有害生物风险分析方法综述

吴 磊，黄成林，汪小飞

（1.安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥230036;2.黄山学院 教务处，安徽 黄山 245041）

有害生物风险分析方法综述

吴 磊1，黄成林1，汪小飞2

（1.安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥230036;2.黄山学院 教务处，安徽 黄山 245041）

在对有害生物风险分析的研究进展进行综述的基础上，重点归纳分析了农业气候相似距法、CLIMEX模型方法、Maxent模型方法、GARP模型方法、德尔菲法、层次分析法和模糊分析法等目前国内外在外来生物风险分析中常用的技术方法，概述了各个评估方法的含义并指出国内目前外来物种风险分析存在的不足，并对其研究应用的前景进行了展望。

外来物种；风险分析；方法

近几个世纪，随着人类贸易、运输、旅游等交通的发展。外来物种（alien species）突破自然界的隔离屏障如山脉、河流、沙漠、海洋等进入新的生态系统的几率越来越大。虽然并非所有的外来物种都能成功地扩散到当地的自然界成为归化物种（naturalized species），进而成为对当地生态有破坏力的外来入侵物种（invasive alien species），但一旦生长难以控制形成入侵物种，将会造成严重的生物污染，对生态系统造成不可逆转的破坏。据国家环保总局统计显示至2003年底，全国共有283种外来入侵物种，其中包括世界自然保护联盟（IUCN）公布的全球最具威胁的外来入侵物种约50种，每年对经济和环境造成损失约1200亿元，现在损失已高达2000亿元。这些外来入侵物种中，已有46.3%入侵自然保护区。为此国内许多学者对生物入侵开展了大量的研究，特别是关于外来入侵植物，形成了许多新理论、新成果。本文从有害生物风险评估方面对国内外该领域的研究进行总结和展望。

1 发展简史

某一物种从原产地到达非原产地，就会带来新的影响，影响的大小随具体情况改变。为了便于将模糊的影响程度具体量化，人们将工程学中的“风险”这一概念引入进来，后逐步形成了风险评估（risk assessment）的概念。而上世纪80年代才正式引入到植物检疫的术语——有害生物风险分析 （Pest Risk Analysis，PRA）则一直是外来物种风险评估的重要环节。

1.1 国外发展简史

早期著名学者达尔文[1]虽然最早注意到了物种在不同区域间的转移现象，但由于年代的条件限制，未涉及风险评估。直到1872年，俄法两国为防止马铃薯甲虫禁止从美国进口马铃薯，才标志着有害生物风险分析（PRA）的开始。但初期的分析只是以简单的生物学特性为依据，对传入的可能性进行研究，也没有涉及“风险”这一概念，最后做出的决策只是是否进口。20世纪Cook[2]将气候因子引入外来生物风险分析领域，此后Weltzien[3]再将地理植物病理学的理论引入该领域，至90年代，有害生物风险分析（PRA）得到极大地发展，不仅“风险”这一概念被引入，而且对风险评估的研究也从传入的可能性转到传入后的定植可能性。1991年北美植物保护组织(NAPPO)提出“由生物体传入或扩散引发的对植物或植物产品风险分析步骤”以及1995年联合国粮食及农业组织（FAO）颁布的《有害生物风险分析准则》，标志着对有害生物风险分析已转入有害生物对社会环境、经济、生态的综合评估阶段。

1.2 我国发展简史

1916年,我国植物病理学家邹秉文[4]撰写了《植物病理学概要》，提出对外来病虫害的传入进行防范,可以看作是我国有害生物风险分析（PRA）工作的开端。1981年，原农业部植物检疫实验所的研究人员开展了 “危险性病虫杂草的检疫重要性评价”的研究，对引进植物及植物产品进行检疫重要性程度的评价。在此评价上，建立了“有害生物疫情数据库”和“各国病虫草害名录数据库”，为1991年我国PRA工作的正式开展奠定了基础。1991年，由原农业部植物检疫实验主持，原国家动植物检疫局和原上海动植物检疫局的专家和检疫官员参加的农业部“八五”重点课题——“检疫性病虫害的危险性评估(PRA)研究”，标志我国有害生物风险分析（PRA）工作的正式开始。当前，中国有害生物风险分析工作组正按照既定时间表对有关检疫政策和有关国家农产品进入中国的问题进行分析，各国向中国输入新的植物及植物产品项目前都要进行相应的风险评估，有害生物风险分析已经成为中国检疫决策工作中必不可缺的重要环节。

2 技术及方法

有害生物风险分析（PRA）实际上是外来物种风险评估在植物或植物产品检疫工作中的应用，[5]至今国内外相关学者、团体、组织积累了大量PRA技术方法、案例、经验对外来物种的风险评估提供了宝贵的参考依据。根据外来物种是否已经传入，风险评估大致可分为两类：第一类是在物种引入某地区前预测其入侵风险的评估系统。第二类是对已经在当地定殖或归化并造成影响，或有潜在入侵性并将来有可能成为入侵物种的风险评估系统。

2.1 第一类分析法

2.1.1 农业气候相似距法

Cook提出利用气候图对有害生物的潜在分布进行分析，初衷是用于作物引种咨询，这一方法随后得到进一步发展改进，现用于对某种有害生物的适生性分析。农业气候相似距法是根据对被预测有害生物的了解程度，可以按3种不同的方式[6]找出相应的适生指标进行分析：1.通过研究引入地与原产地的气候相似程度确定有害生物的可能适生区域；2.通过对有害物种的生态气候指标研究确定其可能适生区域；3.气候相似并结合有害生物的生态气候指标确定其可能适生区域。刘桂莲[7]分析了中国与世界的农业气候相似,应用其成果从引种角度研究小麦、玉米和马铃薯等作物的优良品种推广适种范围。吴钟玲[8]运用农业气候相似原理对在吉林长春引种美国菊苣、德国结球生菜、台湾甜豌豆、黄秋葵的可能性进行了论证。胡建军[9]从农业气候相似距的温度、降水资料、年内热量、降水等4个方面对山西省灵丘县和良种基地的相似程度进行比较，并引进了马铃薯、莜麦、豆类等优良品种。农业气候相似距法的优点在于如果对某种有害生物的生态学研究不够，不能具体确定该种的生态指标时，可采取较粗略的方式，把所研究地区的气候与物种原产地的气候进行比较，结果越相似，该物种对研究地区适生可能性越大。应用农业气候相似距法对有害生物进行适生性分析时，关键是对具有代表性适生气候指标的整理收集，收集的指标不仅满足计算机系统的要求，还要能反映出有害生物对气候条件的生态要求，如果选择不当，结果就会失真。我国专家在用此方法进行分析时，可利用北京农业大学建立的“农业气候相似距库”。

2.1.2 CLIMEX模型方法

宋红敏提到CLIMEX模型是澳大利亚科学家Sutherst和Maywald建立的一种动态模拟的模型。[10]该模型可以通过已发生地的气候条件预测被检物种其它地理位置的分布和相对丰盛度，并分析气候对生物生长发育的影响，能比较全面地分析、评估生物在新环境中的适生能力。CLIMEX首先假设物种在1年内会经历适合种群增长和不适合甚至危及生存的两个时期，设定一组参数，再通过物种已知的地理分布及数量来估计所需要的气候条件，设定另一组参数。两组参数共同构成生态气候指数，描述物种在某地区和年份适合度的指标。宋红敏根据松墨天牛在亚洲地区的适宜条件，使用CLIMEX预测可能在全球的分布区。程俊峰[11]将CLIMEX和GIS分析方法结合起来，初步分析了寄主和湖泊等因素对西花蓟马分布的影响,从而使CLIMEX的预测结果更加精细准确。侯柏华[12]根据CLIMEX模拟结果的EI值大小，将桔小实蝇在我国大陆的适生分布情况进一步划分为最适宜、次适宜、适宜和非适宜4个气候区。CLIMEX凭借的方法是基于确定性模型的评估方法，在适生性分析中应用较多，影响力很大。但是由于CLIMEX只收录了中国的87个气象点，不能完全覆盖中国各地的气候情况，在利用现有分布点进行GIS插值时，部分地区存有误差，运用CLIMEX时应对此进一步增加气象站点的资料，并使这些站点在中国的分布更有代表性。另外分析物种适生区除气候因子外，还应包括非气候因子，故此方法分析的结果有一定局限性，这是我国专家在运用CLIMEX软件时需要注意的地方。

2.1.3 MaxEnt模型方法

曾晖提到MaxEnt是由Jaynes提出的可应用于概率密度评估的最大熵(maximum entropy)理论[13]开发出来的物种地理分布预测软件，一般用AUC(曲线下面积)对预测结果的好坏进行判断，模型的AUC值越大，则表示环境与预测的物种地理分布模型之间相关性越大，越能判别该物种是否分布。要使MaxEnt的预测结果更准确，就需要有一定数量即有代表性又精确的地理分布点数据，还需选择影响物种分布的关键环境变量以建立相对准确的模型。利用此方法的基础就是要充分了解物种的生物及生态学特性。曾晖根据影响橡胶南美叶疫病菌生存的主要气候因素，将全球气候条件适宜橡胶南美叶疫病菌存活的分布数据和环境数据导入MaxEnt，运行得出适宜橡胶南美叶疫病菌存活区，最后结合天然橡胶树分布情况推测该菌的潜在地理分布的区域。雷军成[14]利用采样后的加拿大一枝黄花在北半球的分布数据，以温度和降水的历年年平均数据和历年各月平均数据作为预测的环境因子，利用基于最大熵原理的MaxEnt模型作为适生性预测模型，预测加拿大一枝黄花在我国的潜在分布。赵文娟[15]采用MaxEnt软件对引起玉米霜霉病的5种检疫性病原菌在我国的潜在分布区进行了预测并得出5种病原菌预测结果的可信AUC值。常志隆[16]研究尝试使用MaxEnt对小麦印度腥黑穗病在我国的潜在地理分布进行初步分析。王颖[17]利用MaxEnt生态位模型和GIS系统，对大豆南北方茎溃疡病菌在我国的适生区进行预测，分析结果表明这两种病菌在我国的潜在适生区域广泛。MaxEnt用在物种的分布预测上时间不长，国内学者也运用较少，但因其未对未知事物做任何主观判断，而是通过客观的AUC来确定分布范围，具有较好的解释力而受到越来越多的关注。

2.1.4 GARP模型方法

GARP(Genetic Algorithm for Rule-set Prediction)是基于遗传算法的规则组合预测模型系统，即用物种的分布资料和环境数据产生的物种生态需求，求物种分布区域与研究区域之间环境特征关系。运行过程是一个反复迭代，找出最优种类分布if-then的规则，即if某一生态条件，then种类存在/不存在。模型从待选规则开始 (如逻辑斯谛回归或生物气候包络规则)，选择一种规则，利用数据生成一个统计模型，再根据精度变化确定这一规则是保留在规则库或舍弃。经过多次往复过程，选出若干种if-then规则，最后用预测图预测出物种的适生区域。李红梅[18]采用GARP生态位模型预测分析了松属植物的重要入侵害虫日本松干蚧肘在中国的潜在地理分布，通过对现有全国范围内的分布地点的分析，预测显示该虫可以在中国27个省、市、自治区生存，主要集中在东北和东部沿海地区。李双成[19]利用云南纵向岭谷区紫茎泽兰的分布及其环境因子数据，通过GARP模型预测了紫茎泽兰的潜在入侵区域。结果表明，在南部的一些局部高山地区，不适宜紫茎泽兰生长和分布。北部地区除一些河流的谷底由于海拔较低，适宜紫茎泽兰生长外，大部分生境不适宜紫荆泽兰生长。由于GARP生态位模型在进行潜在分布区预测时，其研究对象必须是生态环境中达到生态平衡的物种，只能选用达到稳定生态位的分布点数据，因此在操作中有一定局限性。

2.2 第二类分析法

2.2.1 德尔菲法

德尔菲法是由美国兰德公司上世纪50年代首创，[20]基本步骤是首先根据课题大小及涉及面宽窄咨询20-50名权威专家，将设计好的对象分析表以匿名问卷的方式分别提供给专家，专家按照问卷提供意见，然后回收问卷专家的意见作为下一轮调查表格的依据，再排除不合理方案重新设计问卷表进行下一轮的专家咨询，直到得出最终结论。问卷最好使用数理统计的方式，以便使定性分析与定量分析有机结合。在预测过程中，每个专家只与分析人员联系，彼此互不交流，此方法特点是不仅让专家自由地发表个人意见，使分析人员与专家意见相互反馈，还可以降低主观因素，降低判断矩阵的维数。在对有害生物风险分析时如果评估指标有许多模糊不清，使用数学模型又有难度时可以使用德尔菲法。徐会[21]在对安徽省外来植物风险分析时用德尔菲法处理评价指标中模糊不清的部分。值得注意的是若最后检验分析的方差不合理，应停止使用德尔菲法。

2.2.2 层次分析法

徐会曾例举出美国运筹学家Seaty提出的层次分析法[21](Analytic hierarchy process，AHP)，是将方案构建成多层次，多指标系统，再依次对每层指标进行研究、评估的一种方法。此方法能将研究者对复杂系统的思维过程模型化、数量化。分析过程中，研究者将复杂问题分解为若干层次以及若干指标，在各指标之间进行简单的比较和计算，得出不同指标的权重，为最佳方案的选择提供依据。具体运用到有害生物风险评估的步骤是首先构建出外来物种风险评估指标框架，将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则的顺序分解为不同的层次结构，从层次结构模型的第2层开始，每一层各个指标成对比较按1至9的比较尺度构成对比矩阵，再检验矩阵的一致性，当一致性指标CR<0.10时表示矩阵排序合理，直到最后一层。然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次各指标对上一层次某指标的优先权重，最后再用加权的方法递阶归算出对总目标的最终权重。李振宇、解炎[22]构建的外来物种入侵风险指数评估采用层次分析的体系，构建的指标有繁殖扩散性、遗传性、适应性特征、物种类型、有害特征、被控制特点及入侵历史。丁晖，石碧清，徐海根，等[23]提出了“外来物种风险评估指标体系框架”，该指标体系分为目标层、准则层和指标层3个层次。郭琼霞[24]采用多指标综合评估方法,建立一、二级评判标准的计算模型,计算出加拿大一枝黄花的危险性综合评价的风险值。欧健[25]针对厦门市的外来植物入侵现状,采用层次分析构建了适应厦门地区外来植物入侵风险评价指标体系框架,该指标体系由“移居与建群的可能性”、“危害与影响”和“预防与控制”3大部分,共计6个一级指标,17个二级指标构成。层次分析法由于系统性强、结构框架简洁明了、所需定量数据较少，其层次本身能够认真地考虑和衡量指标的相对重要性，所以在对第二类风险分析时多采用此方法。

2.2.3 模糊分析法

传统的风险分析是一种基于概率论和数理统计的分析方法，这种分析虽然基础牢固，结果清晰，但是要求大量的客观数据样本，数据量既要多，精确度又要高，致使一些新型的系统由于不能满足此要求而难以运用，于是模糊分析法出现。此方法基于经典模糊数学理论，从模糊不确定性考察风险出现可能性，将缺乏历史数据的样本描述为模糊样本，运用时依据风险分析对象可分为模糊度量风险分析、模糊排序风险分析、模糊聚类风险分析、模糊诊断风险分析、模糊逻辑推理风险分析5种类型。[26]5种分析类型各有侧重，在对单个外来物种进行风险分析时一般采用模糊度量风险分析，首先将分析对象分解成若干子对象，然后建立模糊评语集，通过各个子对象的风险度和影响度对照评语集来确定风险度。当分析的对象为多个时则采用模糊排序风险分析，可以针对层次分析法判断矩阵里一些元素进行改造，使之更加符合人类思维，同时将定性推断和定量推断结合，增加判断的客观性，得到的结果再与归一化的权重比较是否一致。模糊分析法由于是一门新兴的学科，现在大部分成果只是停在科研阶段，没有真正落实到实践，此方法还需要进一步完善，利用实践拓宽理论，丰富理论体系。

3 存在的问题及发展趋势

3.1 我国风险评估的不足

我国有害生物风险分析（PRA）虽然工作起步相对较晚，技术力量还较薄弱，且仅成立了国家级PRA工作组,各省区的PRA基本未开展，但是在理论体系上已趋于完善。近年来随着全国有害生物普查和调查的开展，对国外有害生物信息的掌握也渐渐全面，但是我国有害生物风险分析仍有不足。近年来，国内科研人员开展对外来物种的大量调查、评估工作，如秦卫华[27]通过野外实地调查的方法对上海市崇明东滩和九段沙湿地2个国家级自然保护区内分布的外来入侵植物进行了系统调查。王嫩仙[28]对杭州市7区、县(市)的野外调查，确定杭州市主要外来入侵植物72种，隶属30科63属。肖正清[29]基于2008年云南省16个州市的调查统计数据，分析了恶性外来入侵植物紫茎泽兰在云南发生的空间分布格局与不同生境条件下的发生面积及危害情况。雷江丽[30]对深圳市野生植物和常见栽培植物，建成区内本地植物和外来植物进行了统计分析。姜罡丞[31]对许昌市城郊的外来人侵植物统计分析出外来入侵植物共有46种，隶属18科。何冬梅[32]研究了安徽蚌埠市外来入侵植物的种类、来源地、生活型、区系分布类型。汪成平[33]对菜豆象传入陕西省的危险性进行定性、定量分析，并提出了相关风险性管理对策。由上可知，大多数研究是从行政区划的角度对外来植物进行的调查研究，对于风景名胜区的有害生物风险评估则开展甚少，关于风景名胜区风险评估体系的构建国内文献也鲜有报道。

3.2 发展趋势

将来，研究热点集中在：1.外来种的生物学特性如生态幅、繁殖、传播特性、遗传结构。2.入侵种与乡土种间的相互作用、天敌的控制、种间抑制、与乡土种的竞争、外来种的协同入侵。3.外来种与乡土种的杂交。4.新栖息地群落生物多样性对入侵的抵抗性。5.新栖息地环境变化、人为干扰、全球气候变化的影响。随着分子生物学和数学模型被广泛采用，通过评价植物的生物学和生态学特性，辅以现代的计算机技术等综合技术的PRA方法将会越来越多的使用，从而将大大提高预测结果的准确率。

致谢：本文是黄山学院与黄山风景区园林局产学研合作项目“黄山风景区外来植物调查、评估、治理及管理对策研究”的前期研究进展，得到黄山园林局的汪传友、吴俊等同志的大力支持，表示感谢。

[1]C R Darwin.Biological invasion[M].Williamson M.New York：Chapman&Hall，1996.

[2]Cook WC.Notes on predicting the probable future distribution of introduced insects[J].Ecology,1931,12(2):245-247.

[3]H C Weltizen.Geophytopathology[J].Ann Rev of Phytopathol, 1972,10:27-298.

[4]邹秉文.植物病理学概要[M].纽约：科学，1916，（2）：5.

[5]万方浩，郭建英，王德浑.中国外来入侵生物的危害与管理对策[J].生物多样性，2002，10(1)：119-125.

[6]蒋青.应用农业气候相似距分析假高粱在我国的适生范围[J].植物检疫，1994，9（5）：257-262.

[7]刘桂莲.农业气候相似距研究在引种中的应用[J].北京师范学院学报，1992，13（2）：76-80.

[8]吴钟玲，陈铁如.农业气候相似原理与蔬菜引种[J].中国农业气象，1994,15（3）：36-37，39.

[9]胡建军.引进优良品种的气候相似分析及试验示范[J].气象，2002，28（5）：49-50.

[10]宋红敏.CLIMEX：预测物种分布区的软件[J].昆虫知识，2004，41（4）：379-386.

[11]程俊峰.西花蓟马在中国适生区的基于CLIMEX的GIS预测[J].中国农业科学，2006，39（3）：525-529.

[12]侯柏华.基于CLIMEX的桔小实蝇在中国适生区的预测[J].生态学报，2005，25（7）：1570-1574.

[13]曾辉.利用MaxEnt预测橡胶南美叶疫病菌在全球的潜在地理分布[J].植物保护，2008，34（3）：88-91.

[14]雷军成.基于MaxEnt的加拿大一枝黄花在中国的潜在分布区预测[J].生态与农村环境学报，2010，26（2）：137-141.

[15]赵文娟,陈林，丁克坚，等.利用MAXENT预测玉米霜霉病在中国的适生性区[J].植物保护，2009，35（2）：32-38.

[16]常志隆.基于MaxEnt模型的小麦印度腥黑穗病在中国的适生性分析[J].植物保护，2010，36（3）：110-112.

[17]王颖.基于MAXENT的大豆南北方茎溃疡病菌在中国适生区的预测[J].植物检疫，2009，23（4）：14-16.

[18]李红梅.利用GARP生态位模型预测日本松干蚧在中国的地理分布[J].昆虫学报，2005，48（1）：95-100.

[19]李双成.基于GARP模型的紫茎泽兰空间分布预测术——以云南纵向岭谷为例[J].生态学杂志，2008，27（9）：1531-1535.

[20]王英凯.基于德尔菲法和层次分析法原理的科研项目评价模型[J].山西财经大学学报，2001，23：148-149.

[21]徐会.安徽省外来物种风险评估指标体系的构建[J].安徽农业科学，2008，36（1）：248-249，261.

[22]李振宇，解焱.中国外来入侵种[M].北京：中国林业出版社，2002:2.

[23]丁晖，石碧清，徐海根.外来物种风险评估指标体系和评估方法[J].生态与农村环境学报，2006，22(2)：92-96.

[24]郭琼霞.外来入侵植物——“加拿大一枝黄花”传入中国的定量风险研究[J].武夷科学，2005，21：82-85.

[25]欧健.厦门市外来物种入侵现状及其风险评价指标体系[J].生态学杂志，2006，25（10）：1240-1244.

[26]刘国磊，黄崇福，杨军民.模糊风险分析研究进展与展望[C].//黄崇福，刘希林.风险分析与危机反应的理论和实践——中国灾害防御协会风险分析专业委员会第三届年会论文集.广州：Atlantis出版社，2008.

[27]秦卫华.上海市国家级自然保护区外来入侵植物调查研究[J].杂草科学，2007，（1）：29-33.

[28]王嫩仙.杭州市外来入侵植物初步研究[J].林业调查规划，2008，33（3）：125-128.

[29]肖正清.恶性外来入侵植物紫茎泽兰在云南的分布格局[J].自然灾害学报，2009，18（5）：86-87.

[30]雷江丽.深圳市植物物种指数与本地植物指数分析[J].中国城市林业，2009，7(3)：13-15.

[31]姜罡丞.许昌市城郊外来入侵植物调查及危害风险评价[J].河南师范大学学报，2009，37（6）：168-170.

[32]何冬梅.安徽省蚌埠市外来入侵植物调查及对策研究[J].安徽农业科学，2010，38（6）：3081-3083.

[33]汪成平.菜豆象入侵陕西的风险分析[J].陕西农业科学，2010，（5）：80-86.

A Review of Pest Risk Analysis Methods

Wu lei1，Huang Chenglin1，Wang Xiaofei2
(1.Anhui Agricultural University,Hefei230036,China；
2.Teaching Affairs Department,Huangshan University,Huangshan245041,China）

Based on a review of pest risk analyses,the paper focuses on some conventional techniques and methods for risk analysis of alien species at home and abroad,such as Agroclimatic analogy,CLIMEX, MaxEnt,GARP,Delphi method,AHP and Fuzziness analysis method,discusses the meaning of various assessment methods,points out some deficiencies in the current research and looks into the prospect of its application.

alien species;risk analysis;method

S412

A

1672-447X(2011)05-0077-05

2011-06-16

安徽省教育厅自然科学研究项目（KJ2011Z365）

吴磊（1983-），安徽合肥人，安徽农业大学硕士研究生，研究方向为园林植物；

黄成林（1962-），安徽郎溪人，安徽农业大学林学与园林学院教授，研究方向为园林植物与观赏园艺。

胡德明