外来入侵动物在中国的分布格局及增长预测

陈凤新，蒙彦良，陈名清，张风娟

(1.河北大学 经济学院，河北 保定 071002；2.河北大学 生命科学学院， 河北 保定 071002)

外来入侵物种对生物多样性和生态安全造成了严重的威胁[1]，目前已成为全球性环境变化问题之一[2].为了有效控制外来物种的入侵，了解并明确影响外来物种扩散的途径非常必要[3].基于对区域或全球数据库的分析，许多研究认为经济和贸易在形成全球外来物种丰富度模式方面起着重要作用[3-7]，通常经济越发达的国家，其外来入侵生物数量越多、防治力度越大[8].国际贸易在外来入侵物种扩散中扮演着重要的角色，贸易促进了生物入侵的传播和扩散[7-10].自1800年以来北美洲、欧洲入侵物种数量随着贸易的增加总体上呈逐渐增加的趋势[9-12]，日益增长的贸易网络和对商品的需求使得路径风险评估成为预防生物入侵的第一线.入侵模式在很大程度上受全球贸易网络控制，这些网络将非本地物种的来源地连接起来，并通过多个贸易网络加速这些物种的扩散.Chapman[13]与Cardador等[14]利用贸易数据和生态模型对一种全球入侵物种的非本地欧洲种群的起源和分布进行了预测，认为贸易数据与繁殖体的起源和压力密切相关，可以用贸易数据代替繁殖体起源来预测贸易介导的外来入侵物种的分布和数量.中国已经成为世界上主要经济贸易大国之一.然而，中国这方面的研究尚属空白.

自改革开放以来，随着中国经济的快速发展，外来生物入侵也给社会经济和生态安全带来巨大风险与挑战.根据统计，因外来生物入侵中国经济每年造成的损失高达2 000亿元[15].人为干扰是造成外来生物入侵的主要影响因素[16]，刘春兴[17]研究认为导致长期以来相互隔绝的物种在世界范围内人为地再分布是因贸易与人员往来的全球化所导致.改革开放后，外来入侵动物开始大量传入，如20世纪70年代末传入中国的美国白蛾(HyphantriacuneaDrury)与松突圆蚧(HemiberlesiapitysophilaTakagi)，80年代至90年代传入中国的福寿螺(Pomaceacanaliculata)、松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus)、美洲斑潜蝇(Liriomyzasativae)和马铃薯甲虫(Leptinotarsadecemlineata).进入21世纪之后，外来有害动物的入侵继续呈快速增加的态势，其中有11个无意引入的种被列入了中国外来入侵物种名单.由此可见，贸易活动为外来物种入侵中国提供了便捷的途径.此前对中国外来入侵动物多侧重其来源、入侵途径、空间分布、入侵机制及防治等研究[18-20]，鲜有从经济角度去分析中国外来入侵动物数量分布与进出口贸易之间关系的相关研究.因此，本研究利用中国27省(区)外来入侵动物分布数据，对外来入侵动物数量与进出口总额之间进行相关性分析，进而对外来入侵动物的增长趋势进行模型预测，以期为中国外来入侵动物的风险预警与管理防治工作提供一定的参考.

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

基于文献资料统计[18-22]及必要的分类学考证，按照2002、2006、2009、2014和2018年这5个时间节点对入侵动物名录及空间分布信息进行数据归类整理，得到各省(区)外来入侵动物种类数量.经进一步的筛选整理与分析，分别建立了不同时间节点各省(区)的外来入侵动物数据库.收集整理的各省(区)贸易进出口总额数据主要来源于国家统计局(www.stats.gov.cn)和中国经济与社会发展统计数据库(tongji.cnki.net).参照蒙彦良等[23]的统计方法统计各时间节点的入侵动物数量和进出口总额.此外，该研究中不包括北京、重庆、天津和上海4个直辖市及中国香港、澳门和台湾地区，因此本研究以河北、山东等27个省(区)为研究对象，研究各省(区)外来入侵动物分布数量与进出口总额之间的关系.

1.2 研究方法

1.2.1 贸易量与入侵动物种类数量的相关性分析

基于SPSS 22.0软件对各省(区)至各时间节点的进出口总额累积量与外来入侵动物数量进行Pearson相关性分析.依据相关系数来确定二者的相关性.相关系数0.8～1.0为高度相关，0.5～0.8为中度相关，0.3～0.5为低度相关，小于0.3视为不存在相关性[24].P<0.05为显著相关，P<0.01为极显著相关.

1.2.2 外来入侵动物数量预测最优模型筛选——曲线估计

使用SPSS软件进行曲线估计，其中各时间节点进出口总额累积量作为自变量x，外来入侵动物数量作为因变量y，从11种模型(表1)中选出拟合度最佳的模型作为预测模型.

表1 曲线估计模型

β0、β1、β2、β3均为未知参量.

1.2.3 对未来各省(区)外来入侵动物数量增加的预测

1.2.3.1 各省(区)进出口总额的预测 为了便于数据分析，将进出口总额进行了对数化处理(式1)，将对数化后的2002-2018年的进出口总额数据使用S型模型[25]经迭代计算得到最优参数，建立模型(式2)，最后还原对数化，得到所预测进出口总额(式3).

Yt=lnXt(t=1，2，…，15)，

(1)

(2)

Xt=exp(Yt),

(3)

式中,Xt为t年的进出口总额；Yt为对数化处理后的进出口总额；β0、β1、β2均为未知参量；εt为随机误差项.

1.2.3.2 各省(区)外来入侵动物数量的预测 将截至2021年进出口总额的累积值代入曲线估计的最优模型，得到2019、2020和2021年的入侵动物的数量.

2 结果与分析

2.1 入侵动物种类数量统计结果

2002、2006、2009、2014和2018年中国入侵动物种类分别为37、71、121、217和260种，即随着时间的推移入侵种类的数量呈增加的趋势，每2个时间节点间的增幅分别为34、50、96和43种.各省(区)外来入侵动物增长趋势与中国入侵动物的数量增加趋势相似(图1).以2009—2014年的增长幅度最为显著，2009—2014年华南地区平均增长31种入侵动物，种类多为谷蠹(Rhizoperthadominica)、小圆皮蠹(Anthrenusverbasci)等粮食有害性昆虫；华北地区入侵动物种类平均增长25种，主要是桃小食心虫(Carposinanipponensis)、杏小食心虫(Cydiaprunivora)等果树危害性昆虫；东北地区入侵动物种类平均增长29种，主要为林业检疫性害虫，如青杨脊虎天牛(Xylotrechusrusticus)、杨干象(Cryptorhynchuslapathi)、舞毒蛾(Lymantriadispar)等；西北地区贸易不便，入侵形势不重，平均增加入侵动物种类18种，多为小麦孢囊线虫(Heteroderaavenae)、康氏粉蚧(Pseudococcuscomstocki)、苹果小吉丁虫(Agrilusmali)等农业有害生物.

图1 各省(区)入侵动物种类数量统计Fig.1 Statistics on the number of invasive animal species in each province

由图1也可以看出，外来入侵动物的分布呈现东部和南部省(区)高，而西部和北部省(区)低的空间格局，即沿海地区外来入侵动物最严重，华北和东北地区次之，而交通不便、经济不发达的西北地区最少.相比于其他边疆地区，新疆、云南这两地外来入侵动物种类数量较多.

2.2 入侵途径分布结果

图2显示的是2018年入侵动物(260种)的不同入侵途径所占的比例，其中61%的动物是跟随贸易无意侵入中国，如芒果果肉象(Sternochetusfrigidus)、芒果果实象(Sternochetusolivieri)、银叶粉虱(Bemisiaargenti)等；35%的动物是经由贸易有意引入，如红耳彩龟(Trachemysscriptaelegans)、食蚊鱼(Gambusiaaffinis)、白鲫(Carassiuscuvieri)等.即260种外来入侵物种中96%是由贸易引入的，仅有少数动物如银合欢异木虱(Heteropsyllacubona)、欧鲇(Silurusglanis)和北美水貂(Neovisonvison)是以自然扩散方式进入中国.

图2 中国外来入侵动物的入侵途径Fig.2 Invasion pathways of invasive animals in China

2.3 各省(区)入侵动物与进出口总额累积量相关性分析结果

从表2可知，27个省(区)皮尔森相关系数为0.908～0.990，各省(区)进出口额累积量与外来入侵动物数量之间的相关性均达到显著或极显著水平.

表2 入侵动物种类与贸易量的相关性检验

2.4 最优模型筛选结果

由表3和表4可知，曲线估计结果得到对数模型拟合效果最佳.对数模型中各省(区)拟合度R2均在0.915以上，表明对数模型曲线能够很好地反映进出口额累积量与外来入侵动物数量之间的关系.

Y=alnX+b，

(4)

式中,X为进出口额累积量;Y为外来入侵动物数量;a、b为未知参数.

表3 最优模型筛选

二次、三次曲线模型虽然对数据有较高的拟合度，但与实际发展规律不符，故排除.

表4 对数模型拟合结果

2.5 未来各省(区)外来入侵动物数量的增长预测

2.5.1 进出口总额预测结果

将各省(区)所对应的参数值带入公式(2)中对2019—2021年的进出口额进行预测，再经公式(3)最终得到进出口额的预测结果(表5).

表5 各省(区)进出口总额的拟合方程系数

2.5.2 入侵动物种类数量预测结果

图3为对数模型预测的截至2021年中国外来入侵动物的各省(区)分布.其中，西藏、青海、宁夏、山西和黑龙江5省(区)的外来入侵动物分布数量均小于等于50种；新疆、内蒙古、吉林、甘肃、陕西和河南6省(区)分布数量为50～70种；河北、四川、贵州、湖南、江西和安徽6省分布数量为70～90种；辽宁、江苏、湖北和浙江4省分布数量为90～110种；山东、福建、云南、广东和广西5省(区)分布数量大于110种.从经济角度来看，外来入侵动物分布与各省(区)经济发展水平密切相关，经济发展水平高的省(区)外来入侵动物分布多，经济发展水平相对落后的省(区)分布少.总体来看，外来入侵动物空间分布呈现出自东向西、自南向北依次减少的趋势.

图3 至2021年入侵动物种类数量预测Fig.3 Prediction of the number of invasive animal species to 2021

将外来入侵动物的预测结果进行了简单分级(图4).其中，预测增量大于15种的地区划分为1级入侵，预测增量介于10～15种的地区划分为2级入侵，预测增量介于5～10种的地区划分为3级入侵，预测增量小于5种的地区归为4级入侵.研究结果表明1级入侵主要分布于辽宁、陕西、湖北、湖南、贵州、云南、广西和海南8省(区)，2级入侵主要分布于河北、山东、河南、安徽、江西、福建和广东7省，3级入侵主要分布于江苏、浙江、吉林、四川、青海、宁夏和内蒙古7省(区)，4级入侵主要分布于黑龙江、山西、甘肃、西藏和新疆5省(区)(图3).

图4 各省(区)入侵动物种类数量增量分析Fig.4 Increment of invasive animal species in each province(region)

3 讨论

外来入侵动物的分布格局与各地的经济发展程度密切相关.2018年福建、广东、广西、山东和云南等6省(区)的入侵动物种类在100种以上，而西藏、青海等省(区)的入侵动物种类不超过30种,其中广东、福建、山东、广西沿海4省(区)与外国贸易往来频繁、经济发达，而且气候温暖湿润，适合物种定居；云南西与缅甸、南与老挝和越南毗邻，频繁的贸易加速了外来入侵动物的扩散和传播.而西藏、青海处于内陆，交通不便，不利于外来种的传播，同时恶劣环境也不利于物种生存.总体而言，经济发达、人员流动大的省(区)入侵动物种类远大于与外界联系不便且处于内陆的省(区).

经济全球化使得国际、国内贸易往来越来越频繁，外来动物成功入侵的概率也大大增加.在中国随着时间的变化，贸易量增加的同时外来入侵动物种类也在增加，其中2009—2014年外来入侵动物的增长幅度最为显著，山东、辽宁、浙江、广东的外来动物增长幅度均超过40种.新增的物种有高雅海神蛤(Panopeaabtupta)、小圆皮蠹(Anthrenusverbasci)、烟草甲(Lasiodermaserricorne)、赤足郭公虫(Necrobiarufipes)、谷蠹(Rhizoperthadominica)等.以各省(区)2014年共同新增的物种——谷蠹(Rhizoperthadominica)为例，谷蠹起源于热带，喜高温高湿环境，可在仓内和仓外环境中发生.由于粮食具有很高的流通性，虫害粮食随之被调运，谷蠹自南向北扩散，目前谷蠹已入侵省份有辽宁、山西、山东、河南、湖北、湖南、浙江、福建、广东、云南、海南等.小楹白蚁 (Incisitermesminor)源自美国西南部和墨西哥北部，是一种重要的入侵生物，对胡桃木、柑橘、蔷薇、桉树、柳树、杨树等经济林木产生极大危害.小楹白蚁最早是由居民从国外携带木箱，经中国香港传入内地后逐步扩散.与之类似，橘小实蝇(Bactroceradorsalis)起源于中国台湾地区和日本琉球群岛，成功入侵中国大陆后，扩散到南方各省(市)[26]，呈现从南向北、从沿海向内地扩张的特征[27].

在不同的时间或空间尺度上繁殖压力是影响外来入侵动物分布的重要因素[28-31]，但是繁殖体的数量是很难准确获得的，甚至是不可能估计的.研究发现贸易网络可以大尺度上影响外来入侵生物的分布[17]，世界各国间的贸易量与入侵生物数量密切相关[32-34].Gallardo[35-36]研究了刻意引种鸟类的繁殖体的数量和国际贸易的关系，发现较人口密度或人类影响指数等指标而言，用贸易量代替繁殖体数量来预测外来入侵动物的分布更具有说服力.此外，不同国家、不同地区外来入侵物种的种类、数量及入侵途径存在差异，所以，各国、各地区应寻找合适的模型来预测贸易量与外来入侵物种数量间的关系.本研究表明对数模型能够很好地拟合进出口额累积量与外来入侵动物数量之间的相关性.中国外来动物入侵的重灾区仍为南方及沿海地区，其外来入侵动物预测总量仍是最多的区域.与2018年相比，2021年各省(区)入侵动物种类数目将均有所增加，入侵动物种类数目超过100种的省(区)除上文提到的6个省(区)以外，新增了沿海省份辽宁和海南.此外，对比2018年的入侵动物种类数量，广西在未来4年中入侵动物种类数量增幅最大，其次是贵州、湖北、湖南、云南等省份.该结果表明中国中部省(区)在未来将面临极大的外来动物入侵风险与挑战，入侵区域由南方及沿海地区向中部地区蔓延，入侵面积及频率都进一步增大，中部地区将成为新的入侵热点.特别是在“一带一路”等国家重大战略实施过程中，中国与世界各地的贸易往来愈发密集，极大地助力中国经济发展的同时，中国内陆受经济发展水平与自然条件制约的地区在未来遭受的外来动物入侵压力将持续升高.综上可知，贸易活动是影响外来动物入侵和扩散的重要因素，所以应该加强国际贸易过程中的检验检疫力度与引种监管，建立健全外来生物入侵风险评估预警体系，并需全面监测追踪已入侵物种，建立其快速的防控体系，从而保护中国生态环境安全.