生物入侵研究国际进展与中国现状——基于CiteSpace的文献计量分析

邢文琦,陈睿山,*,卢俊港,郭晓娜

1 华东师范大学地理科学学院,上海 200241 2 上海交通大学设计学院,上海 200240

生物入侵是物种从原生地经自然或人为途径侵入到新环境,对入侵地的生物多样性、农林牧渔业生产以及人类健康造成经济损失或生态灾难的过程。这些侵入到新环境的物种称为外来入侵物种(Invasive alien species, IAS)[1—2]。生物入侵是全球变化的重要因素,被认为是陆地和淡水生态系统中本土物种灭绝的主要驱动因素之一,是世界自然保护区的主要威胁之一,极大改变了世界各地的生境[3]。由于全球贸易的迅速发展,伴随着气候变化、土地利用变化、城市化、污染等环境变化,未来各大洲的外来入侵物种数量将会继续增加[4]。

我国是世界上外来入侵物种数量最多的国家之一,外来物种总数已超过5000种[5],其中成功入侵我国的超过660种,较10年前增长了35%,较首次记录增长了135%,涉及森林、水域、湿地、草地和城市居民区等几乎所有的生态系统。近年来,我国对于生物入侵的制度建设和管理逐渐重视,国家分别在2003年、2010年、2014年和2016年发布了四批外来入侵物种名单,但是仍存在记录在册的入侵物种名录不完整、相关法律体系不健全、跟踪监测和综合评估能力较差及科学防治体系不完善等问题。2021—2022年我国农业农村部等部门印发《外来入侵物种普查总体方案》、《外来入侵物种管理办法》与《进一步加强外来物种入侵防控工作方案》等方案。强调要建立外来入侵物种普查和监测制度,每十年组织开展一次全国普查,构建全国外来入侵物种监测网络,开展常态化监测[6]。我国“十四五”国家重点研发计划中也设立了“重大病虫害防控综合技术研发与示范”、“生物安全关键技术研究”等重点专项,将为我国外来入侵物种防治的基础理论和关键技术提供支撑。

在全球范围内,生物入侵的研究历史较长。早在19世纪, 达尔文就已经探讨了外来种成功定居和归化的决定因素[7]。1958年Charles S. Elton的开创性著作对生物入侵发出了早期警告[8]。1992年以来,《生物多样性公约》是世界上防治生物入侵的最权威的国际文件。2019年生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)开始的“外来入侵物种及其控制的专题评估”,将是生物入侵的第一份全球综合评估报告[3]。然而我国对此研究起步于20世纪末,尚未将生物入侵作为一个系统进行综合研究,相关研究落后于北美洲和西欧的发达国家。因此,厘清国内外生物入侵研究的演化特征及趋势十分必要,将进一步推动我国生物入侵过程、机理、影响及响应等研究,促进我国生物入侵研究的创新发展。

本文基于可视化知识图谱绘制软件CiteSpace[9],对Web of Science(WOS)核心数据库和Scopus,以及中国知网(CNKI)中关于生物入侵的文献进行可视化分析,分析国内外研究的演化特点与发展趋势,提出我国生物入侵研究的展望,以最小化生物入侵的负面影响,促进生态、经济及社会可持续发展。

1 数据来源

使用CiteSpace软件,选择WOS核心数据库和Scopus文献搜索库,选取“invasive alien species”or “biological invasion”作为关键词筛选出24690篇文章,数据截取时间为1970年1月1日至2021年12月31日,去重后共计22471篇文章。

其次,选择CNKI作为中文文献搜索库,选取“外来入侵物种”或“生物入侵”作为关键词搜索到2867篇中文文章,数据时间参数为1996年1月1日至2021年12月31日,去重后为2542篇。

2 生物入侵研究历史与进展

2.1 生物入侵研究历史

英国学者查尔斯·罗伯特·达尔文早在1859年出版的《物种起源》一书中,提出看似矛盾的达尔文归化假说和预适应假说[7]。一方面,与本土物种亲缘关系远的外来种更容易归化。另一方面,和本土物种亲缘关系近的外来种更易成功入侵[7],打开了生物入侵的研究大门。国际上对外来入侵物种管理的关注较早,其中美国早在1912年通过了《植物检疫法》,授权农业部长监管可能携带有害植物病虫害的苗木进口。1958年Charles S. Elton关于生物入侵的开创性著作对生物入侵发出了早期警告,为外来入侵物种的研究奠定了基础[8]。1980年,生态学家明确提出“生态入侵”这一概念[10—11]。但直到20世纪90年代,入侵生态学的相关论文才呈指数增长,并将在未来呈现整体增加的趋势(图1)。

图1 1970—2021年生物入侵相关研究的文章数量Fig.1 Number of articles on biological invasions from 1970 to 2021

世界各国对于生物入侵的相关研究不断增多。1970—2021年间,在全球范围内,北美洲和欧洲的发达经济体对生物入侵的研究开始时间早,研究成果和论文数量最多。其中,美国对外来入侵物种的研究远超世界各国,文章超过8000篇。其次是位于欧洲的英国、法国、意大利、西班牙、捷克等国家,自20世纪80年代后期逐渐开展生物入侵的研究。值得一提的是,一些发展中国家对于生物入侵的研究也在持续增加,南非、印度、智利等国家都是自21世纪以来,文章数量增长迅速。而中国对于生物入侵的研究始于1996年,2000年以来相关研究数量不断增加,目前文章数量超过1500篇,居世界前列(图2)。

2.2 发文作者及机构分析

国外文献数量最多的机构是美国加利福尼亚大学,为676篇(图3)。其次是斯泰伦博斯大学、美国佛罗里达大学、科罗拉多州立大学、林肯大学、华盛顿大学等。国外的研究力量更集中,合作强度大,研究分支更多。各大高校成为全球生物入侵研究的主导力量,其次是科研院所,尤其是形成了以美国各大高校为中心的合作力量。具体到作者,Richardson D的发表量最多,达280篇。其次,Pyšek P、Hulme P、Van D等学者的发文量都位于前列,核心作者群之间的研究集中度和合作强度较大。

图3 1970—2021年国外文献作者及机构分布Fig.3 Knowledge map of authors and institutions abroad from 1970 to 2021

国内文献数量最多的机构是海南大学,为18篇(图4)。其次是中国农业科学院、中国科学院大学、中科院动物研究所、中国热带农业科学院、北京林业大学等机构。就发文作者而言,万方浩、李博、郑金龙、吴伟怀等学者发文数量较多,其中万方浩的发文量最多,为29篇。相比国外,国内的合作强度较低,研究分支较少,呈现出双核心、分散式的结构模式,一方面形成了以万方浩为核心的中国农科院及中科院等高校机构的合作,另一方面形成以海南大学为中心的众多学者及机构的合作。在两大研究力量之外,部分研究机构如中国检验检疫科学研究院、滨州学院等也形成了分散的次核心力量,次核心力量之间的合作强度较低。

图4 1996—2021年国内文献作者及机构分布Fig.4 Knowledge map of authors and institutions in China from 1996 to 2021

2.3 国内外关键词共现网络

运用CiteSpace可视化软件绘制生物入侵研究的高频关键词共现网络,节点越大表明该关键词出现频率越高,出现时间越早。1970年以来国外研究围绕着“生物入侵”、“入侵物种”、“生态系统”、“生物多样性”、“本土物种”、“北美洲”等关键词展开(图5)。1996年以来国内研究围绕“生物入侵”、“外来物种”、“危害”、“有害生物”、“对策”、“风险评估”等关键词展开(图6)。

图5 1970—2021年国外生物入侵研究关键词图谱Fig.5 Keyword map of foreign biological invasion research from 1970 to 2021

图6 1996—2021年国内生物入侵研究关键词图谱 Fig.6 Keyword map of domestic biological invasion research from 1996 to 2021

其次,统计出现频次最高的20个国内外研究的关键词,这些关键词涉及到入侵物种、生态影响、气候变化等多个维度(表1),涉及到生物学、生态学、地理学、经济学等交叉学科。国内外研究中频次最高的前两项关键词基本一致,分别是“生物入侵”和“外来物种”,同时,国内外都涉及到“生态系统”、“气候变化”。然而对比发现,国外和国内高频关键词也存在显著不同,国外关键词出现频次显著高于国内,更加多样化、研究主题更丰富,国内关键词相对较为单一。国外文献关注点集中在“美国”、“欧洲”、“入侵动物”、“生物多样性”、“传播”、“生理学”、“物种丰富度”、“种群动态”等方面。国内文献集中关注“有害生物”、“危害”、“防治对策”、“生物安全”等方面。因此,国外文献更注重生物入侵的驱动因素、压力及入侵状态,而国内文献并未注重生物入侵的原因及状态,而是注重危害及防控措施。

表1 高频关键词统计表

3 国内外研究热点及其演变特征

3.1 国内外研究热点

国外生物入侵突现词的整体突现强度大,且各突现词之间强度差异大,而国内突现强度小,差异小(图7)。从突现强度来看,国外突现强度最大的是“北美洲”、“欧洲”、“生物入侵”,2003—2009年突现词最多。国内突现强度最大的是“紫茎泽兰”(Ageratinaadenophora)、“大米草(Spartinaanglica)”、“外来种”,2001—2007年突现词最多。从突现时间跨度来看,国外突现词的时间跨度显著高于国内,国外时间跨度超过5年的占80%,包括“USA”、“Biological invasion”、“Insecta”、“Bivalvia”、“Invertebrata”、“Eurasia”等,说明美国、欧洲及澳大利亚的外来入侵动植物受到国外学术界的持续关注。国内时间跨度超过5年的占32%,包括“外来种”、“气候变化”、“美国白蛾(Hyphantriacunea)”、“林业”、“防控对策”等,说明入侵物种及防控对策受到国内学术界的持续关注,其中我国常见的入侵物种研究有红火蚁(SolenopsisinvictaBuren)、椰心叶甲(Brontispalongissima)、松材线虫(BursaphelenchusxylophilusL.)、紫茎泽兰、美国白蛾、豚草(Ambrosiaartemisiifolia)、加拿大一枝黄花(SolidagocanadensisL.)、互花米草(SpartinaalternifloraLoisel)等[12]。从研究热点来看,“Invasive alien species(外来入侵物种)”这一完整定义在2018年才首次出现。2018年后“影响”、“外来入侵物种”和“生物安全”分别是当下国外和国内的研究热点。

3.2 国外阶段性特征

国外生物入侵的研究以地方和国家尺度最多,区域尺度较少。文章数量在1988年后急速增加,20世纪90年代到21世纪初的研究数量增长最快,也是关键词最多的阶段。从不同的阶段特征来看(图8):

图8 1970—2021年国外生物入侵研究的时空分区图谱Fig.8 Temporal and spatial map of foreign biological invasion research from 1970 to 2021

(1) 1970年处于起步阶段,国外尤其是美国开始关注生物入侵,以及物种灭绝、基因变化等[13]。

(2) 1988年以来,北美洲、欧洲和澳大利亚对于外来动植物的研究最多,这期间岛屿生物入侵也被广泛关注[14]。

(3) 1992年以来,主要关注入侵物种的种群动态[15]、扩散机制[16—17]及管理等。

(4) 2000年以来,重点关注生物入侵驱动机制[18]、生态预测模型[19]、气候变化[20]、土地利用变化[21]、风险评估及恢复生态学[22]。其中亚洲、欧洲南部及南美洲的研究增多,主要关注淡水生态系统中的外来物种。

(5) 2010年以来,注重外来微生物,生态系统服务[23]、入侵物种分布模型[24]、国际贸易及全球气候变化研究[4,20]。

(6) 2015年以来,遥感建模与深度学习[25]、人工智能、环境DNA[26]、经济成本、及城市生态系统[27—28]是其研究热点。

近年来,越来越重视全球气候变化与多元驱动因素相互作用下的生物入侵[4],并利用技术手段监测与防治生物入侵。其中,对外来动植物的关注多,对外来微生物和无脊椎动物的研究仍存在不足。

3.3 国内阶段性特征

国内生物入侵的研究以地方和区域尺度较多。文章数量在2000年后迅速增加,2000—2010年是研究数量增长最快的阶段。从不同的阶段特征来看(图9):

图9 1996—2021年中国生物入侵关键词年度变化及聚类分析Fig.9 Annual changes and cluster analysis of biological invasion keywords in China from 1996 to 2021

(1) 1996年逐步关注入侵生物的繁殖生长、危害[29]、有害生物、国家安全及其防治策略[30]。

(2) 2002年以来,重点研究生物入侵的危害、入侵途径[31]、入侵机制[32]及生态安全[33]、应对措施[34]。

(3) 2010年以来,主要关注全球贸易与经济发展、气候变化下的生物入侵[35—36],生物入侵模型、入侵机理以及风险评估[37]。

(4) 2015年以来,“一带一路”下的生物入侵[38],入侵物种分布格局[39]及其增长预测[40],3S技术、图像识别等技术手段及综合防控体系[41]是其研究热点。总体来看,近十年来我国生物入侵的研究重点不够突出,研究内容较分散,且不同聚类的关注度和热度都在降低。

综合来看,目前国内外在生物入侵的多元驱动机制、技术监测及生态恢复等方面还存在不足。例如,在已发表的关于生物入侵的研究中,大约只有16%的研究考察了与至少一个驱动因素的相互作用,若考虑到与两个或更多驱动因素的关联时,这一比例不到3%[42]。然而我国对生物入侵的研究落后于美国以及欧洲的发达国家[43],目前对生物入侵造成的危害及防控建议的关注较多,而驱动机制及预警监测的研究相对薄弱。

4 结论与展望

4.1 结论

本文基于CiteSpace知识图谱可视化软件,分析了1970—2021年国外和1996—2021年国内生物入侵研究的发文量、发文作者与机构、研究热点、进展及趋势。结论表明:

(1)从发文量和国家看,1990年后国内外的发文量不断增加,2000年后我国发文量增长迅速。美国对生物入侵的研究最早,其次是西欧的发达国家及澳大利亚,近年来我国发文量也跃居世界前列。

(2)从发文作者和机构看,国外研究机构的合作关系更密切,尤其是形成了以美国各大高校如加利福尼亚大学、佛罗里达大学、科罗拉多州立大学等为中心的合作力量。其中,Richardson D、Pyšek P、Hulme P等学者构成核心作者群,其研究集中度和合作强度较大。而国内的研究机构合作强度相对较低,以中国农科院和海南大学为主体,呈现出双核心、分散式的结构。其中,万方浩、李博、郑金龙、吴伟怀等形成核心作者群,而非核心作者群间的合作交流较少。

(3)从关键词共现分析看,国外关键词出现频次显著高于国内,研究主题多样化,而国内关键词较为单一。国外生物入侵突现词的整体突现强度大,并且各突现词之间强度差异大,国内突现强度小,差异小。国外文献更注重生物入侵的驱动因素、压力及入侵状态,而国内文献注重危害及防控措施。

(4)从研究热点和阶段性特征看,近年国外研究热点较广,涉及入侵物种的种群动态、扩散机制、生态模型、岛屿入侵、风险评估、气候变化及国际贸易等。国内研究热点有入侵途径、机制、危害、防治策略、全球贸易、气候变化等。近年来,国外研究越来越重视全球气候变化与多元驱动因素相互作用下的生物入侵,但对外来微生物和无脊椎动物的研究较少。而近十年国内研究重点不突出,研究内容较分散,且不同聚类的关注度和热度都在降低,对入侵驱动机制及预警监测的研究还较薄弱,这也是未来需要关注的重点。

4.2 研究展望

随着全球经济体一体化与国际贸易的飞速发展,我国生物入侵形势十分严峻。我国在入侵物种的分布格局[44]、动态模拟[45]、控制与恢复等方面取得了重要进展,综述了生物入侵的入侵机制[46]、存在的问题及对策[47—48]等内容。万方浩指出,我国目前已逐渐形成了应对生物入侵的中国方案,从早期的预防预警和检测监测,到中期的扑灭拦截,再到后期联控减灾[49],对一些重要入侵种进行了初步控制。然而,目前我国在国际研究中的影响力仍较弱,与美国、澳大利亚、日本、英国等国的国家入侵理事会专业机构相比,我国防治生物入侵的机构较分散。研究重点仍在地方或区域尺度上,在生物入侵的遗传学、基因组学[50]、预防预警等方面仍存在不足。

综合以上分析,我国的生物入侵研究在合作力量、研究深度、研究前沿等方面与国外相比仍有一定差距,未来我国生物入侵研究还需进一步深入探讨的方面包括:

(1)加强研究机构及研究者之间的合作。国内的发文作者及机构较国外更为分散,研究机构跨区域合作较弱,未来应适度地通过政策引导、核心机构带头等方式,促进跨区域、跨国的研究机构及作者之间的合作。充分发挥跨学科优势,融合生物学、生态学、地理学、社会学、经济学等学科前沿,拓宽生物入侵的研究力量。

(2)突出研究重点,深化研究内容。进一步深化对我国外来物种入侵的驱动机制及预警监测的研究,加强气候变化与全球贸易对生物入侵的影响机制研究。更多关注生物入侵综合评估,加强外来入侵物种普查与监测,完善生物入侵风险评价体系,强化跨区域的引入-扩散-成灾全程风险预测与定量评估技术。加强科学防治技术研究,综合运用人工智能、机器学习、基因组学、5G、物联网和大数据应用等交叉学科优势,研发外来入侵物种的智能筛查装备,开发高效精准快速检测和监测预警技术,形成适用性强、易推广的综合防治技术。

(3)与国际研究保持同步,强化全球贸易、气候变化与多元驱动因素相互作用下的生物入侵研究,重视对外来微生物和无脊椎动物的研究,关注“一带一路”下的生物入侵及恢复生态学等内容。未来应借鉴IPBES外来入侵物种评估报告,摸清家底,发挥跨学科优势,深入研究生物入侵的驱动-压力-状态-响应的综合评估体系,逐步完善我国生物入侵的研究体系,维护国家生态安全。