中国外来入侵物种数据库简介

冼晓青， 陈 宏， 赵 健， 万方浩＊

（1.中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193；2.福建省农业科学院植物保护研究所，福州 350013）

随着人类活动对自然界影响的日益加剧，生物入侵已成为全球关注的问题。它不仅改变了生物的原有地理分布和自然生态系统的结构与功能，还对环境产生了很大的影响。入侵物种经常形成广泛的生物污染，危及土著群落的生物多样性并影响生产生活，造成了巨大的经济损失［1］。数据集成是研究生物入侵的基础，对追踪物种入侵的历史，分析入侵种扩散规律，预测某一类群生物的入侵可能性，具有不可忽视的作用，也为入侵的预警提供大量必要的信息［2］。建立外来入侵物种数据库是其数据集成的一种方式，它可以及时地将入侵物种信息提供给相关机构、口岸、植检部门、科研单位和行政管理人员，便于他们及时掌握外来入侵物种的动态；在生物入侵数据分析的基础上，寻找入侵生物的统计规律，并以此探索入侵的机制，或建立模型预测其可能的风险，以便制定相应的法规和采取有效的措施预防和控制外来物种的入侵［2］。

国际上关注生物入侵研究已有100多年的历史，但直到20世纪80年代才引起人们的关注［3］。各研究机构和政府部门建立外来入侵物种数据库在1990年之后才开始的。1991年，美国农业动植物健康检查服务局（USDA－APHIS）建立了入侵生物信息管理系统，其中包括植物害虫、有害杂草和北美外来节肢动物三个数据库。1997年，国际科联环境科学问题委员会（SCOPE）、世界自然保护联盟（IUCN）和联合国环境规划署（UNEP）共同发起了全球入侵物种计划（GISP）。在该计划的支持下，IUCN入侵物种专家组（ISSG）建立了第一个专业的全球生物入侵数据库（Global Invasive Species Database）。该数据库以威胁生物多样性的入侵种为焦点，包括了微生物、动物和植物的所有类群。数据库内容包括物种的生物学、生态学特性，本地和外来种的分布范围、参考书目、联系方法、链接和图像等。此后，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰等国家和组织陆续开发了入侵物种数据信息系统，如欧洲外来入侵物种数据库（Delivering Alien Invasive Species Inventories for Europe）、国际应用生物科学中心（CABI）的入侵物种大全（Invasive Species Compendium）。

自2001年国内第一个专业生物入侵网站“中国生物入侵网”建立以来［4－5］，我国研究人员也开发了许多外来物种的数据信息系统。根据信息系统公布的表现形式可分为以下三类：一是以域名正式对外公开的网站，如以综合类入侵物种为对象的中国农业有害生物信息系统、中国外来海洋生物物种基础信息数据库［6］、中国外来入侵植物信息系统、环保部外来入侵物种数据库［7］；以特定物种或某类入侵物种为对象的苹果蠹蛾防控信息网、实蝇预警系统、中国蓟马网、植物入侵防控及利用技术研究与示范。二是以科技论文形式发表的信息系统，如中国外来树种信息库［8］、城市绿地外来潜在危险性有害生物数据库［9］、山东省外来物种数据库应用系统［10］、云南省外来入侵生物网络数据库［11］、武汉市外来物种入侵风险预警网［12］、江苏省重要外来有害生物管理信息系统［13］、外来生物入侵预警网络平台［14］、外来有害生物定量风险分析系统［15］、农作物外来有害生物地理信息系统［16］。三是已获得软件著作权登记的信息系统。据初步统计，有16项已获得软件著作权的信息系统与外来物种有关，如外来生物灾害知识应急管理系统（登记号2012SR071591）、外来有害生物防控数字实验室系统软件（登记号2012SR099072）。

我国的生物入侵研究正处于快速发展阶段，入侵物种数据信息系统的建设在整体上与国际水平还有一定的差距。这些入侵物种信息系统不仅包含的入侵物种种类不全、数量少，而且物种的基础信息内容不完整；系统的功能只能满足特定人员使用，导致推广应用十分困难。针对上述不足，项目组在十余年的入侵物种资料收集和野外考察的基础上，开发了中国外来入侵物种数据库信息系统，该系统涵盖我国外来入侵物种的所有种类（动物、植物和微生物），将成为国内入侵物种种类最齐全、信息量最大的信息系统，为外来入侵物种的早期预警和检测监测提供网络技术平台。目前，该平台以域名www.chinaias.cn正式对外开放。

1 数据库的功能

中国外来入侵物种数据库信息化平台根据系统软件的功能划分为：中国外来入侵物种数据库系统、中国外来入侵物种地理分布信息系统、外来入侵物种野外数据采集系统、外来入侵物种安全性评价系统、中国主要外来入侵昆虫DNA条形码识别系统和中国重大外来入侵昆虫远程监控系统。

中国外来入侵物种数据库系统是实现对外来入侵物种基础数据、野外考察数据和入侵物种图片影像等多媒体数据的管理和发布，为科研部门和公共用户提供外来入侵物种信息交流和科普宣传的信息化平台；外来入侵物种地理分布信息系统是运用GIS技术强大的空间数据管理和分析能力，实现外来入侵物种野外考察数据的空间分布展示，为外来入侵物种监测和防控提供依据；外来入侵物种野外数据采集系统是在移动智能终端设备上开发的信息化野外调查工具，系统集成了数据采集、数据存储和数据上传等功能，提高了野外考察的工作效率；外来入侵物种安全性评价系统利用信息化技术手段构建基于网络及用户交互式安全性评价模型，安全性评价结果为制定入侵生物的管理措施提供决策支持服务；中国主要外来入侵昆虫DNA条码识别系统是基于Blast DNA比对模型框架开发的针对我国难以识别的外来入侵昆虫种类的DNA条码对比系统，为科研人员提供DNA条码比对、条码信息管理和共享的信息服务平台；中国重大外来入侵昆虫远程监控系统由野外数据采集设备和监测数据管理系统组成，系统为入侵昆虫远程监控构筑的信息自动采集网络。数据库的功能体系如图1所示。

图1 中国外来入侵物种数据库的功能框架Fig.1 Functions of the database of invasive alien species in China

2 数据库的总体架构

数据库项目总体架构由数据库集群、数据访问接口、业务化信息服务平台、网络环境和应用服务5个部分组成。总体架构如图2所示。

图2 中国外来入侵物种数据库的总体架构Fig.2 The framework of the database of invasive alien species in China

3 系统实施技术路线

系统实施过程涉及外来入侵物种数据资源建设、外来入侵物种野外调查、外来入侵物种数据库系统软件建设、数据库系统软件应用等步骤。每个系统实施内容又包含了许多具体的研究和实施内容。每个实施步骤前后衔接，相互支撑，为系统研发的顺利开展提供保障。具体实施路线如图3所示。

4 硬件环境建设

为了保证系统运行的稳定性和安全性，专门采购独立的服务器用于系统的部署。服务器采用DELLTMPowerEdge®R710机架安装服务器，Intel（R）四核E5506 Xeon®CPU，2.13GHz，4M 高速缓存，QPI达4.86 GT／秒，4 GB （2×2 GB）1333 MHz双 列UDIMM内存，用于1个处理器的配置，500 GB 7.2k RPM近线6 Gbps SAS 3.5英寸热插拔硬盘。

5 系统的建设

5.1 数据资源建设

外来入侵物种数据资源建设是整个数据库系统的核心，它为各个信息化软件系统提供数据支撑。数据库包括物种基本调查数据库、物种相关信息数据库、专家资料数据库和科研成果数据库等。中国外来入侵物种信息库累计收录了我国500多种外来物种基本信息、200多种外来入侵物种野外考察信息、40多种检测监测技术、20多种生物防治技术和70多种风险评估信息。物种基本信息包括物种的名称、分类地位、国内外分布、主要危害、突出案例、首次发现或引入的地点及时间、原产地、传入途径、扩散途径、生境类型、鉴别特征、生物学特性、可能扩散的区域、预防、控制和管理措施，以及参考文献等。外来入侵物种调查数据库主要包括调查地点信息表、问卷调查表、物种排查表、植物普查表、植物样方表、病害普查表、病害标地表、动物普查表、动物标地调查表、安全 性评估表、标本信息表、影像信息表和考察路线表［17］。

图3 中国外来入侵物种数据库系统实施技术路线Fig.3 The technical route of the database of invasive alien species in China

5.2 子系统的开发与功能

5.2.1 中国外来入侵物种数据库系统

系统采用B／S构架，可避免客户端PC设备存在的各种差异，让数据应用子系统发挥最大的社会效益；采用ADO.NET技术访问数据库。该技术可以方便地连接数据库，对用户屏蔽了异构数据库系统的差异，用户不需要了解不同数据库系统的差异就可以方便地取得需要的数据；连接数据库后，将数据源中的数据导入DataSet对象，在DataSet对象中就可对数据表进行各种操作，而且DataSet对象本身也可远程传递，不依赖与数据库的独立数据集合，断开数据链路或者关闭数据库依然可用。

系统可进行精确查询和模糊查询。查询条件包括物种名称（中文名称／拉丁学名）、分类地位（门／纲／目／科／属）、栖息地类型、入侵时间、国内分布。用户输入查询条件后，系统以表单的形式返回查询结果。该系统实现以外来入侵物种名称为起点，查询和显示特定外来入侵物种相关的所有资料（文字／图片／影像等），其中包括物种排查记录、问卷调查记录、普查记录、标本信息、相关专家和文献资料。系统中可自定义外来入侵物种显示的方式（包括排序字段、排列方式、列表显示方式等）。

5.2.2 中国外来入侵物种地理分布信息系统

系统以ArcGIS Server为开发平台，将Web技术同GIS技术、数据库技术和数据库查询技术有机地结合与集成。系统通过Web访问GIS数据库提供的基本图层信息，然后通过数据库查询技术将WebGIS空间数据库和外来入侵物种信息数据库结合起来，经过分析处理，结合形成有外来入侵物种的分布信息的图层数据并返回显示。实现了基于空间框架的外来入侵物种信息查询和显示，同时保证了在不同的浏览器平台上的良好兼容性。

地理分布信息系统由地图操作模块、地图图层控制模块、入侵物种分布模块、物种问卷排查模块、物种普查模块和历史入侵物种模块组成。系统能够实现基础地理数据显示、地图浏览操作、专题图显示、基于属性数据和空间位置的查询、专题地图输出（如入侵物种问卷排查、普查和历史分布的查询与显示；省级行政区划的入侵物种种类统计）。

5.2.3 外来入侵物种野外数据采集系统

野外数据采集系统针对传统野外考察工作中存在的卡片填写工作量较大且不容易定位，对采集数据完整性得不到及时有效控制，内业数据录入工作量大，数据出错的概率高等问题，利用PDA（Personal Digital Assistant）—个人数字助理具有体积小、耗电少、存储容量大、操作简单、携带方便等特点，开发的基于PDA的外来入侵物种野外数据采集工具。

系统采用C／S结构。PDA（或具有同等功能的智能手机）作为数据采集系统客户端的支持平台，集成了前端数据采集系统、SQLServerCE数据库、GPS模块、图像采集模块和无线通信模块（GPRS／3G或WIFI等），实现外来入侵物种基础数据采集、地理经纬度数据采集、图像数据采集以及通过无线通信模块将采集到的数据上传至服务器。

系统分为外来入侵物种基础数据采集模块、地理信息数据采集模块、图像数据采集模块、数据操作模块和数据上传模块。将外来物种野外调查的3类（动物、植物和微生物）24张表格进行电子化，实现外来入侵物种野外调查数据采集、数据存储和数据上传等功能。提高了外来入侵物种野外数据采集的工作效率。

5.2.4 外来入侵物种安全性评价系统

在假设外来入侵生物的一般性入侵和危害的基础上，针对外来生物入侵的复杂性和模糊性的特性，项目利用层次分析法（AHP）的基本原理和模糊综合多指标法，结合网络编程语言ASP和ACCESS数据库，建立了基于网络及用户交互式的外来入侵生物安全性评价系统。

系统基于AHP的基本原理，设立安全性指数为总的目标层，以影响外来入侵生物安全性的一般性因素和过程－传入、定殖、扩散和危害为原则层，在各个原则层下设立各种指标，构成指标层。评价时根据用户（专家）的经验判断对所选指标赋0～1间的数值，同时提供等权、层次分析法赋权和手动赋权3种方法赋权，用户可根据自身情况任意选择，最后综合各指标的得分求出物种安全性指数，并给出安全性评价报告。

本系统的指标采用模糊分析法，对每个指标设立0～1的模糊区间，0表示最安全或最有利于安全，1表示最危险或最不利于安全，并对每个指标设定了4个有利于判断的模糊域，即0～25%、25%～50%、50%～75%和75%～1的说明。同时，系统建立了基于ACCESS的网络指标数据库，通过为指标设立阶段、种类、范围及重要程度等多种属性，从而可以进行外来入侵生物的不同阶段（传入、定群、扩散及危害）、不同种类（植物、昆虫和微生物）和不同尺度（全国和区域）的安全性评价。

5.2.5 中国主要外来入侵昆虫DNA条形码识别系统

系统采用B／S的三层架构模式，开发环境采用VS.NET的C＃语言，集成应用Blast DNA比对模型框架和Ajax技术，数据存储采用SQL Server 2005数据库。系统DNA条码比对模块采用Blast算法和数据处理模块，系统建设的难点在于业务系统数据与Blast模块的交互。基于技术架构的综合考虑，系统采用基于 WCF技术的数据接口方案。系统以实蝇类、蓟马类、粉虱类和介壳虫类等形态难以识别和鉴定的入侵昆虫为研究对象，实现了这四类昆虫COI条形码比对、序列查询、序列提交和用户信息管理等功能。

条码比对：在序列比对页面输入COI序列信息或者直接上传FASTA格式的COI序列信息文件，然后系统自动将目标序列与数据库中的序列进行BLAST比对。比对结果根据匹配率由高到低的顺序逐一显示，并可导出EXCEL文件和打印操作。

序列查询：通过输入物种名称、序列来源、分类地位等信息进行精确或模糊查询，可查询出相应的序列列表信息，同时可以查看序列详细信息和物种统计、条码统计结果等功能。条码列表列出序列的具体信息，包括物种中文名称、拉丁学名、序列名称、来源等内容。

序列提交：用户需注册并登录，然后根据系统提示，填写完整序列信息、样本信息、标本信息后，才能提交本序列。经后台审核通过，序列信息方可入库。

我的序列：根据登录系统的用户列出属于用户的序列信息，并提供对序列信息的修改、删除、导出等功能。

5.2.6 中国重大外来入侵昆虫远程监控系统

远程监控系统由野外数据采集设备和信息管理软件组成。数据采集设备集成了性诱集、无线通讯模块、GPS模块、红外传感器、摄像传感器、环境温湿度传感器和太阳能电池等电子设备，能够在无人值守情况下提供长期连续的外来入侵物种监测数据。信息管理软件数据接口架构采用Web Service；开发环境采用VS.NET开发平台；开发语言采用C＃；数据存储采用SQL Server 2005数据库。系统实现对野外监控设备状态控制、监控设备与业务平台之间的数据交互与管理、监控数据分析统计等功能，能够对外来入侵物种进行实时监控。

5.2.6.1 野外无人监测设备

采用移动通信网作为远程数据传输网，本地网可以采用WIFI组网；在田间自然环境下监测，设备管理配置GPS追踪；太阳能板与设备主体集成；用昆虫诱捕器作为主设备的底体；当昆虫从诱捕器入口向下落，感应计数器的传感探头将自动计数，本地存贮时间、计数信息、照片信息，每日定期将数据集合上传或直接发回服务器数据库。为避免雨水直接接触，温、湿传感器与主机箱安置在太阳能电池板下方。

5.2.6.2 监控信息模块

通过监控对象、诱集方法、设立时间、设备状态和地址查询出所有的监测点。监测点的详细页面包括设备编号、经纬度以及监控对象、采集时间等。采集信息包括监测对象、设备编号、环境湿度、环境温度、采集指令类型、采集时间等。信息统计模块实现监控对象、指令类型、监控区域、监控点、统计时间对监控对象的捕获和监控信息的统计报表。

6 存在的问题及展望

6.1 数据的获取与准确性

数据是数据库系统的基石，建立入侵物种数据库需要大量的入侵物种基础数据。随着生物入侵研究的快速发展，以及受到研究资金和研究者参加项目的影响，广泛而全面地收集生物入侵相关数据变得越来越困难。统计数据分析表明，一个期刊一年就可以贡献大量的生物多样性数据。采用联合数据保存政策对于数据库和期刊是双赢的策略，并将是一个在数据数量和质量上可持续的方法［18］。生物入侵物种数据信息系统，也应寻求与生物入侵研究相关期刊的合作和协调，并在生物入侵领域促进科学数据的共享，尤其要积极促进从事生物入侵研究的人员愿意向公共的数据库系统提供免费数据并获得一定的利益［19－20］。同时，尽可能降低数据库中原始数据的错误，如物种的有争议分类信息、新确定的发生区域［21］。

6.2 数据的标准统一

随着外来入侵物种信息系统数量的不断增加，研究者们应该着手考虑建立统一的数据库结构的标准，或者获得相关数据的标准［22］。尤其是物种的名称和分类地位信息，便于在不同的数据库中寻求实际的可比性。Ricciardi等［23］曾指出一个标准的入侵物种数据库应该具备如下关键信息，包括物种的分类地位、物种名称、同物异名、相关的形态或遗传变异信息、鉴别特征（包括照片和详细的描述）、地理分布和生境类型（包括地图）、基础生物学信息（生活史、营养条件、繁殖特征、丰富度（或者发生面积和繁殖力）、环境特性和最佳生长条件、生物学相关（病原菌、寄生物和共生物）、传播和扩散途径、生态和经济影响（包括对入侵地种群、群落和生态系统的影响、经济影响和控制费用）、预防、控制和管理措施、专家信息、参考文献（含有电子链接）。中国外来入侵物种数据库系统在数据库结构设计中已充分考虑上述信息，但是部分物种的详细信息需要进一步补充。

6.3 数据库系统的维护与更新

随着计算机技术、地理信息技术和网络技术的不断发展，应适时更新现有数据库的系统，并根据研究的需要开发新的子系统；同时，为了便于让国外同行了解中国外来入侵物种概况，下一步应该在现有的数据信息系统基础上，尽早开发简化的英文版平台。

［1］Curnutt J L.Host－area specific climatic－matching：similarity breeds exotics［J］.Biological Conservation，2000，94：341－351.

［2］徐汝梅.数据库与数据分析［M］∥徐汝梅.生物入侵：数据集成、数量分析与预警.北京：科学出版社，2003：71－73.

［3］万方浩，严盈，王瑞，等.中国入侵生物学学科的构建与发展［J］.生物安全学报，2011，20（1）：1－19.

［4］徐岩，韩雪梅，徐汝梅.中国外来入侵种预警信息系统的建立［J］.植物检疫，2005，19（5），286－288.

［5］林雯，韩雪梅，徐岩，等.介绍中国生物入侵网［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2006，42（2）：189－194.

［6］衣丹，石红旗，缪锦来，等.中国海洋生物入侵网建设初探［J］.海洋学进展，2005，23（S1）：132－134.

［7］徐海根.外来入侵物种数据库和网站的研究与开发［M］∥徐海根，王健民，强胜，等.《生物多样性公约》热点研究：外来物种入侵.生物安全.遗传资源.北京：科学出版社，2004：129－135.

［8］刘宁，郑勇奇，宗亦臣，等.外来树种信息系统的构建［J］.中国农学通报，2006，22（5）：131－133.

［9］罗卿权，鞠瑞亭，徐颖，等.基于 Web Service的城市绿地有害生物PDA实时监控系统的开发与应用［J］.植物保护学报，2011，38（1）：9－14.

［10］Guo Weihua，Liu Heng，Du Ning，et al.Structure design and establishment of database application system for alien species in Shandong Province，China［J］.Journal of Forestry Research，2007，18（1）：11－16.

［11］杨如艳，陈斌，李正跃，等.云南省外来入侵生物网络数据库的初步构建［J］.云南大学学报（自然科学版），2008，30（S1）：206－209.

［12］熊姁.武汉市外来物种入侵风险预警网的构建［D］.武汉：华中师范大学，2008.

［13］蔡超.基于web的江苏省重要外来有害生物管理信息系统的构建［D］.扬州：扬州大学，2008.

［14］刘丰，张国良，高灵旺.外来生物入侵预警网络平台的设计构建及初步应用［J］.杂草科学，2008（3）：17－21.

［15］任辉霞，高灵旺，李尉民，等.基于C＃的外来有害生物定量风险分析系统［J］.植物检疫，2008，22（4）：209－212.

［16］邱素娟，黄建，唐乐尘.采用C＃.NET开发农作物外来有害生物地理信息系统［J］.农业网络信息，2008（3）：11－14.

［17］谢明，谢丙炎，刘全儒，等.入侵生物的调查技术与方法［M］∥万方浩，冯洁，徐进，等.生物入侵：检测与监测篇.北京：科学出版社，2011：76－102.

［18］Huang Xiaolei，Qiao Gexia.Biodiversity databases should gain support from journals［J］.Trends in Ecology and Evolution，2011，26（8）：378－379.

［19］Crall A W，Meyerson L A，Stohlgren T J，et al.Show me the numbers：what data currently exist for non－native species in the USA？［J］.Frontiers in Ecology and the Environment，2006，4（8）：414－418.

［20］Crall A W，Newman G J，Jarnevich C S，et al.Improving and integrating data on invasive species collected by citizen scientists［J］.Biological Invasions，2012，DOI 10.1007／s10530－010－9740－9.

［21］McGeoch M A，Spear D，Kleynhans E J，et al.Uncertainty in invasive alien species listing［J］.Ecological Applications，2012，22：959－971.

［22］Hulme P E，Weser C.Mixed messages from multiple information sources on invasive species：a case of too much of a good thing？［J］.Diversity and Distributions，2011，17：1152－1160.

［23］Ricciardi A，Steiner W W M，Mack R N，et al.Toward a global information system for invasive species［J］.Bioscience，2000，50（3）：239－244.