重要外来入侵植物随南水北调工程传入京津冀受水区的风险评估

郑志鑫， 王 瑞， 张风娟， 冼晓青， 万方浩

1中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害国家重点实验室，北京 100193； 2河北大学生命科学学院，河北 保定 071002

外来物种入侵已成为全球性的环境问题，中国是遭受外来入侵生物危害最为严重的国家之一。随着全球变化加剧以及我国对外贸易、旅游和交通等的发展，外来植物入侵发生的频度和危害的程度都在迅速增加，特别是一些有毒或恶性的杂草的入侵和蔓延不仅导致巨大的经济损失，而且导致严重的生态灾难(桑卫国等，2006； 万方浩等，2010; Pimenteletal.,2000)。当前，我国外来有害生物入侵的形势异常严峻，这表现在2个方面：新的物种正在不断地通过贸易、旅游等途径传入；已入侵的物种还在不断扩散蔓延。因此，预防新的外来物种的入侵以及控制已入侵生物的进一步扩散蔓延是当前面临的主要任务。通过风险评估明确外来物种传入与扩散的风险、制定早期监测预警措施是控制有害生物入侵、抑制其扩散蔓延的最有效途径(万方浩等,2010)。

人类活动是影响外来物种扩散的关键因素(Horvitzetal.,2017)，特别是一些大的跨区域的工程会促进外来物种的扩张蔓延。南水北调是中国21世纪的一项巨大输水工程，目的是把长江流域的水引入华北地区,以缓解华北地区的水资源匮乏问题，改善受水区的生态环境，促进该地区的可持续发展。南水北调工程有中线、东线和西线3条调水线路。其中，中线和东线工程分别从汉江上游的丹江口水库和长江中下游的江都引水，供给黄淮海平原大部分地区。2016年底，中线和东线工程已完工并开始输水。

我国的外来物种分布总体上呈现沿海多于内陆的特点，内陆地区呈现出由南向北、由东向西递减的趋势(何志恒和张全发，2007)。南水北调工程全程干渠大多为露天开放性管道，在调水的同时为物种的跨区域扩散提供了通道和动力，尤其一些已在水源地分布的外来有害生物可能会借助这一通道跨越地理屏障从长江流域向北扩散蔓延。因此，系统评估外来有害生物随南水北调工程(中线和东线)入侵和扩散的风险，明确高风险的有害种类及其风险等级对南水北调工程途经地和受水区生态环境建设及外来物种防控具有重要意义。近年来，已有学者研究了南水北调工程及其输水通道对物种传播的影响(何志恒和张全发，2007； 吕培茹等，2010； Liuetal.,2017)，但其主要是评估水源地的土著植物(大薸PistiastratiotesL.除外)随该输水工程扩散的风险。杂草风险评估方法是基于植物的生物生态学特性等指标评估其入侵后的危害风险。生物入侵是一个动态的过程，其入侵的风险应该由传入、定殖、扩散与危害等综合决定。水源地广泛分布的重要入侵植物能否随南水北调工程扩散、扩散后能否定殖并造成危害等问题并不清楚。因此，本研究以南水北调水源地分布的危险性入侵植物为评估对象，通过构建基于生物入侵过程中不同阶段(传入、定殖、扩散、危害等)的综合风险评估指标体系，并结合入侵物种传入、定殖、扩散与危害相关因子的特性，系统评估它们随南水北调工程入侵京津冀受水区的风险，为制定有害生物的早期监测预警措施及控制和预防外来物种对京津冀受水区的危害、保障南水北调工程区的生态安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 风险评估对象

据统计，目前已入侵我国的外来植物有286种，其中33种已被列入国家重点管理外来入侵物种名录(农业部外来物种管理办公室，2013)，它们均已在我国长江流域定殖并正在进一步扩散蔓延。本研究以这33种危险性入侵植物为候选评估对象，通过查阅文献资料、标本信息及实地考察等明确它们在南水北调水源地的分布、发生危害特性等信息；然后，基于风险识别程序，通过比较当前分布点距水源地距离及植物的繁殖体或种子随风、水流等的扩散距离等方法筛选出能够随南水北调工程扩散的外来入侵植物，并按照构建的风险评估指标体系对其随南水北调工程进入京津冀受水区的风险进行评估。

1.2 风险评估体系构建

外来生物入侵是一个由复杂链式过程构成的风险事件，一般可以分为传入、定殖、扩散与危害4个阶段(鞠瑞亭和李博，2012; 张从，2003； Benkeetal.,2011)。理论上，外来植物随南水北调工程传入京津冀受水区的风险是由入侵过程中不同阶段的多重因素所决定。基于此，本研究通过综合分析影响外来物种入侵的生物学和生态学特征及环境和人为活动等因素, 以入侵植物的繁殖体能否进入水源地为起点, 提取南水北调工程促进外来物种入侵风险形成的因子, 建立了风险评估指标体系(表1)。

该风险评估指标体系分为4个层次：第1层次为目标层，即评价的目标，以综合风险指数(R)表达，描述的是被评估入侵植物随南水北调工程传入受水区风险评估的最终结果；第2层次为项目层，根据外来物种入侵的一般过程，即“传入→定殖→扩散→危害”，将所有影响物种入侵的因素分为四大类，包括传入风险(I)、定殖风险(E)、扩散风险(D)和危害风险(P)；第3层次为因素层，即每个项目层的风险由哪些因素决定；第4层次为指标层，即每一个评价因素由哪些具体指标来描述。

为便于统一计算，根据模糊数学原理，参考已有的风险评估案例(鞠瑞亭和李博，2012； 王瑞等，2015)，将各参评指标划分为5个等级。每个等级设一个概念阈值，依次为0.25、0.50、0.75、1.00。对于可以定量的指标，设定了打分可参考的定量范围；对于不能定量的指标，由专家根据自身经验评估打分。

1.3 风险指数的计算

根据已构建的风险评估指标体系及指标赋值标准(表1)，由专家对评估对象的各项指标逐一打分；然后筛选出评分记录完整的打分表，统计出各项指标的综合值；最后，根据层次分析法—模糊综合评价模型计算出指标的权重以及最终的风险指数。

1.3.2 项目层计算 通过分析入侵物种沿南水北调工程扩散的风险构成条件，判定因素层与项目层之间的逻辑关系，确定由因素层计算相对应的项目层的方法。

气候条件(E2)、基质条件(E3)、抗性(E4)均只有1项评价指标, 其值可直接得出。

社会风险(P1)、生态风险(P2)、经济风险(P3)与参评指标(P1i、P2i、P3i)之间均符合替代关系，它们的计算公式分别为P1=max(P1i)、P2=max(P2i)、P3=max(P3i)。

1.3.4 指标权重设置 综合专家意见，并采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定符合加法原理的指标权重(鞠瑞亭和李博，2012； 王瑞等，2015)。

首先，构建因子权重矩阵。参考各指标的综合评分值确定因子间的重要性(相同、稍强、强、明显强、绝对强)，分别设置因子间对风险贡献权重先验值(1或2、3或4、5或6、7或8、9)，从而构建因子间重要性判断矩阵。

其次，计算权向量并做一致性检验。计算指标层对准则层的组合权向量，并根据公式做组合一致性检验。若检验通过，特征向量(归一化后)即为权向量；若不通过，则需要重新构建一致性比率较大的成对比较矩阵，并进行一致性检验，直至检验通过。最后计算得出各指标的权重系数值。

2 结果与分析

2.1 评估对象识别

经资料查询和实地考察，从33种候选评估对象中筛选出24种在南水北调中线和东线工程水源区(与水源地相连的主要河流)和途经地有分布的入侵植物，对其随南水北调工程扩散的风险进行评估。被评估的24种入侵植物分属于菊科、禾本科、苋科、雨久花科等9科(表2)。刺苍耳XanthiumspinosumL.、飞机草Chromolaenaodorata(L.) R. M. King & H. Robinson、假臭草PraxelisclematideaR. M. King & H. Robinson、薇甘菊MikaniamicranthaKunth、长刺蒺藜草Cenchruslongispinus(Hack.) Fernald、节节麦AegilopstauschiiCoss、长芒苋AmaranthuspalmeriWatson、少花蒺藜草CenchruspauciflorusBentham、刺萼龙葵SolanumrostratumDunal等9种入侵植物的分布区距离水源地较远，其繁殖体很难进入水源地及其连接的河流，或与其有关的资料较少，缺少相关信息，故未评估其随南水北调工程扩散的风险。

表2 重要入侵植物沿南水北调工程入侵京津冀受水区的风险评估指标权重系数和综合风险值(R)Table 2 Index weight coefficients and integrated risk (R) values for the major invasive plants with invasion potential into the Beijing-Tianjin-Hebei receiving area with the South-to-North Water Diversion project

2.2 风险评估结果

本研究中被评估对象的权重系数值见表2。根据被评估对象各指标的评分及风险指数算法,计算出24种入侵植物随南水北调工程入侵京津冀受水区的综合风险值(表2)。结果显示，紫茎泽兰Ageratinaadenophora(Sprengel) R.M. King & H. Robinson和互花米草SpartinaalternifloraLoiseleur的入侵风险值相对较低(R<0.6)，其余22种入侵植物的风险值均较高(R>0.6)，其中，喜旱莲子草Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.、凤眼莲Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms.和大薸3种外来水生植物的入侵风险值最高(R>0.8)。

3 讨论

由于外来生物具有极强的繁殖能力，一旦成功入侵就很难被根除。因此，外来入侵物种管理中预防比治理更为经济、可行(Waage & Reaser,2001)。风险评估是制定有害生物早期监测预警措施、预防与控制外来有害生物入侵与扩散的关键环节，是外来物种研究的重要内容(丁晖等，2006； 王瑞等，2015; Benkeetal.,2011; Pheloungetal.,1999； Pollinoetal.,2012； Weber & Gut,2004)。已开展的外来物种风险评估主要集中在其入侵性、入侵过程中某一阶段的风险，如传入风险、扩散风险、适生性风险、经济危害风险等方面(万方浩等，2010)。由于生物入侵是一个动态的过程，单一阶段的风险评估有时并不能满足早期管理的需求。近年来，基于外来物种入侵过程的综合风险评估方法逐渐被用来评估外来物种在特定地区的潜在入侵风险(鞠瑞亭和李博，2012)。基于生物入侵发生的动态过程与先验知识，判定影响入侵风险发生的关键因素及其逻辑关系是构建综合风险评估体系的主要方法。

理论上，南水北调工程可促进外来物种突破自然地理屏障实现进一步扩散蔓延。我国外来入侵物种的发生与危害总体上呈现从东部、南部沿海向西部、北部地区递减的趋势，如江苏、湖北、河南、山东等南水北调中线和东线工程的水源区和途经地是我国外来入侵物种的高发区，其外来入侵植物约有190种，约占已确认的全国外来入侵植物(286种)的66%(储嘉琳等，2016; 寿海洋等，2014； 章承林等，2012； 张绪良等,2010； Huangetal.,2011)，而京津冀地区外来入侵植物共99种(石青等，2017)。本研究以评估危险性入侵植物随南水北调工程进入京津冀受水区的风险为目标，以外来有害生物的动态入侵过程为基础，通过分析影响外来植物入侵过程不同阶段的不同因素间的逻辑关系，建立了入侵物种的综合风险评估指标体系。基于该体系，以南水北调水源地和途经地区分布的国家重点管理入侵植物为对象，通过分析其地理分布、扩散动态、适生区等筛选出24种外来入侵植物，对其随南水北调工程入侵京津冀受水区的风险进行了评估。结果表明，22种外来入侵植物随南水北调工程入侵京津冀受水区的风险较高。其中，喜旱莲子草、大薸、凤眼莲3种水生植物随南水北调工程向北扩散的风险极高，应该予以重点关注。Liuetal.(2017)已经在山东、河北南水北调的输水通道发现了喜旱莲子草向北扩散种群；同时，研究表明，京津冀受水区存在其广阔的适生区，且适生区会随着全球变暖而增大。另外，2018年笔者在河北省保定市南水北调工程附近白洋淀流域的河道已发现喜旱莲子草的新入侵种群。因此，建议在关注南水北调带来便利的同时，应该意识到其可能促进外来有害生物向北入侵的风险，加强入侵物种的早期监测预警，降低外来生物入侵的风险。本研究主要是基于与评估对象相关的生物生态学、发生危害、适生性和扩散动态预测等信息做出的风险判断，评估结果会存在一定的不可预知性，这些外来植物能否对京津冀受水区的生态系统造成危害尚需进一步研究。