多指标综合评价方法应用的系统回顾与展望

王 聪,丁子玮,2,姜 培,潘绪斌*

(1.中国检验检疫科学研究院植物检验与检疫研究所,北京 100176;2.中国农业大学,北京 100193;3.全国农业技术推广服务中心,北京 100125)

2021年4月15日起施行的《中华人民共和国生物安全法》明确规定“提高生物安全风险识别和分析能力”和“定期组织开展生物安全风险调查评估”[1]。当前国际植物保护公约组织(IPPC)及区域植物保护组织已经构建了比较系统的植物有害生物风险分析体系,我国也制定了一系列国家标准和行业标准[2]。针对外来有害生物传入和扩散特点,国内外开发了入侵风险半定量评估模型、定量评估模型及软件,极大地促进了我们对外来有害生物入侵风险的理解和预测[3]。

1994年和1995年,蒋青等在《植物检疫》期刊相继发表《有害生物危险性评价指标体系的初步确立》和《有害生物危险性评价的定量分析方法研究》,开创了应用于有害生物风险分析领域的多指标综合评价方法[4-5]。该方法在建立过程中邀请了国内多位专家共同讨论确立了基本原则和评判标准,对其中的逻辑关系和数学表达进行了合理的评判,构造出适宜的模型,最后通过数学表达式逐项计算,得到有害生物风险的综合评价值R值[6]。这种方法被认为是定性评估和定量评估结合应用的良好范例,从开创至今得到了国内相关研究的广泛认同和应用[2-3,7-9]。

多指标综合评价方法通过多年广泛应用,目前已经形成了比较成熟的应用体系。根据中国知网数据统计,截至2022年5月15日,两篇文献分别累计被引用162次和460次。但是随着时间推移,全球贸易形势和生态环境不断变化,有害生物的分布格局和范围、危害等都在动态发展,对该方法及其他用于开展风险分析的指标等也有必要进行历史回顾和优化思考。本文收集了国内已有的参考和应用此方法开展有害生物风险分析研究的文献,梳理了该方法的应用案例,开展了相关文献的可视化分析,更加直观地展示了多指标综合评价方法的应用进展、研究热点和发展趋势。通过对该方法的系统回顾,总结和比较了该研究方法的特点和变化情况,并对该方法的前景进行了展望。

1 多指标综合评价方法概述

蒋青等于1994年在《有害生物危险性评价指标体系的初步确立》一文中基于我国的检疫情况,结合国内外的相关工作,初步确立了以生物因子为起点的危险性评价指标体系。并在次年发表的《有害生物危险性评价的定量分析方法研究》一文中系统性地介绍了该方法所涉及的有害生物危险性评价指标体系、指标评判标准和评判模型[4-5]。在此指标体系中,包括5项一级指标和14项二级指标,分别为:“国内分布的状况P1;潜在的危害性P2(包括潜在的经济危害P21、是否为其他的检疫性有害生物传播媒介P22和国外检疫重视程度P23);受害栽培寄主的经济重要性P3(包括栽培寄主的种类P31、栽培寄主的种植面积P32和栽培寄主的特殊经济价值P33);移植的可能性P4(包括截获难易P41、运输过程中的存活率P42、国外分布广否P43、国内的适生范围P44和传播力P45);危险性管理的难度P5(包括检疫鉴定的难度P51、除害处理的难度P52和根除难度P53)”[5]。随后通过分析体系的内在逻辑关系和数学表达式,构造合理可行的评价模型,如几何平均模型、权重平均模型、算术平均模型及极值模型。最终通过叠加、连乘、替代等运算过程计算得到危险性综合评价值R,根据定量计算后的R值大小和确定的风险阈值对有害生物的风险等级进行定性分析[5]。

有害生物风险分析情况十分复杂,通过单一或几个指标都不足以解决评价工作的科学合理性问题,因此多指标综合评价方法通过不同的层次,从不同角度选择能反映有害生物各方面情况的指标从而开展系统综合分析是比较全面和相对科学的。多指标综合评价方法在建立和应用初期具有以下特点:1)评价值相对稳定确定,尽量避免涉及一些不稳定的变量;2)涉及的危险性因素是重要的起决定性作用的,评估指标少而精;3)各影响因素之间是相对独立的;4)其建立的危险性评价体系是具有概括性的,用一个统一的尺度进行量化和评判,综合地评判各种可能的有害生物包括昆虫、病毒、真菌、细菌等[4]。

2 多指标综合评价方法的应用

为了更加系统地回顾多指标综合评价方法在有害生物风险分析领域的拓展和应用,利用中国知网(https:∥www.cnki.net)中的高级检索功能检索了以蒋青等分别于1994年、1995年发表的《有害生物危险性评价指标体系的初步确立》和《有害生物危险性评价的定量分析方法研究》为参考文献的相关文献,时间段为1994年-2022年,检索时间为2022年5月15日。在除去无作者信息、会议通知、征稿、新闻以及与有害生物风险分析无关的文献材料后,共整理出467篇文献用于分析。通过人工筛选去除了同义英文关键词后,利用VOSviewer 1.6.18(https:∥www.vosviewer.com)软件对以上文献中的关键词信息进行共现分析;并在此基础上对已有的研究开展回顾,系统分析多指标综合评价方法的应用实例,进一步说明其做出的历史贡献。

2.1 多指标综合评价方法的引用发展

20世纪90年代发表的2篇关于多指标综合评价方法的论文极大地促进了有害生物风险分析研究的发展。从趋势上看(图1),1994年-2008年运用多指标综合评价方法开展研究的文章数量总体上呈现上升趋势;2008年-2017年随着多种新型研究方法的出现和应用,应用多指标综合评价方法的研究发文数量呈波动变化,主要研究内容为针对不同有害生物的风险分析;从2017年起,发文量下降,多为对相关研究工作的综述,这也表明目前是对该方法进行回顾总结的好时机,应该通过“老”方法找到“新”角度。

2.2 多指标综合评价方法的主要涉及研究领域分析

VOSviewer软件对467篇文献中出现频次不少于5次的关键词进行网络关系可视化处理分析,符合以上条件的关键词共有50个(图2)。多指标综合评价方法相关研究文献的关键词中出现频率最高的前5个为:风险分析、有害生物、风险评估、风险管理和有害生物风险分析。按照这些关键词与其他关键词的关联性强弱进行聚类分析,可得出7个聚类,包含关键词比较多的5个聚类以高频关键词为核心,词群中还包括外来入侵生物、危险性评估、适生性分析等。在相关研究中,出现频率比较高的有害生物前5名为:红火蚁Solenopsisinvicta、松材线虫Bursaphelenchusxylophilus、马铃薯甲虫Leptinotarsadecemlineata、红棕象甲Rhynchophorusferrugineus和美国白蛾Hyphantriacunea;另外研究开展比较多的受威胁区域有我国的新疆维吾尔自治区、云南省、广西壮族自治区和江苏省。

图2 引用蒋青等“多指标综合评价方法”文章的参考文献关键词关联性分析Fig.2 Keyword correlation analysis of the references citing the multi-index comprehensive evaluation method from JIANG Qing et al

2.3 多指标综合评价方法的应用实例分析

近30年来,多指标综合评价方法已经在有害生物风险分析领域得到了十分广泛的应用。大部分研究主要是针对具体的有害生物开展风险分析,如在红脂大小蠹Dendroctonusvalens、云斑天牛Batocerahorsfieldi、椰子织蛾Opisinaarenosella等有害生物的风险评估中都用到了此方法[10-12]。这些研究利用多指标综合评价方法对具体有害生物的综合风险进行评估并得出R值和风险等级,从而进一步对被评估的有害生物的监管提出相关意见和建议。同时也有部分研究是针对不同产品能够携带有害生物的情况利用该方法进行评估,并得出值得关注的有害生物清单。如徐朝茜[13]对荷兰苹果输华可携带的196种有害生物进行风险分析,运用评估进入、定殖、扩散可能性和潜在经济影响的多指标综合评价方法,将评估风险等级为中等及以上的20种有害生物确定为中方应重点关注的检疫性有害生物。梁忆冰等对具有潜在检疫意义的64种花卉有害生物进行多指标风险评估,通过计算R值,发现有51种有害生物存在较大的检疫风险[14]。

另外随着相关模型技术的发展,很多学者在蒋青等开发的多指标综合评价方法基础上进行调整和改动,或与其他软件工具综合使用,以便更好地开展此类研究。如在林业有害生物风险评估方面,廖太林等对松树脂溃疡病菌Fusariumcircinatum传入中国的风险进行评估,在多指标综合评价方法的基础上构建了外来林木病害风险评估指标体系结构[15];高步衢等制定了检疫性森林有害生物危险性等级评价方法,借鉴了蒋青等提出的多指标综合评价方法进行分级,随后进一步通过赋分来评价危害性的高低[16]。又如汤宛地等首先运用多指标综合评价方法对红脂大小蠹的危害性进行定性初步评价,确定红脂大小蠹的各项评判指标和可能的赋分区间,随后利用@Risk软件建立模型对其风险等级进行了定量分析,最终综合评估得出红脂大小蠹属于高度危险的有害生物[17]。

2.4 多指标综合评价方法的历史贡献

从多指标综合评价方法本身来看,该方法是专家根据经验确定有害生物指标体系再予以分级、量化,而指标体系中包含许多因素,使得评估范围和内容相对完善。其优点是运用了层次分析法,通过向专家调查的方式建立了指标体系,且根据防控有害生物的实际情况,确定了各指标的权重,针对各指标分别采用算术平均值、几何平均值、最大值等进行计算,这也摆脱了以前打分往往只是简单累加的方法,较之以前的指标体系和评价方法有了巨大的改进。

美国、澳大利亚等国家从20世纪80年代起就开展了对有害生物打分来度量“风险”的工作,蒋青等在90年代建立的以有害生物为起点的多指标综合评价方法填补了我国相关技术空白,使得我国的有害生物风险分析方法研究处于领先地位[18]。我国也在《国际植物保护公约》和《实施卫生与植物卫生措施协定》框架下建立了自己的有害生物风险评估方法和标准体系,如《进出境植物和植物产品有害生物风险分析技术要求》(GB/T 20879-2007)、《进出境植物和植物产品有害生物风险分析工作指南》(GB/T 21658-2008)等,其中《林业有害生物风险分析准则》(LY/T 2588-2016)就借鉴了多指标综合评价方法。目前在我国的农林业有害生物风险分析工作中,仍然较多采用多指标综合评价方法开展工作,面对相对复杂的有害生物发生情况,多指标综合评价法把评价对象不同方面且量纲不同的定性和定量指标,转化为无量纲的评价值,并综合这些评价值得出对评价对象的一个整体评价,非常实用和高效。

3 讨论与展望

3.1 局限性

多指标综合评价方法是对某个单一有害生物进行的危险性评判,从主要影响因素出发用统一的赋分标准评判该有害生物的危险性(risk,现多翻译为“风险”)。这一方法已经沿用多年,并且在有害生物风险分析和相关政策标准的制定等方面都得到了广泛的应用[19-20]。但是在有害生物的分布格局变化、全球贸易的不断发展以及新发突发疫情等新形势的背景下,以及在气候变化等生态环境因素的影响下,该方法也应该有新的思考。

从已有的研究进展来看,多指标综合评价方法还存在以下局限性:一是评价体系较为笼统。有害生物的种类多种多样,既包括昆虫等节肢动物、杂草等植物,还有真菌、病毒、原核生物以及线虫等,每种生物都具有其本身的特性,而且对不同的生物而言每种影响因素的重要性也不同。在该方法的建立之初,其构建的评价分析指标体系是力求高度概括的,随着有害生物信息数据的不断增加,这种概括的指标体系在实际应用中缺少了物种类群的针对性。二是评判标准较为粗略。在一些具体的评判标准上,个别指标存在设置不符合实际情况或发生重叠等问题。例如指标P21和P33,潜在经济危害和受害栽培寄主的经济价值存在一定意义的重叠。三是方法体系中缺少评估有害生物生态环境影响的指标。随着我们对生态环境和公众健康的逐渐关注,有害生物对于对生态环境等的潜在影响也应该纳入到方法评判体系之内。四是该方法需要大量的数据支撑,但是在执行过程中未能对数据的可靠性进行评估。

自20世纪80年代以来,国内外开展了大量关于有害生物风险分析的相关研究。美国、澳大利亚等国家较早地开展了研究,在定量风险评估技术上研究较为深入和领先,这些国家及其相关研究机构开发的CLIMEX、MaxEnt、@Risk等软件和模型被广泛应用于有害生物潜在地理分布范围及潜在经济损失等评估中[21]。而我国在这些研究领域起步较晚,多指标综合评价方法作为重要的半定量风险评估技术在实际工作中发挥了重要作用。鉴于出现了更多的数据和更新的数据挖掘方法,半定量方法中的指标设置和参数确定应该同以上定量研究技术相互结合,以提高多指标综合评价方法的灵敏度和精确度,规避以上局限性,尽管我们并不或者无需追求“完全的定量”。

3.2 展望

由蒋青等开发的多指标综合评价方法经历二十多年的发展,众多研究人员的拓展应用和改进,已经积累了较为成熟的应用经验。虽然该方法存在不足,但是面对未来全球有害生物新发突发和常态化等风险分析实际需求[22],该方法仍具有实用意义和进一步发展的空间。国际上也有多种有害生物风险分析技术体系可以借鉴参考。

世界自然保护联盟(IUCN)针对外来物种影响程度和类型发布了外来物种环境影响分类(environmental impact classification of alien taxa,EICAT)和外来物种社会-经济影响分类(socio-economic impact classification of alien taxa,SEICAT)两项方法,旨在为相关研究者提供一种指导工具[23-24]。其中EICAT方法是一个操作简单且客观的流程,按照影响程度将外来物种依次分为最不受关注、轻微、中度、严重和大规模5类,且后3类物种被认为是“有害的”[23]。该方法在评估时考虑了外来物种对本地物种和群落的12种影响机制:竞争、捕食、杂交、疾病传播、寄生、毒害、生物积垢、放牧、对生态系统的化学/物理/结构影响、与其他外来物种互作,以此作为指标来开展评价[24]。但是根据外来物种的影响进行比较并非易事,因为同一物种在引入不同环境时或引入后不同时期内都可能会造成不同类型和程度的影响,因此很难总结其总体影响[25]。这两个方法的发布,为多指标综合评价方法构建相关影响的指标体系时补充加入关于生态环境影响的相关评价内容提供了可参考的思路。

韩国学者设计了外来作物环境影响初步评价指标(preliminary environmental impact assessment index for alien crops),可用于评估外来作物对环境的影响风险[26]。这些指标可被借鉴融入多指标综合评价方法的危害评价指标体系中,能够更好地评估有害生物对生态环境的危害风险程度,一旦完善这些相关指标的构建,将使得新的多指标综合评价方法更加适用于评估在引种过程中可能存在的有害生物以及对环境的潜在影响和危害。同时韩国学者开发的评估系统还针对性地提出了为不同国家、作物,甚至不同有害生物分别制定合适的风险评估指南和议定书。为提高多指标综合评价方法对不同有害生物风险分析特异性,也可以参考设立针对研究对象的具体评估指标体系或灵活的指标体系,有利于根据实际需求情况开展应用。

澳大利亚和新西兰学者开发的植物病有害生物影响度量系统(plant pest impact metric system,PPIMS),是一套用于对植物有害生物进行分类和优先排序的通用度量系统的框架指南[27]。PPIMS提出了一种用以阐明和分类有害生物(外来和本地)在植物生产系统中影响(历史的、当前的或潜在的)的分类系统。通过考虑经济参数、风险评估标准以及环境影响等确定其指标和标准。它共包括20个指标,并将其划分为4种关键指标类型:时空响应、市场驱动、主要响应和中长期响应。其中寄主作物价值、市场准入、管理可行性和可逆性被确定为干扰指标,它们对总体分类的影响可能至少是其他指标的两倍。这些指标体系中对有害生物利益相关方的考虑和关于经济影响的分析评估方法都值得在改良多指标综合评价方法的时候进行借鉴。

美国农业部(USDA)动植物检疫局(APHIS)在开展有害生物风险分析时用到的半定量风险评估方法对多指标综合评价方法的打分体系也有一定的借鉴意义。该方法对有害生物的传入后果用5个因素进行分级评估,每个因素又分为低(1分)、中(2分)、高(3分)3个等级,将所有因素的分值相加即可得出风险等级(5～8分为低风险,9～12分为中风险,13～15分为高风险);同时对传入可能性用6个因素的分值来确定风险等级(6～9分为低风险,10～14分为中风险,15～18分为高风险);这两个风险值叠加后即可得出有害生物的潜在风险[2]。另外在评估有害生物传入可能性时还通常通过@Risk软件开展不同场景的模拟,来提高评估的精确性。多指标综合评价方法也有一套通过公式运算的评价体系,在体系的构建过程中可以结合以上评估方法的因素和分值设置,特别是传入后果部分可以重点参考。

欧洲和地中海植物保护组织(EPPO)在欧盟项目的支持下,研发了计算机辅助的有害生物风险分析软件。国际农业与生物科学中心(CABI)也开发了基于其作物保护数据库的有害生物风险分析决策支持平台——在线有害生物风险分析工具(PRA-Tool)。中国国家有害生物检疫信息平台也研发了自己的风险评估应用系统[2]。多种方法的综合集成和自动化智能化技术开发是未来的发展趋势,目前多指标综合评价方法主要还是依靠以专家为主的评估方法,以上这些软件和智能评估系统的开发过程和相关数据都能为未来多指标综合评价方法开发人机结合的自动化和智能化模块提供参考依据。

可以说综合了定性和定量分析特点的多指标综合评价方法是植物有害生物风险分析工作的重大进展,它不仅代表了一种风险分析的技术体系,也体现了系统集成进行评估的研究思想。尽管在大数据时代新方法和新技术层出不穷,利用多指标综合评价方法开展有害生物的风险分析工作仍具有实用意义[19,28-30]。根据决策需求和评估对象的特点发展和改进多指标综合评价方法,通过与新的评估技术相结合或集成,将使之更加适应当前的实际需求,是未来的发展方向。相信在不断地发展和改进下,多指标综合评价方法将得到更多的应用和拓展。