù)所選物種的差異而有所不同,同一物種的分布數(shù)據(jù)應(yīng)用于不同的模型,結(jié)果也不盡相同[46-47]。在Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索關(guān)鍵字“ecological niche models”,在結(jié)果中分別檢索上述模型,結(jié)果表明現(xiàn)在被廣泛使用的是MaxEnt生態(tài)位模型。

國外學(xué)者利用MaxEnt模型預(yù)測(cè)了近期入侵印度中部半島各州的南美番茄潛葉蛾TutaabsolutaMeyrick在印度的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)及其在印度的適生區(qū)[48];基于MaxEnt生態(tài)位模型和ArcGIS預(yù)測(cè)了草地貪夜蛾SpodopterafrugiperdaJ.E.Smith在中亞地區(qū)的潛在地理分布[49]。

目前,我國學(xué)者基于MaxEnt生態(tài)位模型和GIS空間分析技術(shù)預(yù)測(cè)了馬纓丹LantanacamaraL.在我國的適生區(qū)[50]；基于MaxEnt和Arc GIS軟件預(yù)測(cè)了獼猴桃潰瘍病菌Pseudomonassyringaepv.actinidiaeTakikawa 在四川的適生區(qū)[51];基于MaxEnt和SDMtoolbox工具預(yù)測(cè)了番茄潛葉蛾TutaabsolutaMeyrick在我國的適生區(qū)[52]。

3.2 預(yù)測(cè)定殖的可能性

在評(píng)估有害生物定殖可能性方面,要綜合考慮有害生物可靠準(zhǔn)確的生物信息,如生命周期、寄主范圍、繁殖對(duì)策等信息,還要考慮有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析區(qū)的環(huán)境適宜性、栽培技術(shù)和防治措施[53]。有害生物入侵后定殖可能性分析,是有害生物風(fēng)險(xiǎn)分析的重要內(nèi)容[54]。這就要求從已有的數(shù)據(jù)中挖掘到有用的數(shù)據(jù)信息用于預(yù)測(cè)定殖的可能性。數(shù)據(jù)挖掘是發(fā)現(xiàn)知識(shí)的一種手段,是從數(shù)據(jù)中提取隱含的且先前未知的和潛在作用的信息的過程[30]。數(shù)據(jù)聚類是數(shù)據(jù)挖掘的重要技術(shù)之一[55-56],是根據(jù)數(shù)據(jù)的相似程度把數(shù)據(jù)劃分為不同的聚合類群,在一個(gè)聚合類群中的相似性很高,不同聚合類群之間的相似度很低?；诰垲愒丶訖?quán)分析的方法調(diào)查一個(gè)區(qū)域的昆蟲物種組合,可以表明新害蟲入侵的風(fēng)險(xiǎn),這為外來物種造成的潛在入侵風(fēng)險(xiǎn)分析提供了改進(jìn)工具[57]。聚類分析方法包括自組織映射(SOM)、k均值聚類法、層次聚類法等,其中SOM廣泛應(yīng)用于生物入侵定殖可能性的評(píng)估[54,58]。如運(yùn)用SOM工具分析全球486種廣泛分布的真菌病原體,證明SOM非常有效,可以被世界各地的生物安全機(jī)構(gòu)所使用,從而更好地全面評(píng)估外來物種的入侵風(fēng)險(xiǎn)[59];通過使用專家評(píng)估法和SOM聚類分析方法有效地篩選了植物檢疫性有害生物名單[60];基于SOM聚類分析方法研究了重要經(jīng)濟(jì)實(shí)蠅在全球的定殖風(fēng)險(xiǎn)[61],并指出在中國、美國、南非、阿根廷、意大利和澳大利亞6個(gè)國家定殖可能性最高的實(shí)蠅物種,從而證明SOM分析可以進(jìn)行潛在入侵生物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,排列出一個(gè)潛在生物入侵風(fēng)險(xiǎn)名單,可用于有害生物的初步篩查以及外來入侵物種的早期預(yù)警。

3.3 定量預(yù)測(cè)潛在經(jīng)濟(jì)損失

評(píng)估某一有害生物在我國可能造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失可以在防范外來生物入侵方面發(fā)揮極其重要的作用。目前,對(duì)有害生物進(jìn)行潛在經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估的方法主要有兩種。一是利用生態(tài)位模型與ArcGIS結(jié)合預(yù)測(cè)該有害生物的潛在地理分布范圍,然后構(gòu)建潛在損失估算模型評(píng)估其對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)能夠造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失。如使用GARP生態(tài)位模型結(jié)合ArcGIS柵格數(shù)據(jù)圖成功預(yù)測(cè)了尚未入侵我國的油菜莖基潰瘍病在我國的適生區(qū),并構(gòu)建潛在損失估算模型,評(píng)估了其對(duì)我國油菜生產(chǎn)造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失[62]。二是基于隨機(jī)模型利用@RISK軟件對(duì)某一有害生物造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行預(yù)測(cè)。@RISK軟件是基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法,構(gòu)建不同場(chǎng)景下潛在經(jīng)濟(jì)損失模型,模擬有害生物潛在經(jīng)濟(jì)損失的軟件[54]。Taylor等[63]使用該軟件評(píng)估了葡萄霜霉病菌Plasmoparaviticola(Berk.&Curt.) Berl.&.de Toni給西澳大利亞葡萄栽培產(chǎn)業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。目前應(yīng)用@RISK軟件評(píng)估入侵生物造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失已有許多報(bào)道,如草地貪夜蛾、瓜實(shí)蠅ZeugodacuscucurbitaeCoquillett、小麥印度腥黑穗病菌TilletiaindicaMitra[64-66]等。

4 展望

研發(fā)和完善數(shù)據(jù)庫離不開數(shù)據(jù)的支持,建立入侵物種相關(guān)的數(shù)據(jù)庫需要大量的入侵物種的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這就要求學(xué)者們?cè)诮窈蟮难芯恐邢嗷ズ献?共享數(shù)據(jù),建立全面、標(biāo)準(zhǔn)一致、更新及時(shí)、數(shù)據(jù)來源準(zhǔn)確的生物入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫[35-37]。在查閱文獻(xiàn)以及瀏覽主要數(shù)據(jù)庫時(shí),發(fā)現(xiàn)有些數(shù)據(jù)庫,如中國外來入侵物種數(shù)據(jù)庫對(duì)一般用戶不開放,使得用戶不能在該數(shù)據(jù)庫查詢信息。今后,應(yīng)該將數(shù)據(jù)庫中記載的信息在最大程度上實(shí)現(xiàn)全民共享,使得使用者可以在第一時(shí)間了解到最新的動(dòng)植物疫情相關(guān)的信息。

建立外來入侵物種大數(shù)據(jù)平臺(tái),不僅能夠整合國內(nèi)外動(dòng)植物疫情發(fā)生發(fā)展等數(shù)據(jù),還可以利用現(xiàn)代化信息分析技術(shù)優(yōu)化資源,同時(shí)也能更好地為檢驗(yàn)檢疫和其他領(lǐng)域開展工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[26]。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的發(fā)展,構(gòu)建植物檢疫預(yù)警大平臺(tái)越來越離不開大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持。要發(fā)展外來入侵物種的數(shù)據(jù)采集技術(shù),完善針對(duì)入侵生物的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。不同外來入侵物種的分布模式、所處環(huán)境不同，因此要選擇影響物種分布的關(guān)鍵環(huán)境變量和相對(duì)準(zhǔn)確的模型來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。這就意味著要有一定量精確又有代表性的地理分布點(diǎn)數(shù)據(jù),要充分了解該物種的生物學(xué)以及生態(tài)學(xué)特性,并結(jié)合多種模型,綜合考慮其他因素,從而得到相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)[47]。伴隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入發(fā)展,理應(yīng)在針對(duì)外來入侵物種的檢驗(yàn)檢測(cè)與防控工作中運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù),充分合理利用檢疫過程中積累的數(shù)據(jù),在對(duì)外來入侵物種的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)預(yù)警及其后期檢測(cè)工作方面提供足夠的信息技術(shù)支持。