邢文琦,陳睿山,*,盧俊港,郭曉娜

1 華東師范大學地理科學學院,上海 200241 2 上海交通大學設計學院,上海 200240

生物入侵是物種從原生地經(jīng)自然或人為途徑侵入到新環(huán)境,對入侵地的生物多樣性、農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)以及人類健康造成經(jīng)濟損失或生態(tài)災難的過程。這些侵入到新環(huán)境的物種稱為外來入侵物種(Invasive alien species, IAS)[1—2]。生物入侵是全球變化的重要因素,被認為是陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)中本土物種滅絕的主要驅(qū)動因素之一,是世界自然保護區(qū)的主要威脅之一,極大改變了世界各地的生境[3]。由于全球貿(mào)易的迅速發(fā)展,伴隨著氣候變化、土地利用變化、城市化、污染等環(huán)境變化,未來各大洲的外來入侵物種數(shù)量將會繼續(xù)增加[4]。

我國是世界上外來入侵物種數(shù)量最多的國家之一,外來物種總數(shù)已超過5000種[5],其中成功入侵我國的超過660種,較10年前增長了35%,較首次記錄增長了135%,涉及森林、水域、濕地、草地和城市居民區(qū)等幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)。近年來,我國對于生物入侵的制度建設和管理逐漸重視,國家分別在2003年、2010年、2014年和2016年發(fā)布了四批外來入侵物種名單,但是仍存在記錄在冊的入侵物種名錄不完整、相關法律體系不健全、跟蹤監(jiān)測和綜合評估能力較差及科學防治體系不完善等問題。2021—2022年我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等部門印發(fā)《外來入侵物種普查總體方案》、《外來入侵物種管理辦法》與《進一步加強外來物種入侵防控工作方案》等方案。強調(diào)要建立外來入侵物種普查和監(jiān)測制度,每十年組織開展一次全國普查,構(gòu)建全國外來入侵物種監(jiān)測網(wǎng)絡,開展常態(tài)化監(jiān)測[6]。我國“十四五”國家重點研發(fā)計劃中也設立了“重大病蟲害防控綜合技術(shù)研發(fā)與示范”、“生物安全關鍵技術(shù)研究”等重點專項,將為我國外來入侵物種防治的基礎理論和關鍵技術(shù)提供支撐。

在全球范圍內(nèi),生物入侵的研究歷史較長。早在19世紀, 達爾文就已經(jīng)探討了外來種成功定居和歸化的決定因素[7]。1958年Charles S. Elton的開創(chuàng)性著作對生物入侵發(fā)出了早期警告[8]。1992年以來,《生物多樣性公約》是世界上防治生物入侵的最權(quán)威的國際文件。2019年生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務政府間科學政策平臺(IPBES)開始的“外來入侵物種及其控制的專題評估”,將是生物入侵的第一份全球綜合評估報告[3]。然而我國對此研究起步于20世紀末,尚未將生物入侵作為一個系統(tǒng)進行綜合研究,相關研究落后于北美洲和西歐的發(fā)達國家。因此,厘清國內(nèi)外生物入侵研究的演化特征及趨勢十分必要,將進一步推動我國生物入侵過程、機理、影響及響應等研究,促進我國生物入侵研究的創(chuàng)新發(fā)展。

本文基于可視化知識圖譜繪制軟件CiteSpace[9],對Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)庫和Scopus,以及中國知網(wǎng)(CNKI)中關于生物入侵的文獻進行可視化分析,分析國內(nèi)外研究的演化特點與發(fā)展趨勢,提出我國生物入侵研究的展望,以最小化生物入侵的負面影響,促進生態(tài)、經(jīng)濟及社會可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源

使用CiteSpace軟件,選擇WOS核心數(shù)據(jù)庫和Scopus文獻搜索庫,選取“invasive alien species”or “biological invasion”作為關鍵詞篩選出24690篇文章,數(shù)據(jù)截取時間為1970年1月1日至2021年12月31日,去重后共計22471篇文章。

其次,選擇CNKI作為中文文獻搜索庫,選取“外來入侵物種”或“生物入侵”作為關鍵詞搜索到2867篇中文文章,數(shù)據(jù)時間參數(shù)為1996年1月1日至2021年12月31日,去重后為2542篇。

2 生物入侵研究歷史與進展

2.1 生物入侵研究歷史

英國學者查爾斯·羅伯特·達爾文早在1859年出版的《物種起源》一書中,提出看似矛盾的達爾文歸化假說和預適應假說[7]。一方面,與本土物種親緣關系遠的外來種更容易歸化。另一方面,和本土物種親緣關系近的外來種更易成功入侵[7],打開了生物入侵的研究大門。國際上對外來入侵物種管理的關注較早,其中美國早在1912年通過了《植物檢疫法》,授權(quán)農(nóng)業(yè)部長監(jiān)管可能攜帶有害植物病蟲害的苗木進口。1958年Charles S. Elton關于生物入侵的開創(chuàng)性著作對生物入侵發(fā)出了早期警告,為外來入侵物種的研究奠定了基礎[8]。1980年,生態(tài)學家明確提出“生態(tài)入侵”這一概念[10—11]。但直到20世紀90年代,入侵生態(tài)學的相關論文才呈指數(shù)增長,并將在未來呈現(xiàn)整體增加的趨勢(圖1)。

圖1 1970—2021年生物入侵相關研究的文章數(shù)量Fig.1 Number of articles on biological invasions from 1970 to 2021

世界各國對于生物入侵的相關研究不斷增多。1970—2021年間,在全球范圍內(nèi),北美洲和歐洲的發(fā)達經(jīng)濟體對生物入侵的研究開始時間早,研究成果和論文數(shù)量最多。其中,美國對外來入侵物種的研究遠超世界各國,文章超過8000篇。其次是位于歐洲的英國、法國、意大利、西班牙、捷克等國家,自20世紀80年代后期逐漸開展生物入侵的研究。值得一提的是,一些發(fā)展中國家對于生物入侵的研究也在持續(xù)增加,南非、印度、智利等國家都是自21世紀以來,文章數(shù)量增長迅速。而中國對于生物入侵的研究始于1996年,2000年以來相關研究數(shù)量不斷增加,目前文章數(shù)量超過1500篇,居世界前列(圖2)。

2.2 發(fā)文作者及機構(gòu)分析

國外文獻數(shù)量最多的機構(gòu)是美國加利福尼亞大學,為676篇(圖3)。其次是斯泰倫博斯大學、美國佛羅里達大學、科羅拉多州立大學、林肯大學、華盛頓大學等。國外的研究力量更集中,合作強度大,研究分支更多。各大高校成為全球生物入侵研究的主導力量,其次是科研院所,尤其是形成了以美國各大高校為中心的合作力量。具體到作者,Richardson D的發(fā)表量最多,達280篇。其次,Py?ek P、Hulme P、Van D等學者的發(fā)文量都位于前列,核心作者群之間的研究集中度和合作強度較大。

圖3 1970—2021年國外文獻作者及機構(gòu)分布Fig.3 Knowledge map of authors and institutions abroad from 1970 to 2021

國內(nèi)文獻數(shù)量最多的機構(gòu)是海南大學,為18篇(圖4)。其次是中國農(nóng)業(yè)科學院、中國科學院大學、中科院動物研究所、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院、北京林業(yè)大學等機構(gòu)。就發(fā)文作者而言,萬方浩、李博、鄭金龍、吳偉懷等學者發(fā)文數(shù)量較多,其中萬方浩的發(fā)文量最多,為29篇。相比國外,國內(nèi)的合作強度較低,研究分支較少,呈現(xiàn)出雙核心、分散式的結(jié)構(gòu)模式,一方面形成了以萬方浩為核心的中國農(nóng)科院及中科院等高校機構(gòu)的合作,另一方面形成以海南大學為中心的眾多學者及機構(gòu)的合作。在兩大研究力量之外,部分研究機構(gòu)如中國檢驗檢疫科學研究院、濱州學院等也形成了分散的次核心力量,次核心力量之間的合作強度較低。

圖4 1996—2021年國內(nèi)文獻作者及機構(gòu)分布Fig.4 Knowledge map of authors and institutions in China from 1996 to 2021

2.3 國內(nèi)外關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡

運用CiteSpace可視化軟件繪制生物入侵研究的高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡,節(jié)點越大表明該關鍵詞出現(xiàn)頻率越高,出現(xiàn)時間越早。1970年以來國外研究圍繞著“生物入侵”、“入侵物種”、“生態(tài)系統(tǒng)”、“生物多樣性”、“本土物種”、“北美洲”等關鍵詞展開(圖5)。1996年以來國內(nèi)研究圍繞“生物入侵”、“外來物種”、“危害”、“有害生物”、“對策”、“風險評估”等關鍵詞展開(圖6)。

圖5 1970—2021年國外生物入侵研究關鍵詞圖譜Fig.5 Keyword map of foreign biological invasion research from 1970 to 2021

圖6 1996—2021年國內(nèi)生物入侵研究關鍵詞圖譜 Fig.6 Keyword map of domestic biological invasion research from 1996 to 2021

其次,統(tǒng)計出現(xiàn)頻次最高的20個國內(nèi)外研究的關鍵詞,這些關鍵詞涉及到入侵物種、生態(tài)影響、氣候變化等多個維度(表1),涉及到生物學、生態(tài)學、地理學、經(jīng)濟學等交叉學科。國內(nèi)外研究中頻次最高的前兩項關鍵詞基本一致,分別是“生物入侵”和“外來物種”,同時,國內(nèi)外都涉及到“生態(tài)系統(tǒng)”、“氣候變化”。然而對比發(fā)現(xiàn),國外和國內(nèi)高頻關鍵詞也存在顯著不同,國外關鍵詞出現(xiàn)頻次顯著高于國內(nèi),更加多樣化、研究主題更豐富,國內(nèi)關鍵詞相對較為單一。國外文獻關注點集中在“美國”、“歐洲”、“入侵動物”、“生物多樣性”、“傳播”、“生理學”、“物種豐富度”、“種群動態(tài)”等方面。國內(nèi)文獻集中關注“有害生物”、“危害”、“防治對策”、“生物安全”等方面。因此,國外文獻更注重生物入侵的驅(qū)動因素、壓力及入侵狀態(tài),而國內(nèi)文獻并未注重生物入侵的原因及狀態(tài),而是注重危害及防控措施。

表1 高頻關鍵詞統(tǒng)計表

3 國內(nèi)外研究熱點及其演變特征

3.1 國內(nèi)外研究熱點

國外生物入侵突現(xiàn)詞的整體突現(xiàn)強度大,且各突現(xiàn)詞之間強度差異大,而國內(nèi)突現(xiàn)強度小,差異小(圖7)。從突現(xiàn)強度來看,國外突現(xiàn)強度最大的是“北美洲”、“歐洲”、“生物入侵”,2003—2009年突現(xiàn)詞最多。國內(nèi)突現(xiàn)強度最大的是“紫莖澤蘭”(Ageratinaadenophora)、“大米草(Spartinaanglica)”、“外來種”,2001—2007年突現(xiàn)詞最多。從突現(xiàn)時間跨度來看,國外突現(xiàn)詞的時間跨度顯著高于國內(nèi),國外時間跨度超過5年的占80%,包括“USA”、“Biological invasion”、“Insecta”、“Bivalvia”、“Invertebrata”、“Eurasia”等,說明美國、歐洲及澳大利亞的外來入侵動植物受到國外學術(shù)界的持續(xù)關注。國內(nèi)時間跨度超過5年的占32%,包括“外來種”、“氣候變化”、“美國白蛾(Hyphantriacunea)”、“林業(yè)”、“防控對策”等,說明入侵物種及防控對策受到國內(nèi)學術(shù)界的持續(xù)關注,其中我國常見的入侵物種研究有紅火蟻(SolenopsisinvictaBuren)、椰心葉甲(Brontispalongissima)、松材線蟲(BursaphelenchusxylophilusL.)、紫莖澤蘭、美國白蛾、豚草(Ambrosiaartemisiifolia)、加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)、互花米草(SpartinaalternifloraLoisel)等[12]。從研究熱點來看,“Invasive alien species(外來入侵物種)”這一完整定義在2018年才首次出現(xiàn)。2018年后“影響”、“外來入侵物種”和“生物安全”分別是當下國外和國內(nèi)的研究熱點。

3.2 國外階段性特征

國外生物入侵的研究以地方和國家尺度最多,區(qū)域尺度較少。文章數(shù)量在1988年后急速增加,20世紀90年代到21世紀初的研究數(shù)量增長最快,也是關鍵詞最多的階段。從不同的階段特征來看(圖8):

圖8 1970—2021年國外生物入侵研究的時空分區(qū)圖譜Fig.8 Temporal and spatial map of foreign biological invasion research from 1970 to 2021

(1) 1970年處于起步階段,國外尤其是美國開始關注生物入侵,以及物種滅絕、基因變化等[13]。

(2) 1988年以來,北美洲、歐洲和澳大利亞對于外來動植物的研究最多,這期間島嶼生物入侵也被廣泛關注[14]。

(3) 1992年以來,主要關注入侵物種的種群動態(tài)[15]、擴散機制[16—17]及管理等。

(4) 2000年以來,重點關注生物入侵驅(qū)動機制[18]、生態(tài)預測模型[19]、氣候變化[20]、土地利用變化[21]、風險評估及恢復生態(tài)學[22]。其中亞洲、歐洲南部及南美洲的研究增多,主要關注淡水生態(tài)系統(tǒng)中的外來物種。

(5) 2010年以來,注重外來微生物,生態(tài)系統(tǒng)服務[23]、入侵物種分布模型[24]、國際貿(mào)易及全球氣候變化研究[4,20]。

(6) 2015年以來,遙感建模與深度學習[25]、人工智能、環(huán)境DNA[26]、經(jīng)濟成本、及城市生態(tài)系統(tǒng)[27—28]是其研究熱點。

近年來,越來越重視全球氣候變化與多元驅(qū)動因素相互作用下的生物入侵[4],并利用技術(shù)手段監(jiān)測與防治生物入侵。其中,對外來動植物的關注多,對外來微生物和無脊椎動物的研究仍存在不足。

3.3 國內(nèi)階段性特征

國內(nèi)生物入侵的研究以地方和區(qū)域尺度較多。文章數(shù)量在2000年后迅速增加,2000—2010年是研究數(shù)量增長最快的階段。從不同的階段特征來看(圖9):

圖9 1996—2021年中國生物入侵關鍵詞年度變化及聚類分析Fig.9 Annual changes and cluster analysis of biological invasion keywords in China from 1996 to 2021

(1) 1996年逐步關注入侵生物的繁殖生長、危害[29]、有害生物、國家安全及其防治策略[30]。

(2) 2002年以來,重點研究生物入侵的危害、入侵途徑[31]、入侵機制[32]及生態(tài)安全[33]、應對措施[34]。

(3) 2010年以來,主要關注全球貿(mào)易與經(jīng)濟發(fā)展、氣候變化下的生物入侵[35—36],生物入侵模型、入侵機理以及風險評估[37]。

(4) 2015年以來,“一帶一路”下的生物入侵[38],入侵物種分布格局[39]及其增長預測[40],3S技術(shù)、圖像識別等技術(shù)手段及綜合防控體系[41]是其研究熱點?？傮w來看,近十年來我國生物入侵的研究重點不夠突出,研究內(nèi)容較分散,且不同聚類的關注度和熱度都在降低。

綜合來看,目前國內(nèi)外在生物入侵的多元驅(qū)動機制、技術(shù)監(jiān)測及生態(tài)恢復等方面還存在不足。例如,在已發(fā)表的關于生物入侵的研究中,大約只有16%的研究考察了與至少一個驅(qū)動因素的相互作用,若考慮到與兩個或更多驅(qū)動因素的關聯(lián)時,這一比例不到3%[42]。然而我國對生物入侵的研究落后于美國以及歐洲的發(fā)達國家[43],目前對生物入侵造成的危害及防控建議的關注較多,而驅(qū)動機制及預警監(jiān)測的研究相對薄弱。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文基于CiteSpace知識圖譜可視化軟件,分析了1970—2021年國外和1996—2021年國內(nèi)生物入侵研究的發(fā)文量、發(fā)文作者與機構(gòu)、研究熱點、進展及趨勢。結(jié)論表明:

(1)從發(fā)文量和國家看,1990年后國內(nèi)外的發(fā)文量不斷增加,2000年后我國發(fā)文量增長迅速。美國對生物入侵的研究最早,其次是西歐的發(fā)達國家及澳大利亞,近年來我國發(fā)文量也躍居世界前列。

(2)從發(fā)文作者和機構(gòu)看,國外研究機構(gòu)的合作關系更密切,尤其是形成了以美國各大高校如加利福尼亞大學、佛羅里達大學、科羅拉多州立大學等為中心的合作力量。其中,Richardson D、Py?ek P、Hulme P等學者構(gòu)成核心作者群,其研究集中度和合作強度較大。而國內(nèi)的研究機構(gòu)合作強度相對較低,以中國農(nóng)科院和海南大學為主體,呈現(xiàn)出雙核心、分散式的結(jié)構(gòu)。其中,萬方浩、李博、鄭金龍、吳偉懷等形成核心作者群,而非核心作者群間的合作交流較少。

(3)從關鍵詞共現(xiàn)分析看,國外關鍵詞出現(xiàn)頻次顯著高于國內(nèi),研究主題多樣化,而國內(nèi)關鍵詞較為單一。國外生物入侵突現(xiàn)詞的整體突現(xiàn)強度大,并且各突現(xiàn)詞之間強度差異大,國內(nèi)突現(xiàn)強度小,差異小。國外文獻更注重生物入侵的驅(qū)動因素、壓力及入侵狀態(tài),而國內(nèi)文獻注重危害及防控措施。

(4)從研究熱點和階段性特征看,近年國外研究熱點較廣,涉及入侵物種的種群動態(tài)、擴散機制、生態(tài)模型、島嶼入侵、風險評估、氣候變化及國際貿(mào)易等。國內(nèi)研究熱點有入侵途徑、機制、危害、防治策略、全球貿(mào)易、氣候變化等。近年來,國外研究越來越重視全球氣候變化與多元驅(qū)動因素相互作用下的生物入侵,但對外來微生物和無脊椎動物的研究較少。而近十年國內(nèi)研究重點不突出,研究內(nèi)容較分散,且不同聚類的關注度和熱度都在降低,對入侵驅(qū)動機制及預警監(jiān)測的研究還較薄弱,這也是未來需要關注的重點。

4.2 研究展望

隨著全球經(jīng)濟體一體化與國際貿(mào)易的飛速發(fā)展,我國生物入侵形勢十分嚴峻。我國在入侵物種的分布格局[44]、動態(tài)模擬[45]、控制與恢復等方面取得了重要進展,綜述了生物入侵的入侵機制[46]、存在的問題及對策[47—48]等內(nèi)容。萬方浩指出,我國目前已逐漸形成了應對生物入侵的中國方案,從早期的預防預警和檢測監(jiān)測,到中期的撲滅攔截,再到后期聯(lián)控減災[49],對一些重要入侵種進行了初步控制。然而,目前我國在國際研究中的影響力仍較弱,與美國、澳大利亞、日本、英國等國的國家入侵理事會專業(yè)機構(gòu)相比,我國防治生物入侵的機構(gòu)較分散。研究重點仍在地方或區(qū)域尺度上,在生物入侵的遺傳學、基因組學[50]、預防預警等方面仍存在不足。

綜合以上分析,我國的生物入侵研究在合作力量、研究深度、研究前沿等方面與國外相比仍有一定差距,未來我國生物入侵研究還需進一步深入探討的方面包括:

(1)加強研究機構(gòu)及研究者之間的合作。國內(nèi)的發(fā)文作者及機構(gòu)較國外更為分散,研究機構(gòu)跨區(qū)域合作較弱,未來應適度地通過政策引導、核心機構(gòu)帶頭等方式,促進跨區(qū)域、跨國的研究機構(gòu)及作者之間的合作。充分發(fā)揮跨學科優(yōu)勢,融合生物學、生態(tài)學、地理學、社會學、經(jīng)濟學等學科前沿,拓寬生物入侵的研究力量。

(2)突出研究重點,深化研究內(nèi)容。進一步深化對我國外來物種入侵的驅(qū)動機制及預警監(jiān)測的研究,加強氣候變化與全球貿(mào)易對生物入侵的影響機制研究。更多關注生物入侵綜合評估,加強外來入侵物種普查與監(jiān)測,完善生物入侵風險評價體系,強化跨區(qū)域的引入-擴散-成災全程風險預測與定量評估技術(shù)。加強科學防治技術(shù)研究,綜合運用人工智能、機器學習、基因組學、5G、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應用等交叉學科優(yōu)勢,研發(fā)外來入侵物種的智能篩查裝備,開發(fā)高效精準快速檢測和監(jiān)測預警技術(shù),形成適用性強、易推廣的綜合防治技術(shù)。

(3)與國際研究保持同步,強化全球貿(mào)易、氣候變化與多元驅(qū)動因素相互作用下的生物入侵研究,重視對外來微生物和無脊椎動物的研究,關注“一帶一路”下的生物入侵及恢復生態(tài)學等內(nèi)容。未來應借鑒IPBES外來入侵物種評估報告,摸清家底,發(fā)揮跨學科優(yōu)勢,深入研究生物入侵的驅(qū)動-壓力-狀態(tài)-響應的綜合評估體系,逐步完善我國生物入侵的研究體系,維護國家生態(tài)安全。