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冯玉龙:氮分配进化与外来生物物种入侵

2007.10.09

我国科学家提出外来植物入侵新假说
 
最新出版的Oecologia(《生态学》)杂志,发表了中国科学院西双版纳植物园研究员冯玉龙等的一项有关生物入侵的最新研究成果,这一发现不仅有着重要的理论意义,而且对外来入侵植物的生物防治也有着重要的指导作用。


 
氮分配进化与外来生物物种入侵
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冯玉龙
 
博士、中国科学院西双版纳热带植物园研究员、兰州国际环境蠕变研究中心管理及学术委员会委员
 
外来生物物种入侵影响是多方面的
 
外来生物物种入侵是全球性环境问题,国际贸易、旅游、交通运输、军事行动等人类活动都能促进区域间物种交流,加剧生物入侵。外来生物不仅严重破坏了入侵地区的生态环境,而且还影响到经济效益,严重地干扰和危害了特定生态系统的结构和功能,造成入侵地区生物多样性不可弥补的减少甚至物种的灭绝,甚至危害到人类健康,影响农、林、牧、渔业的产量和质量,造成惨重的经济损失,防治费用昂贵。
 
外来生物物种入侵的影响是多方面的,主要表现为:一是生物多样性丧失,外来物种入侵已成为仅次于生境丧失的第二大生物多样性安全威胁因素。在我国飞机草等外来种入侵已经对当地宝贵的生物资源构成巨大威胁,使得大批野生名贵药材失去了生存环境;在欧洲很多濒危物种也正受到外来入侵物种的威胁;在美国有将近一半的濒危物种受到入侵种的影响。二是造成直接经济损失,在美国,每年用于外来物种防治的直接费用达到1200亿美元,印度每年的损失为1300亿美元,南非为800亿美元,在我国主要的外来入侵物种造成的经济损失平均每年达574亿元人民币。
 
外来生物物种一旦入侵成功就难以控制,这与外来种自身特性有关。以植物为例,外来种一般都具有种子轻、数量多、易传播、环境适应能力强、表型可塑性高等特性。例如入侵美国的千屈菜每株每年可产生2700000粒种子,入侵我国的恶性杂草紫茎泽兰每株每年可产生几万到几十万粒种子,紫茎泽兰可以在从肥沃到极端瘠薄(石缝、砖墙、屋顶、水泥台阶等)的所有环境下生存生长。繁殖能力强可使入侵物种更广泛地传播,适应性和可塑性强可使入侵种在多种生境下繁衍,加之缺少天敌,极难根除。
 
另一方面,很多入侵植物都能释放对其他植物有害的化学物质,即化感物质。在入侵地由于本地物种与之没有共同的进化历史,因此不适应化感物质,所以会被排挤调。入侵种的种子和化感物质都能在土壤中长期停留,成为再次萌发、入侵的根源,紫茎泽兰就有这样的特性。
 
天敌逃逸假说的局限性
 
了解外来物种的入侵机理是有效预防与控制外来物种的前提。中外科学家通过大量的研究,对有关外来物种入侵提出了很多假说,如天敌逃逸假说、快速进化假说、新武器假说、可塑性假说、资源捕获假说等,这些假说都很重要,有的也很有影响。但这些假说没有一个是“十全十美”的,即每一种假说虽能解释一些外来植物的入侵性,但却不能解释另外一些外来植物的入侵性。
 
天敌逃逸假说是解释外来物种入侵最有影响的假说之一,该假说认为,外来物种的入侵是由于其在入侵地脱离了原产地的天敌控制,使其种群密度大增。依据该假说,从原产地引入特异性天敌是防治入侵物种的有效方法。但是,至今为止成功的外来物种生物防治案例还很少。这一方面说明生物入侵机理的复杂性,另一方面也说明天敌逃逸假说可能不是某些外来种入侵的主要原因。
 
盲目引进天敌不仅不能有效控制外来物种入侵,有时甚至可能带来更严重的负面影响。例如我国为防治紫茎泽兰引入了泽兰食蝇,防治效果不明显并且发生了寄主转移,危害到本地物种;美国为防治矢车菊引入了13种天敌,但也没有控制矢车菊的危害,还造成了生态系统食物网的变化,影响到了整个生态系统,甚至影响了人类健康,这就是生物防治的间接效应。所以,要想从原产地引入天敌防治入侵物种,首先要研究确定天敌逃逸是否是该外来种入侵成功的主要原因,只有答案是肯定的,生物防治才可能成功。我们最近的研究表明,在入侵地北美矢车菊并没有失去天敌抗性,因此其生物防治不成功是可以理解的。
 
氮分配进化假说
 
我们提出的有关植物入侵的“氮分配的进化假说”,从大的类别看属于进化假说的一种。在入侵地,外来种会遇到与原产地不同的理化环境和生物环境,这些都可能构成新的选择压力,并可导致快速的遗传变化、遗传漂变、种内或种间杂交,也可能导致入侵种的遗传变化。为验证这一假说,我们比较研究了8个种群的大叶醉鱼草和5种本地植物的生理生态特性。研究发现,8个种群的大叶醉鱼草的生理生态参数差异不显著,6种植物间叶片氮含量差异不显著,但入侵种大叶醉鱼草叶片中的氮分配到光合机构的比例显著高于5种本地植物,致使其光合机构中的氮含量显著高于本地种,这导致了入侵种光合能力、光合氮利用效率和呼吸功效高于本地种。
 
简单地说,如果外来种在入侵地没有遇到天敌,那么该外来植物将会把在原产地用于防御天敌的这部分氮用于光合作用,提高了光合氮的利用效率,造成入侵植物无节制疯长。已有的大量研究表明,在入侵地外来种的天敌的确很少、甚至没有,飞机草和紫茎泽兰就是这样。虽然这一假说并不能对所有的外来入侵物种都能成立,但对有些外来种是成立的。“氮分配的进化假说”属于入侵理论研究,不是针对某个具体入侵物种的,但它对入侵种生物防治的指导作用是显而易见的。
 
目前的理论研究结果表明,生境干扰越重入侵越重,因此,保持生态系统的健康是防止外来种入侵的有效方法。有研究表明,增加生境的养分、水分等输入,会促进外来种的入侵,也就是肥沃的土地易受外来种入侵,相对贫瘠的土地不易受外来种入侵,因此,在环境保护或生态恢复时应优先选择相对贫瘠的生态系统。
 
预防引进入侵是关键
 
通过对大量外来物种入侵事例的分析,我认为预防引进入侵物种是防范生物入侵的关键,也是最有效、最经济的方法。事实已经多次证明,入侵种一旦被引入成功就会对社会、经济、环境等造成危害,需要昂贵的防治费用,但即使如此也不能被彻底根除。当然,完全杜绝引进外来物种是不可能的,因为发展经济、改善生活质量等都需要引种,众所周知,很多农作物、观赏动植物等都是外来物种。另一方面,物种的无意引入也是不可避免的,我国很多恶性入侵种都是无意引入或自然扩散过来的。
 
要防止引进入侵物种,需要建立完善的风险评估和风险管理体系。风险评估就是在科学资料的基础上,评估引进某一物种的可能后果;风险管理就是辨别为降低或管理风险可能采取的措施。这就需要研究入侵种可能具有的生物学特性,也需要建立可以共享的完善的信息系统和不同地区、不同组织和不同国家间的有效合作,建立完善的预警监控系统和快速的反应能力,这些都需要政府的统一组织和广大人民群众的积极参与,需要立法和对公众的宣传教育。
 
为防范外来生物入侵,我国做了大量卓有成效的工作。如我国对恶性入侵物种紫茎泽兰、松材线虫等入侵机理的研究和控制实践,对红火蚁、美洲白蛾等入侵的快速反应以及对新入侵物种Q型烟粉虱、西花蓟马、葡萄根瘤蚜、少花蒺藜草、黄顶菊等发生规律和紧急处理技术的研究,都充分体现了近年我国在防范生物入侵方面取得的成绩。我国于2004年成立了外来物种管理办公室,明确农业部作为外来物种管理的牵头部门,2005年,农业部制定了《农业重大有害生物及外来生物入侵突发事件应急预案》。
 
各国政府和国际组织近年来高度重视生物入侵问题。美国在1996年就颁布了《国家入侵物种法》,2001年美国制定了国家入侵物种管理计划(NISC计划)。1997年,隶属于国际科学理事会(ICSU)的环境问题科学委员会(SCOPE)建立了防范生物入侵的全球入侵生物计划(GISP),2001年GISP和世界自然保护联盟(IUCN)等共同制定了全球外来入侵物种战略,欧盟也于2003年制定了欧洲外来入侵物种战略,以应对日渐严峻的全球生物入侵态势。(潘希采访 整理)

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