综述：利用社区科学、遥感和环境DNA进行稀有植物检测的证据图谱与指南

本综述系统总结了利用社区科学（CS）、遥感（RS）和环境DNA（eDNA）技术检测稀有陆生维管植物的最新研究进展。作者通过证据图谱分析，揭示了不同技术适用的植物类型（如草本植物在CS和eDNA中占主导，树木在RS中优势明显）、生境偏好（城市/半开放/混合生境）及技术局限性，为生物多样性监测提供了创新方法集成方案和成本效益参考。

　　

引言

稀有植物物种是指那些地理分布范围小、需要特定生存条件或种群规模较小的物种。它们对威胁特别敏感，了解其种群动态对于实施保护措施至关重要。然而，由于物种特征（如丰度、形态、物候）和调查特征（如调查地复杂性、调查者经验）等多种因素影响，确定物种种群趋势具有挑战性。此外，许多地区对稀有植物的调查不足，许多物种的受威胁状况因缺乏数据而了解甚少。

传统上，野外调查是进行物种监测的标准方法。然而，利用社区科学、遥感和环境DNA（eDNA）数据的方法日益被认为是传统调查的有力补充。本证据图谱研究了使用这些技术检测稀有陆生维管植物的文献，探讨了检测的植物类型、研究生境以及未来研究建议，并通过加拿大濒危植物案例研究提出了可能受益于这些技术的物种。

方法

本证据图谱的方法紧密遵循环境证据合作组织（CEE）的建议，并符合ROSES报告标准以确保透明度和可重复性。文献检索于2022年2月进行，使用了Web of Science核心合集和Google Scholar。检索策略基于种群、干预和结果术语构建，并通过基准论文列表进行测试和优化。筛选过程包括标题和摘要筛选以及全文筛选，使用预定义的资格标准（表1）。数据提取涵盖了文献信息、研究地点、目标物种特征、检测技术和方法以及研究设计等变量。生境分类基于IUCN红色名录生境分类方案（3.1版）。此外，还对加拿大濒危物种进行了案例研究，以识别可能受益于这些技术的物种。

结果

文献检索与筛选

检索共获得5037篇文章，经去重和筛选后，最终纳入60篇文章中的92项研究。其中，直接遥感研究占主导（70%），社区科学和环境DNA研究分别占18%和12%。

证据库摘要

发表趋势：文章发表时间从1996年到2021年不等。社区科学文章最早出现在1996年，直接遥感文章在2003年，eDNA文章在2018年。总体而言，使用这些技术进行稀有植物检测的文章数量呈增长趋势，但每年文章数量因检测技术而异（图1）。

研究地点：研究遍布除南极洲外的所有大陆的22个国家。美国的研究最多（18%），其次是中国（15%）、澳大利亚和挪威（各11%）（图2）。研究涉及11个独特的生物群系（表2）和71个独特的生态区；一些生物群系和生态区是所有三种技术共有的。

物种生活型：检测到的物种分为五种生活型类别：草本植物、灌木、乔木、攀缘植物或多个类别。社区科学研究中最常见的生活型是草本植物（62%），直接遥感研究中是乔木（59%），eDNA研究中也是草本植物（71%）（图3）。

物种保护状况：仅193个物种（占物种总数的33%）有IUCN状况。最常见的保护状况是无危（66%），其次是易危（9%）、近危（8%）、濒危（7%）和极危（5%）。七个物种（4%）被报告为数据缺乏，一个物种被列为野外灭绝（Brugmansia arborea）。

物种生境：大多数社区科学研究发生在城市环境（65%），而大多数直接遥感研究发生在包含多个生境的研究区域（30%），大多数eDNA研究发生在半开放生境（45%）（图4）。

研究设计：进行额外野外调查的文章比例分别为：社区科学64%、直接遥感55%、eDNA86%。在进行了野外调查的文章中，比较调查结果的比例分别为：社区科学71%、直接遥感30%、eDNA83%。

加拿大濒危物种案例研究：共发现183个被COSEWIC列为濒危类别的物种。其中47个被列为特别关注（42个草本植物，4个灌木，1个乔木），42个被列为受威胁（1个攀缘植物，33个草本植物，6个灌木，2个乔木），97个被列为濒危（89个草本植物，1个灌木，7个乔木）。最常见的生境类型是半开放生境（67%），其次是封闭生境（15%）、多个生境（12%）和开放生境（6%）。

讨论

图谱的局限性

检索策略的局限性：检索仅使用英文检索词进行，因此有关使用社区科学、直接遥感和eDNA技术检测稀有陆生维管植物的文献可能比本文捕获的证据更广泛。三篇文章因使用葡萄牙语、德语和中文而无法筛选。然而，一篇用西班牙语撰写但通过英文检索词找到的文章被纳入本图谱。

此外，本证据图谱使用了Rabinowitz的稀有物种定义。因此，遵循其他框架（如Crisfield等人或Violle等人）分类的稀有物种可能未被纳入本证据综述。

证据库的局限性：鉴于证据库规模较小且检测技术相对新颖，尚无法进行比较每种技术效率的定量分析。对于eDNA尤其如此，因为从我们检索到的证据仅从2018年开始，且相对大量的物种（234个）包含在相对较少（7篇）的文章中。

此外，每篇文章报告的信息，即使使用相同的检测技术，也差异很大。一些文章没有提供它们发现的物种的描述，特别是在检测到数百个物种时。因此，尽管我们能够识别这些物种为稀有物种，但通常没有关于它们所受威胁的信息。我们也经常找不到关于物种丰度的信息，而丰度是物种可检测性的一个重要因素。在遥感和环境DNA的情况下，有时无法估计丰度。

社区科学、直接遥感和环境DNA发现的物种特征

草本植物是社区科学和eDNA研究中最常见的物种，而乔木在直接遥感研究中占主导地位。所有三种技术中都缺乏对攀缘植物检测的研究。这些结果可能反映了每种生活型对全球生物多样性的相对贡献。关于直接遥感研究中乔木物种的高比例，我们的结果与Cerrejón等人的结果一致。然而，通过直接遥感检测草本植物是可能的，即使需要高空间分辨率才能获得最佳结果。

大多数社区科学研究发生在城市地区，可能是因为这些地区更容易被公众接近。直接遥感研究许多发生在包含多个生境类型的区域，可能是因为一些研究覆盖了较大的区域，例如整个岛屿或州。然而，在开放和封闭生境中进行的直接遥感研究数量几乎相等。关于eDNA研究，大多数发生在半开放生境，如湿地和灌丛。我们无法确定某些生境是否比其他生境更适合进行eDNA调查，因为陆地生态系统中的eDNA研究很少，且许多因素（如DNA-基质相互作用）可以极大地影响检测率。

可能通过社区科学、直接遥感和环境DNA检测的加拿大濒危物种

适合通过社区科学检测的物种是那些与相似物种容易区分、在公共可达区域发现以及能够抵抗干扰或采集的物种。我们的证据图谱发现，社区科学最常检测到的物种是生活在城市生境中的草本植物。基于这些特征，一些可能受益于该技术的加拿大濒危物种的例子包括丝叶茅膏菜（Drosera filiformis）、艳丽福禄考（Phlox speciosa）和浅裂丝兰（Yucca glauca）。

直接遥感可能是检测乔木或灌木的有用技术，以及基于其独特视觉特征或光谱特征的有限数量的草本植物。一些可能受益于该技术的加拿大濒危乔木的例子包括四棱白蜡树（Fraxinus quadrangulata）、多花狗木（Cornus florida）、灰胡桃（Juglans cinerea）和白皮松（Pinus albicaulis）。此外，草本植物如东部仙人掌（Opuntia humifusa）和育空野荞麦（Eriogonum flavum var. aquilinum）也可能使用这种非侵入性方法检测。

eDNA样本中的DNA通常是降解的、稀释的并与非目标生物的DNA混合。此外，了解DNA随时间的持久性或其在空间上的移动性对于解释eDNA调查结果非常重要。尽管存在这些挑战，eDNA可能通过检测隐蔽或难以发现的物种以及帮助进行不确定的分类学鉴定而比野外调查更具优势。一些可能受益于该技术的加拿大濒危物种的例子包括幽灵兰（Cephalanthera austiniae）、西部草原绶草（Platanthera praeclara）和西部紫露草（Tradescantia occidentalis）。

对未来研究的建议

很少有文章讨论社区科学、直接遥感和eDNA在检测稀有植物方面的功效，或者这些技术与传统野外调查的比较。然而，关于技术稳健性（如可检测性）或所用资源（如时间、金钱）的信息可能对考虑使用这些技术监测稀有植物物种的管理者非常有用。

未来的研究可以提供类似的结果置信水平以评估技术稳健性，即使大致分类为高、中或低。此外，跟踪数据收集和处理过程中时间和资源的使用对于评估不同调查技术的优势和劣势至关重要。

使用社区科学、直接遥感和环境DNA的指南

应用任何这些技术进行稀有植物物种检测都需要仔细规划。必须考虑对物种的威胁、参与者安全以及根据背景选择技术的可行性。表3概述了与每种技术相关的常见问题，并提出了帮助克服它们的潜在解决方案。

除了考虑每种技术相关的挑战外，重要的是要记住每种技术都有不同的假阴性和假阳性错误来源。假阴性错误发生在物种在调查时存在于所调查生境中但未被检测和/或正确识别的情况下。假阳性错误发生在物种在调查时不存在于所调查生境中但被检测到的情况下。表4概述了每种技术假阳性和假阴性错误的常见来源。

最后，应考虑调查所涉及的财务和物流成本。财务成本可能差异很大，因为每种技术可以采用多种潜在工作流程，并且成本因工作流程和研究地点而异。随着这些技术的发展，成本也可能发生变化。表5提供了每种技术的成本考虑清单。

结论

社区科学、遥感和eDNA日益被认为在生物多样性监测中具有潜力。尽管本证据图谱中探讨的调查技术在物种可检测性方面存在差异，但在某些情况下，社区科学、遥感和eDNA可以与传统野外调查结合使用，以增加检测稀有植物的机会。从业者可以使用本证据图谱数据库根据使用的检测技术、研究地点、生境类型和/或植物生活型过滤文章，以阅读有关研究如何进行的具体细节。然而，我们的证据图谱强调，这些技术很少用于检测稀有陆生维管植物。有必要探索这些技术如何相互补充以及如何与传统野外调查互补。为了充分实现这些技术在稀有植物监测计划中的潜力，未来的研究应侧重于评估这些技术在不同背景（如空间尺度、目标物种、生境）下的准确性和成本效益。通过解决这些方面，研究人员和管理者可以就如何将这些新技术纳入生物多样性监测计划做出更明智的决策。