摘要

全球自然歷史（Natural history）收藏機(jī)構(gòu)擁有超過二十億件標(biāo)本，構(gòu)成了地球生物多樣性在時(shí)空與分類學(xué)上的獨(dú)特記錄。近幾十年來，通過標(biāo)本數(shù)字化、互聯(lián)性增強(qiáng)以及新基因分型和數(shù)字性狀提取技術(shù)帶來的信息改進(jìn)，收藏?cái)?shù)據(jù)的可及性與價(jià)值顯著提升。這些進(jìn)展正將收藏品的相關(guān)性從分類學(xué)和演化生物學(xué)拓展至環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、生物安全和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域。然而，要利用這些收藏應(yīng)對(duì)全球性重大挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于動(dòng)員歷史遺留數(shù)據(jù)并持續(xù)進(jìn)行標(biāo)本采集和數(shù)字化工作。此處我們通過分析全球生物多樣性信息機(jī)構(gòu)（GBIF）涵蓋兩個(gè)多世紀(jì)的逾1.5億條記錄發(fā)現(xiàn)，近幾十年來標(biāo)本數(shù)據(jù)采集速率出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性下降。下降程度與時(shí)間節(jié)點(diǎn)因分類群和地理區(qū)域而異?？傮w而言，這些發(fā)現(xiàn)表明，由于跨物種、跨地域、跨時(shí)間的標(biāo)本數(shù)據(jù)采集減少，自然歷史收藏作為全球科研基礎(chǔ)設(shè)施的價(jià)值正在被侵蝕。這一趨勢正發(fā)生在這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值空前重要，且數(shù)據(jù)分析、人工智能和基因組學(xué)進(jìn)步有望從自然歷史收藏中解鎖更深刻洞見的關(guān)鍵時(shí)刻。

引言

全球自然歷史收藏機(jī)構(gòu)保存著20億至40億份動(dòng)植物及真菌標(biāo)本，其歷史可追溯至400多年前。這些收藏共同構(gòu)成了地球生物多樣性及其隨時(shí)間變遷最全面的分類學(xué)與空間記錄——而這種變遷正日益受到加速發(fā)展的生態(tài)危機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

過去25年間，隨著標(biāo)本數(shù)字化率的提升以及'澳大利亞生命地圖集'（ALA）和'全球生物多樣性信息機(jī)構(gòu)'（GBIF）等數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)聚合平臺(tái)互聯(lián)性的增強(qiáng)，全球收藏?cái)?shù)據(jù)的可及性顯著提高。與此同時(shí)，通過基因分型、成像技術(shù)和基于人工智能的性狀提取等新方法，標(biāo)本關(guān)聯(lián)信息的豐富度持續(xù)增長，為原有的標(biāo)本鑒定、產(chǎn)地和采集日期信息增添了寶貴的基因組學(xué)、表型組學(xué)與環(huán)境數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)豐富度、分析工具與可及性這三方面的協(xié)同發(fā)展，提升了單個(gè)標(biāo)本的科學(xué)價(jià)值，也拓展了自然歷史收藏在分類學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)等傳統(tǒng)用途之外的科研工具價(jià)值?；跇?biāo)本數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域正涵蓋日益廣泛且快速發(fā)展的研究與管理實(shí)踐。例如，研究人員利用澳大利亞虛擬植物標(biāo)本館的標(biāo)本觀測數(shù)據(jù)，量化了2019-2020年'黑色夏季'叢林大火對(duì)本土維管植物類群的影響，揭示了這些生態(tài)系統(tǒng)在恢復(fù)能力方面的脆弱性及景觀尺度的衰退趨勢。收藏?cái)?shù)據(jù)在記錄昆蟲種群衰退現(xiàn)象中也發(fā)揮著核心作用，例如有研究通過昆蟲學(xué)收藏追蹤蜜蜂和蝴蝶等傳粉媒介在數(shù)量與分布范圍上的長期顯著衰退。有學(xué)者分析蝙蝠標(biāo)本記錄以評(píng)估東南亞地區(qū)蝙蝠SARS相關(guān)冠狀病毒的溢出風(fēng)險(xiǎn)，為人畜共患疾病溢出風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測防控計(jì)劃及流行病預(yù)防提供了重要參考。博物館收藏的魚類標(biāo)本被用于評(píng)估海洋生物多樣性的歷史基線，助力研究過度捕撈與氣候變化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。

這些例證表明，標(biāo)本數(shù)據(jù)在豐富性、可用性與互聯(lián)性方面的提升，正在將自然歷史收藏重新定位為具有全球相關(guān)性的科研基礎(chǔ)設(shè)施。但這種增值效應(yīng)根本上取決于其分類學(xué)廣度、地理覆蓋范圍以及持續(xù)的時(shí)間跨度。這意味著，自然歷史收藏在理解和應(yīng)對(duì)全球重大生物與環(huán)境挑戰(zhàn)方面的效用，既依賴于對(duì)歷史遺留標(biāo)本數(shù)據(jù)的持續(xù)動(dòng)員，也離不開跨地理區(qū)域和生命之樹支系的新標(biāo)本持續(xù)采集、表征與數(shù)字化工作。實(shí)際上，我們能否有效利用收藏?cái)?shù)據(jù)來研究和應(yīng)對(duì)環(huán)境與社會(huì)挑戰(zhàn)，取決于持續(xù)采集的標(biāo)本是否具備足夠的數(shù)量、分類學(xué)廣度和空間覆蓋度，以提供理解歷史與當(dāng)代格局、預(yù)測未來趨勢所需的信息。

盡管來自野外觀測、公民科學(xué)和遙感技術(shù)的生態(tài)數(shù)據(jù)持續(xù)增長，但基于標(biāo)本的記錄仍具有不可替代性：它們能對(duì)其他數(shù)據(jù)流進(jìn)行精確的物種鑒定、驗(yàn)證與質(zhì)量保證，并擁有獨(dú)特的歷史縱深和時(shí)間連續(xù)性。除了這些實(shí)地驗(yàn)證的基礎(chǔ)功能外，正如Nachman等學(xué)者強(qiáng)調(diào)的，標(biāo)本對(duì)于發(fā)現(xiàn)新物種、追蹤環(huán)境退化、研究形態(tài)與生理機(jī)能、探究與環(huán)境適應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)及表觀遺傳修飾，以及隨著分析技術(shù)進(jìn)步不斷提取新信息都具有不可替代的價(jià)值。這種可重復(fù)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)提取的能力，使標(biāo)本收藏成為觀測數(shù)據(jù)無法替代的獨(dú)特科學(xué)資源。

鑒于生物多樣性全球格局的時(shí)空表征對(duì)采集活動(dòng)具有關(guān)鍵依賴性，有必要深入探究植物標(biāo)本館和博物館在新增標(biāo)本、代表多樣物種與地理環(huán)境方面的趨勢變化。先前研究已發(fā)現(xiàn)特定分類群和區(qū)域存在的標(biāo)本采集量下降模式。例如Prather等記錄了美國植物采集量的顯著下降；Malaney與Cook則指出，在當(dāng)前環(huán)境急速變化的時(shí)代，哺乳動(dòng)物標(biāo)本可獲得性降低尤為值得關(guān)注。近期Rohwer等更通過GBIF數(shù)據(jù)證明了全球脊椎動(dòng)物收藏增長率的衰退。在這些重要研究基礎(chǔ)上，我們開展了跨主要分類群的綜合性全球分析。通過分析GBIF匯集的逾1.5億條涵蓋1800-2024年間的生物標(biāo)本記錄（包括脊索動(dòng)物門、植物門和節(jié)肢動(dòng)物門三大分類群），我們重點(diǎn)探究三個(gè)問題：（1）每年納入收藏的標(biāo)本數(shù)量發(fā)生了何種變化（尤以過去70年為甚）？（2）這些標(biāo)本代表的獨(dú)立物種數(shù)量有何改變？（3）標(biāo)本采集的地理范圍與分布格局產(chǎn)生了怎樣的變遷？

結(jié)果

對(duì)GBIF記錄的分析表明，近幾十年來每年新增的標(biāo)本數(shù)據(jù)量出現(xiàn)顯著下降。然而，下降的程度和時(shí)機(jī)因分類群和地理區(qū)域而異。

標(biāo)本數(shù)量、獨(dú)立物種數(shù)與空間范圍的變化趨勢

圖1：GBIF標(biāo)本記錄——脊索動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門和植物門的標(biāo)本數(shù)量、獨(dú)立物種數(shù)及空間范圍（1950–2019年）。

左列 = 脊索動(dòng)物門；中間列 = 植物門；右列 = 節(jié)肢動(dòng)物門。頂行 = 每年標(biāo)本數(shù)量；中間行 = 每年獨(dú)立物種數(shù)；底行 = 基于每年觀測到標(biāo)本的1度網(wǎng)格單元數(shù)量的空間范圍。藍(lán)色、綠色和紅色線條分別表示脊索動(dòng)物門、植物門和節(jié)肢動(dòng)物門按采集年份統(tǒng)計(jì)的標(biāo)本數(shù)量的LOESS（局部加權(quán)散點(diǎn)圖平滑）曲線。

圖1展示了三大分類群——脊索動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門和植物門——在每年采集的新標(biāo)本數(shù)量、每年記錄的獨(dú)立物種數(shù)以及以每年采集標(biāo)本的1度網(wǎng)格數(shù)衡量的空間范圍方面的結(jié)果。經(jīng)過篩選，保留1800年至2024年間具有有效物種名和采集年份的記錄，并經(jīng)過額外數(shù)據(jù)清洗以去除若干重復(fù)和異常數(shù)據(jù)集后，分析中使用的最終匯總數(shù)據(jù)包括：脊索動(dòng)物門26,632,273份標(biāo)本（其中16,898,122份，占63.4%，具有關(guān)聯(lián)地理位置數(shù)據(jù)）；植物門87,490,390份標(biāo)本（其中51,346,527條記錄，占58.7%，具有關(guān)聯(lián)地理位置數(shù)據(jù)）；節(jié)肢動(dòng)物門45,704,719份標(biāo)本（其中36,954,262份，占80.8%，具有關(guān)聯(lián)地理位置數(shù)據(jù)）。此處我們重點(diǎn)關(guān)注1950-2019年期間的發(fā)現(xiàn)，該時(shí)期代表了過去兩個(gè)世紀(jì)中的大部分采集活動(dòng)，需要注意的是，1800-2024年的完整結(jié)果見補(bǔ)充圖1。如方法部分所述，我們重點(diǎn)關(guān)注2020年之前的采集年份，這是由于COVID-19大流行的影響存在不確定性，同時(shí)為避免對(duì)最近年份因未知的入庫和數(shù)據(jù)庫錄入延遲而呈現(xiàn)的趨勢進(jìn)行過度解讀。

對(duì)于脊索動(dòng)物門（圖1，左列），自1966年起，每年標(biāo)本數(shù)量、獨(dú)立物種數(shù)和空間范圍均出現(xiàn)明顯下降，并在2010年左右下降加速。在2010年至2019年間，脊索動(dòng)物門標(biāo)本的年平均數(shù)量為206,588份，相較于1964-1968年間達(dá)到峰值的五年移動(dòng)平均值（每年389,900份標(biāo)本）減少了47.0%。我們還研究了鳥類、哺乳類和魚類等更具體綱的標(biāo)本趨勢，發(fā)現(xiàn)總體模式相似，其中鳥類的下降趨勢相對(duì)較不明顯且開始較晚，而哺乳類和魚類自1960年代以來則呈現(xiàn)長期穩(wěn)步下降（補(bǔ)充圖14）。

對(duì)于植物門（圖1，中間列），基于標(biāo)本記錄的五年移動(dòng)平均值在1980-1984年間達(dá)到峰值，但自1985年起開始下降，并且自2005年起，在采集的標(biāo)本數(shù)量、獨(dú)立物種數(shù)以及采集標(biāo)本的空間范圍方面，下降速度加快。在2010年至2019年間，植物門標(biāo)本的年平均數(shù)量為661,760份，相較于1980-1984年間峰值（每年1,161,296份標(biāo)本）減少了43.0%。

對(duì)于脊索動(dòng)物門和植物門兩者而言，1990年至2005年間總體空間范圍的擴(kuò)大，與總體標(biāo)本數(shù)量下降的時(shí)期相吻合，這表明在歷史上采集活動(dòng)較少的代表性不足地區(qū)，標(biāo)本采集有所增加，但在傳統(tǒng)上采集活動(dòng)較活躍的地區(qū)，下降更為急劇。例如，在此期間，脊索動(dòng)物門的采集在亞洲和南美洲增長，而在北美洲、歐洲和大洋洲下降（補(bǔ)充圖15）。類似地，對(duì)于植物門在1990年至2005年間，采集活動(dòng)在非洲、歐洲和南美洲增加，而在大洋洲和北美洲減少（補(bǔ)充圖16）。詳細(xì)的空間趨勢將在下文進(jìn)一步探討。

對(duì)于節(jié)肢動(dòng)物門（圖1，右列），其趨勢與脊索動(dòng)物門和植物門有所不同，峰值出現(xiàn)更晚，且每年標(biāo)本數(shù)量和空間范圍的下降從2010年才開始。節(jié)肢動(dòng)物門每年獨(dú)立物種數(shù)從1950年起呈現(xiàn)適度增長，直至2005年左右開始下降。正如我們在討論部分所述，節(jié)肢動(dòng)物門可能呈現(xiàn)出不同的總體采集趨勢，并且相較于其他類群，可能更顯著地受到積壓問題和數(shù)據(jù)庫錄入延遲的影響。在2015年至2019年間，節(jié)肢動(dòng)物門標(biāo)本的年平均采集數(shù)量為672,344份，相較于2008-2012年間達(dá)到峰值的五年移動(dòng)平均值（每年924,910份標(biāo)本）減少了27.3%。

預(yù)測

我們基于GBIF 2007年至2023年間的歷史數(shù)據(jù)庫快照，采用自回歸綜合移動(dòng)平均（ARIMA）模型進(jìn)行了預(yù)測分析，以評(píng)估隨著更多標(biāo)本被錄入數(shù)據(jù)庫以及更多機(jī)構(gòu)向GBIF貢獻(xiàn)其數(shù)據(jù)集，采集年份的趨勢未來可能如何演變。ARIMA模型特別適合此分析，因?yàn)樗鼈兡芸紤]時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的時(shí)間依賴性，同時(shí)允許非平穩(wěn)趨勢的存在。在GBIF記錄缺乏入庫日期的情況下，這些模型為理解標(biāo)本采集與其出現(xiàn)在全球數(shù)據(jù)庫之間的時(shí)間線提供了一種穩(wěn)健的替代方法。每個(gè)ARIMA模型都捕捉了特定采集年份的記錄隨時(shí)間推移在GBIF中累積的歷史模式，這一過程受包括新機(jī)構(gòu)向GBIF共享其收藏、以及從新標(biāo)本采集、本地分類學(xué)鑒定、機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫錄入到最終GBIF入庫的整體時(shí)間線在內(nèi)的多種進(jìn)程驅(qū)動(dòng)。預(yù)測模型是針對(duì)1950-2019年的采集年份進(jìn)行估算的。圖2展示了基于2023年12月數(shù)據(jù)庫快照，對(duì)未來5年（2028年）和10年（2033年）按采集年份統(tǒng)計(jì)的標(biāo)本數(shù)量的預(yù)測結(jié)果?？傮w而言，這些ARIMA預(yù)測表明，基于2007年至2023年間數(shù)據(jù)庫快照時(shí)間序列中GBIF記錄增長的歷史模式，隨著歷史和新增采集的標(biāo)本記錄持續(xù)加入，當(dāng)前觀察到的下降趨勢在5年和10年的預(yù)測期內(nèi)不太可能發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。對(duì)更近年份的預(yù)測不確定性更高，因?yàn)檫@些分析所基于的快照時(shí)間點(diǎn)較少。補(bǔ)充說明7提供了模型內(nèi)驗(yàn)證結(jié)果以及ARIMA模型差分階數(shù)選擇的詳細(xì)信息。

圖2：GBIF標(biāo)本記錄的自回歸綜合移動(dòng)平均（ARIMA）預(yù)測——按采集年份（1950–2019年）統(tǒng)計(jì)的標(biāo)本數(shù)量。

頂行 = 至2028年的5年預(yù)測；底行 = 至2033年的10年預(yù)測；紅線表示2023年的觀測數(shù)據(jù)；黑線表示預(yù)測平均值；灰色區(qū)域表示95%置信區(qū)間。預(yù)測是針對(duì)1950–2019年的采集年份進(jìn)行估算的。

對(duì)于脊索動(dòng)物門，2010-2019年相較于1964-1968年峰值采集期47.0%的下降預(yù)計(jì)將持續(xù)，預(yù)測到2033年仍有46.0%的降幅。對(duì)于節(jié)肢動(dòng)物門，盡管基于標(biāo)本的記錄峰值出現(xiàn)時(shí)間近得多，且近期采集年份顯示出更快的增長（補(bǔ)充圖12），但2015-2019年相較于2008-2012年峰值采集期27.3%的下降預(yù)計(jì)將持續(xù)，預(yù)測到2033年仍有27.8%的降幅。對(duì)于植物門，2010-2019年相較于1980-1984年峰值43.0%的下降預(yù)計(jì)會(huì)有所減緩，但到2033年預(yù)測仍將保持35.3%的顯著降幅。

空間趨勢

評(píng)估這三個(gè)分類群的綜合空間趨勢，我們發(fā)現(xiàn)各大陸在采集量達(dá)到峰值和開始下降的時(shí)間上存在顯著差異（補(bǔ)充圖2）。非洲和亞洲的采集峰值出現(xiàn)較晚，大約在2012年左右。歐洲、北美洲和南美洲則從2005年左右開始出現(xiàn)明顯下降。大洋洲的下降趨勢開始得早得多，大約從1995年就開始顯現(xiàn)。各主要分類群內(nèi)部按大洲劃分的趨勢見補(bǔ)充圖15-17，并在討論部分進(jìn)行探討。

為了在更精細(xì)的地理尺度上進(jìn)一步研究空間趨勢，圖3展示了一幅全球熱力圖，顯示了2010-2019年間每年在1度網(wǎng)格內(nèi)采集的標(biāo)本平均數(shù)量，相對(duì)于1970年至2009年這四十年廣泛峰值采集期內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的年均值的差異。某些國家，如韓國和巴西，在此期間的采集量相較于前幾十年有所增加。海洋標(biāo)本的采集也呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，例如在澳大利亞南部以及塔斯馬尼亞與南極洲之間海域采集的標(biāo)本。然而，大幅下降的總體趨勢是明顯的，尤其是在傳統(tǒng)上擁有高密度收藏?cái)?shù)據(jù)的地區(qū)，如北美洲、西歐、南非、日本和澳大利亞。

圖3：2010–2019年相對(duì)于1970–200年期間全球年均采集標(biāo)本數(shù)量變化的熱力圖。

此熱力圖顯示了在1度經(jīng)緯度網(wǎng)格中，2010年至2019年期間年均標(biāo)本數(shù)量與1970年至2009年參考期相比的變化，數(shù)據(jù)涵蓋所有三個(gè)分類群（脊索動(dòng)物門、植物門和節(jié)肢動(dòng)物門）的總和。采用了在log10尺度上呈現(xiàn)的發(fā)散配色方案。

必須注意的是，向GBIF貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)地理分布并不均勻，北美和歐洲更為集中（補(bǔ)充圖18）。這種數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)的地理偏差可能會(huì)影響觀察到的標(biāo)本采集趨勢的空間格局，特別是在貢獻(xiàn)機(jī)構(gòu)較少的地區(qū)。這些地理偏差在多大程度上影響了觀察到的采集趨勢，難以量化。

討論

收藏?cái)?shù)據(jù)正呈下降趨勢

基于我們對(duì)GBIF標(biāo)本數(shù)據(jù)的分析，自然歷史收藏機(jī)構(gòu)新增標(biāo)本的速率呈現(xiàn)下降趨勢：脊索動(dòng)物門的峰值出現(xiàn)在1964至1968年間，植物門的峰值出現(xiàn)在1980至1984年間，而節(jié)肢動(dòng)物門的峰值出現(xiàn)較晚，在2008至2012年間，總體上看近幾十年來已大幅減少。更具體地說，在多個(gè)主要分類群（植物、脊椎動(dòng)物和昆蟲）中，當(dāng)前采集的標(biāo)本數(shù)量更少，代表的物種范圍更窄，且空間覆蓋范圍也更小。

全球生物多樣性在時(shí)空和分類學(xué)覆蓋度上的這種下降，代表了基于標(biāo)本的收藏其核心差異化價(jià)值之一正遭受嚴(yán)重侵蝕?？紤]到我們正面臨日益嚴(yán)峻且復(fù)雜的環(huán)境挑戰(zhàn)，亟需利用標(biāo)本數(shù)據(jù)來理解、預(yù)測和應(yīng)對(duì)與氣候及土地利用變化、生物多樣性下降、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)惡化及生態(tài)崩潰相關(guān)的問題，這一趨勢尤其令人擔(dān)憂。這種下降恰恰發(fā)生在高通量數(shù)字化技術(shù)、新型博物館基因組學(xué)平臺(tái)、新數(shù)據(jù)分析工具、預(yù)測性建模方法以及人工智能應(yīng)用不斷涌現(xiàn)和持續(xù)發(fā)展之時(shí)，這些技術(shù)進(jìn)步正在增強(qiáng)和拓展自然歷史收藏為解決這些問題做出貢獻(xiàn)的途徑。盡管生態(tài)危機(jī)的緊迫性和強(qiáng)度在加劇，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)工具的進(jìn)步正提升我們從這些數(shù)據(jù)中獲取可操作見解的能力。然而，收藏?cái)?shù)據(jù)的時(shí)空覆蓋度和數(shù)量，以及基礎(chǔ)的標(biāo)本管理和分類學(xué)專業(yè)知識(shí)，都在迅速衰退，導(dǎo)致我們解決緊迫問題的能力受損、統(tǒng)計(jì)功效降低以及由此得出的推論具有更高的不確定性。

重要的是，基于5年和10年期的ARIMA建模結(jié)果，預(yù)測觀察到的脊索動(dòng)物門和植物門標(biāo)本的長期下降趨勢，其幅度和時(shí)間進(jìn)程將基本保持不變。然而，我們注意到，在現(xiàn)階段，還難以 可靠預(yù)測2020-2025年全球大流行對(duì)這一趨勢的暫時(shí)性影響。盡管節(jié)肢動(dòng)物門的采集活動(dòng)峰值出現(xiàn)較晚，但預(yù)測2015-2019年期間的采集量相較于2008-2012年間觀察到的峰值仍將大幅下降?？傮w而言，雖然采集活動(dòng)廣泛的負(fù)面趨勢在各個(gè)分類群中是一致的，但對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致的探索也揭示了一些值得注意的差異。

標(biāo)本覆蓋度因地區(qū)和分類群而異

我們的結(jié)果表明，亞洲、非洲和大洋洲的總體采集水平歷來低于其他地理區(qū)域，北美每年采集的標(biāo)本平均數(shù)量最高。在2010-2019年期間，與過去幾十年相比，巴西等一些地區(qū)（可能源于公眾和科學(xué)界對(duì)亞馬遜盆地的高度關(guān)注）或某些海域（例如澳大利亞南部和南極洲之間，可能反映了澳大利亞政府對(duì)海洋科研基礎(chǔ)設(shè)施的重大投入）的采集活動(dòng)有所增加。然而，中美洲、南非和澳大利亞等其他生物多樣性豐富地區(qū)采集量的大幅下降尤其令人擔(dān)憂，北非大部分地區(qū)和北極地區(qū)生物多樣性信息的明顯空白也是如此（圖3）。

不同分類群和大陸之間的采集模式存在顯著差異（補(bǔ)充圖15-17）。雖然植物門和脊索動(dòng)物門在全球匯總層面上顯示出相似的模式，但在不同地理區(qū)域內(nèi)，存在一些明顯差異。例如，在歐洲，脊索動(dòng)物門的采集在1965年至1985年間達(dá)到峰值，而植物門的采集峰值大約在2010年。在脊索動(dòng)物門內(nèi)部，非洲和北美的采集都在1960年代達(dá)到峰值，隨后急劇下降，盡管原因可能不同。南美洲的脊索動(dòng)物門收藏自1960年代以來變化不大，僅在最近幾年才有下降跡象，而在亞洲，采集活動(dòng)可能尚未達(dá)到峰值。有趣的是，與這種地理變異相比，脊索動(dòng)物門內(nèi)部各亞群（鳥類、魚類、哺乳類；補(bǔ)充圖14）的變異性較小。

節(jié)肢動(dòng)物門的采集模式與其他類群不同，在大陸尺度上，其采集峰值普遍出現(xiàn)得更晚（2005-2015年），大洋洲除外（1995-2005年）。在一些地區(qū)，采集活動(dòng)持續(xù)增長直至最近，因此難以確定是已經(jīng)達(dá)到峰值，還是有證據(jù)表明出現(xiàn)了持續(xù)性下降（例如在非洲、歐洲）。節(jié)肢動(dòng)物門的復(fù)雜趨勢可能更多是由處理負(fù)擔(dān)而非采集努力度減少所驅(qū)動(dòng)，考慮到其更高的多樣性、大量未描述物種以及更長的標(biāo)本處理時(shí)間。無論原因?yàn)楹?，可用于理解近十年時(shí)空趨勢的數(shù)據(jù)范圍已大幅縮小。這說明了為收藏研究制定數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)先事項(xiàng)的價(jià)值，以便從有限的資源和人員能力中最大化效用和獲取信息（見“未來方向”）。

標(biāo)本數(shù)據(jù)下降的潛在驅(qū)動(dòng)因素

觀察到的采集活動(dòng)下降可能涉及多種因果因素（例如地緣政治、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、對(duì)科學(xué)與數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的支持、用于能力培養(yǎng)與培訓(xùn)的資源、不斷變化的公眾觀念等），其相對(duì)重要性因國家和機(jī)構(gòu)而異。盡管分析各種驅(qū)動(dòng)因素如何在機(jī)構(gòu)、地方、國家和全球尺度上相互作用以驅(qū)動(dòng)觀察到的采集模式超出了本研究范圍，我們在此強(qiáng)調(diào)一些關(guān)鍵考量：

a)  資源限制：用于收藏的資金來源有限，加之勞動(dòng)力和基礎(chǔ)設(shè)施成本上升，以及更嚴(yán)格的野外工作安全要求，顯著增加了單份標(biāo)本的成本，并降低了機(jī)構(gòu)在采集、處理和保存標(biāo)本方面的能力。對(duì)于許多自然歷史收藏機(jī)構(gòu)而言，不斷縮減的預(yù)算意味著，盡管對(duì)標(biāo)本數(shù)據(jù)的需求在增長，但可能僅能維持基本維護(hù)和收藏管理。

b)  法規(guī)與倫理考量：這包括安全/風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（例如生物安全和保護(hù)關(guān)切），它們?nèi)找嬗绊懼杉S可的審批流程。替代數(shù)據(jù)流（例如自主傳感器、音頻記錄、公民科學(xué)觀測）的快速增長，可能導(dǎo)致人們認(rèn)為持續(xù)采集實(shí)體標(biāo)本需要比過去更強(qiáng)有力的科學(xué)理由。這對(duì)于脊椎動(dòng)物尤其如此，因?yàn)楣妼?duì)采集活動(dòng)高度敏感，盡管這對(duì)植物而言作為驅(qū)動(dòng)因素的相關(guān)性較低。旨在承認(rèn)傳統(tǒng)所有者權(quán)利的新興國家和國際倡議（例如《名古屋議定書》、全球土著數(shù)據(jù)聯(lián)盟、CARE原則）增加了進(jìn)一步的復(fù)雜性，需要審慎應(yīng)對(duì)。

c)  工作重點(diǎn)的轉(zhuǎn)變：日益認(rèn)識(shí)到需要使自然歷史收藏'面向未來'，這正在推動(dòng)能力拓展（例如數(shù)字化、基因組學(xué)、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能應(yīng)用）。對(duì)收藏從業(yè)人員技能多樣性的需求增加，意味著用于傳統(tǒng)策展專業(yè)知識(shí)的資金更加緊張（見下文(e)），而隨著采集活動(dòng)減少，接受過采集技術(shù)、標(biāo)本管理和基礎(chǔ)分類學(xué)培訓(xùn)的人員也隨之減少，這加劇了該問題。

d)  定向采集趨勢：采集活動(dòng)已轉(zhuǎn)向僅針對(duì)特定目標(biāo)物種，而非對(duì)區(qū)域內(nèi)物種進(jìn)行全面的、基礎(chǔ)廣泛的普查。正如我們下文將論述的，未來的采集活動(dòng)可能需要在某種程度上進(jìn)一步將重點(diǎn)從物種發(fā)現(xiàn)（明顯的例外是擁有生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)的地理區(qū)域或高度多樣化的類群，如昆蟲）轉(zhuǎn)向描述和預(yù)測變化世界中的生態(tài)進(jìn)化過程。

e)  資助方與公眾觀念：公眾和資助機(jī)構(gòu)對(duì)自然歷史收藏的作用，或?qū)嶓w標(biāo)本的采集、鑒定和保存如何關(guān)鍵地支撐著收藏為應(yīng)對(duì)環(huán)境問題做出貢獻(xiàn)的能力，在這些方面的認(rèn)知仍然存在持續(xù)的差距。重要的是，由經(jīng)過正規(guī)培訓(xùn)的分類學(xué)家進(jìn)行的基于收藏的工作，為其他數(shù)據(jù)源（如長期生態(tài)站點(diǎn)、公民科學(xué)倡議，乃至生物多樣性科學(xué)的任何方面）提供了必需的知識(shí)基礎(chǔ)。

f)  物種發(fā)現(xiàn)：與(d)和(e)點(diǎn)相關(guān)的是，觀察到的物種發(fā)現(xiàn)速率下降（尤其是對(duì)于多樣性遠(yuǎn)低于節(jié)肢動(dòng)物門的脊索動(dòng)物門和植物門）可能與這些分類群正趨近較高的分類飽和度有關(guān)（例如在歐洲和北美）。這可能對(duì)持續(xù)采集的必要性的認(rèn)知產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響機(jī)構(gòu)和資助方的支持水平。

對(duì)收藏科學(xué)的潛在影響

自然歷史收藏的獨(dú)特價(jià)值在于其對(duì)地方、區(qū)域、大陸和全球尺度上生物多樣性的全面時(shí)空覆蓋。所觀察到的采集活動(dòng)下降的總體后果是顯著削弱了這一價(jià)值，阻礙了生物多樣性科學(xué)的進(jìn)步，并最終降低了收藏協(xié)助理解和應(yīng)對(duì)氣候變化及生物多樣性喪失等全球危機(jī)的能力。這種下降對(duì)于基于證據(jù)的政策制定、保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理和危機(jī)管理尤其令人擔(dān)憂，因?yàn)檫@些領(lǐng)域依賴于對(duì)時(shí)空趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測。標(biāo)本數(shù)據(jù)覆蓋度的降低導(dǎo)致從收藏?cái)?shù)據(jù)中得出的統(tǒng)計(jì)推斷準(zhǔn)確性下降、不確定性增加，并且也損害了其他依賴準(zhǔn)確物種識(shí)別的生態(tài)數(shù)據(jù)流的效用。這些趨勢正在損害我們評(píng)估當(dāng)前氣候和土地利用變化影響、模擬物種分布趨勢以及預(yù)測未來生態(tài)和進(jìn)化影響的能力。這種數(shù)據(jù)缺口進(jìn)一步增加了我們無法充分管理或保護(hù)那些代表我們最偉大自然資源、為人類和地球生物圈提供關(guān)鍵生命支持系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

重要的是，自然歷史收藏要?jiǎng)訂T、增強(qiáng)并提升其持有的基礎(chǔ)標(biāo)本數(shù)據(jù)的價(jià)值，部署和整合新興技術(shù)也至關(guān)重要。這包括開發(fā)方法以連接分類學(xué)、地理位置、環(huán)境、表型和遺傳數(shù)據(jù)層，以及構(gòu)建預(yù)測模型和分析工具以充分利用生物多樣性數(shù)據(jù)。盡管收藏機(jī)構(gòu)日益擁有新的數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)平臺(tái)可供使用，但收藏?cái)?shù)據(jù)增長放緩的趨勢抑制了它們充分利用這些工具潛力的能力，導(dǎo)致此類技術(shù)進(jìn)步未得到充分利用，并削弱了收藏科學(xué)為全球倡議做出貢獻(xiàn)的能力。可以說，這種情況正發(fā)生在一個(gè)歷史性的環(huán)境關(guān)頭，此刻這些獨(dú)特的科學(xué)貢獻(xiàn)恰恰是最為迫切需要的。

未來方向

作為科學(xué)界的一份子，我們需要采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)這一問題。要充分實(shí)現(xiàn)自然歷史收藏未來的科學(xué)價(jià)值和影響力，我們必須首先批判性地審視其未來角色——并非孤立地看待，而是將其視為一個(gè)動(dòng)態(tài)演化的生物多樣性信息生態(tài)系統(tǒng)的一部分。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)正迅速被各種新興數(shù)據(jù)流所填充，包括公民科學(xué)觀測、衛(wèi)星與遙感信息、生態(tài)聲學(xué)和環(huán)境DNA。這些數(shù)據(jù)流各自提供寶貴數(shù)據(jù)，但也伴隨自身的偏差和誤差。聚焦于基于標(biāo)本的收藏的關(guān)鍵屬性（空間覆蓋度、時(shí)間深度、分類學(xué)確定性與廣度），為評(píng)估標(biāo)本能獨(dú)特提供哪些信息以及它們與這些其他數(shù)據(jù)源的互補(bǔ)性奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)以新興應(yīng)用領(lǐng)域的具體數(shù)據(jù)需求為框架時(shí)，這一評(píng)估將最能有效地實(shí)現(xiàn)。這涉及考量哪些類型的數(shù)據(jù)對(duì)特定研究問題最具價(jià)值、時(shí)空尺度如何關(guān)聯(lián)不同的研究領(lǐng)域（例如物種發(fā)現(xiàn)、生態(tài)進(jìn)化過程、氣候與土地利用變化影響）、以及哪些分析工具能最大化研究優(yōu)先級(jí)排序中的'效益投入比'。重要的是，這些考量不僅適用于新標(biāo)本的采集，也適用于增加和優(yōu)化現(xiàn)有積壓標(biāo)本的數(shù)據(jù)庫錄入與數(shù)字化動(dòng)員（尤其是節(jié)肢動(dòng)物門等高多樣性類群），以及選擇增加哪些最具價(jià)值的數(shù)據(jù)層（例如基因組、表型組和環(huán)境數(shù)據(jù)）。

我們鼓勵(lì)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行標(biāo)本采集和數(shù)字化，以在應(yīng)對(duì)緊迫環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)優(yōu)化'效益投入比'。關(guān)于應(yīng)聚焦哪些采集工作以加速數(shù)據(jù)流的決策，應(yīng)基于當(dāng)前和未來的趨勢，其中一些趨勢近期已有研究探索。例如，關(guān)于未來的采集活動(dòng)，我們應(yīng)在何處采樣？應(yīng)采集什么？應(yīng)采集多少，以及應(yīng)在何種時(shí)空尺度上進(jìn)行？

一項(xiàng)'更智能地采集'的戰(zhàn)略可通過實(shí)施系統(tǒng)性的項(xiàng)目優(yōu)先排序方法來應(yīng)對(duì)資源限制。為指導(dǎo)未來的采集活動(dòng)和數(shù)據(jù)動(dòng)員工作，我們設(shè)想開發(fā)結(jié)合貝葉斯決策理論和最優(yōu)設(shè)計(jì)工具的交互式平臺(tái)，以支持采集抽樣設(shè)計(jì)。利用'信息價(jià)值'或'期望信息增益'等指標(biāo)，這些平臺(tái)可幫助確定最優(yōu)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)抽樣策略，協(xié)調(diào)區(qū)域及更大尺度的戰(zhàn)略性采樣，并確?；谑詹氐纳锒鄻有詳?shù)據(jù)對(duì)氣候變化研究和生物多樣性喪失評(píng)估等各種應(yīng)用具有最大效用。

整個(gè)科學(xué)界需要共同倡導(dǎo)數(shù)字化和已動(dòng)員的收藏?cái)?shù)據(jù)在應(yīng)對(duì)全球環(huán)境問題方面的價(jià)值。盡管收藏科學(xué)家?guī)砹岁P(guān)鍵的專業(yè)知識(shí)，但標(biāo)本數(shù)據(jù)在不同學(xué)科中日益增長的應(yīng)用，需要生態(tài)學(xué)、基因組學(xué)、氣候科學(xué)及其他領(lǐng)域的研究者更廣泛的參與。提高公眾（例如通過公民科學(xué)倡議）和資助機(jī)構(gòu)對(duì)自然歷史收藏內(nèi)在巨大價(jià)值的認(rèn)識(shí)，對(duì)于獲取發(fā)展收藏所需資源、解決結(jié)構(gòu)和能力限制至關(guān)重要。同樣，對(duì)相關(guān)研究學(xué)科和應(yīng)用的數(shù)據(jù)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化探索，將有助于塑造未來最具實(shí)用性的收藏?cái)?shù)據(jù)形態(tài)。收藏機(jī)構(gòu)應(yīng)采用一項(xiàng)前瞻性的使命，強(qiáng)調(diào)生態(tài)進(jìn)化過程和預(yù)測性工具，同時(shí)持續(xù)關(guān)注生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)和未充分研究區(qū)域的基礎(chǔ)物種發(fā)現(xiàn)。這種轉(zhuǎn)變或許能重振對(duì)采集活動(dòng)的興趣，即使在分類學(xué)趨近飽和的地區(qū)也是如此。與此同時(shí)，支持和幫助欠發(fā)達(dá)國家機(jī)構(gòu)提升技能以參與這一轉(zhuǎn)變也至關(guān)重要，這可能需要額外的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和新的能力。

開發(fā)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于協(xié)調(diào)基于收藏的數(shù)據(jù)與其他生態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)源至關(guān)重要，可通過最大化每份采集標(biāo)本的價(jià)值來應(yīng)對(duì)采集下降的趨勢。成功實(shí)施新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)有范例包括由GBIF、DiSSCo和iDigBio等國際平臺(tái)開發(fā)的數(shù)據(jù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)創(chuàng)新通過實(shí)現(xiàn)'數(shù)字?jǐn)U展標(biāo)本'概念，推動(dòng)了收藏科學(xué)的進(jìn)步，將靜態(tài)記錄轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)、互聯(lián)的知識(shí)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)標(biāo)本數(shù)據(jù)與衍生信息（如基因組序列和表型性狀）以及其他生態(tài)數(shù)據(jù)層整合在一起。

擴(kuò)展收藏的影響力可能還需要將標(biāo)本元數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源（例如公民科學(xué)、遙感）相整合，同時(shí)利用基于人工智能的工具來提高公眾觀測的質(zhì)量并應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)量的權(quán)衡。盡管分類學(xué)專業(yè)知識(shí)對(duì)于準(zhǔn)確的物種鑒定仍然至關(guān)重要，但基于人工智能的工具能顯著提高跨數(shù)據(jù)類型和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的物種鑒定準(zhǔn)確性與一致性。矛盾的是，采集活動(dòng)的下降可能會(huì)限制人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)工具所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而可能阻礙其發(fā)展和有效性。

需要說明的問題

盡管我們的分析為各大分類群基于標(biāo)本的數(shù)據(jù)下降提供了有力證據(jù)，但有幾個(gè)問題需要予以說明。GBIF數(shù)據(jù)僅代表全球自然歷史收藏的一部分，因?yàn)閰⑴c是自愿的，且大多數(shù)機(jī)構(gòu)的數(shù)字覆蓋不完整。我們的研究特別篩選了保藏標(biāo)本（約占GBIF總持有量的10%），以聚焦標(biāo)本采集趨勢而非更廣泛的生物多樣性觀測模式。一個(gè)顯著的數(shù)據(jù)局限性和分析挑戰(zhàn)在于GBIF記錄中缺乏入庫日期。沒有這些日期，我們無法完全區(qū)分三個(gè)不同的過程：(1) 標(biāo)本采集活動(dòng)的實(shí)際下降；(2) 從采集到本地?cái)?shù)據(jù)庫錄入的時(shí)間滯后；(3) 從本地?cái)?shù)據(jù)庫錄入到貢獻(xiàn)給GBIF之間的延遲。為應(yīng)對(duì)這一數(shù)據(jù)局限，我們利用GBIF歷史數(shù)據(jù)庫快照進(jìn)行了預(yù)測分析。關(guān)于這些數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的詳細(xì)討論，請參見補(bǔ)充說明5和6。

盡管存在這些問題，我們所識(shí)別的模式在主要分類群和地理區(qū)域間是一致的。我們的研究基于來自全球眾多收藏機(jī)構(gòu)的超過1.5億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，為我們的結(jié)論提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雖然我們承認(rèn)在聚合生物多樣性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和全面清洗方面存在固有局限36，但我們研究中的總體模式依然顯著。我們研究結(jié)果在時(shí)間上的一致性和分類學(xué)上的廣度，結(jié)合ARIMA預(yù)測結(jié)果，表明觀察到的標(biāo)本采集下降代表了一種真實(shí)存在的現(xiàn)象，而非數(shù)據(jù)管理過程造成的假象。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了持續(xù)投資和戰(zhàn)略規(guī)劃自然歷史收藏的緊迫性，以確保其在應(yīng)對(duì)全球環(huán)境挑戰(zhàn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結(jié)束語

在這個(gè)面臨快速氣候變化和生物多樣性喪失的時(shí)代，我們必須持續(xù)投資于自然歷史收藏?cái)?shù)據(jù)的獨(dú)特價(jià)值。我們認(rèn)為，此類資源不僅直接有助于滿足對(duì)可操作生態(tài)信息日益緊迫的需求，而且也支撐著其他依賴準(zhǔn)確物種識(shí)別的關(guān)鍵生物多樣性和環(huán)境數(shù)據(jù)源（例如公民觀測、遙感、遺傳信息）。因此，收藏?cái)?shù)據(jù)的下降是一個(gè)令人擔(dān)憂的趨勢，需要我們以戰(zhàn)略性的方法來規(guī)劃和投入持續(xù)的采集工作，以確保我們能夠有效應(yīng)對(duì)當(dāng)今時(shí)代加速發(fā)展的環(huán)境挑戰(zhàn)。

需要明確指出的是，我們并非主張恢復(fù)過去同等水平的采集活動(dòng)，而是認(rèn)為我們需要'更智能地'采集，尤其是在持續(xù)的資源限制下?，F(xiàn)代采集實(shí)踐需要反映標(biāo)本數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)分類學(xué)之外不斷擴(kuò)大的應(yīng)用范圍，并接納通過數(shù)字化、基因組學(xué)和人工智能驅(qū)動(dòng)的性狀提取技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在可從每份標(biāo)本中提取的多樣化信息類型。實(shí)際上，這可能意味著需要客觀評(píng)估特定研究或應(yīng)用目標(biāo)是否需要額外的實(shí)體標(biāo)本，或者現(xiàn)有數(shù)據(jù)是否足夠。考慮到來自其他數(shù)據(jù)流（包括公民科學(xué)和野外觀測，這些現(xiàn)在構(gòu)成了GBIF約90%的觀測記錄，此外還有環(huán)境DNA和遙感數(shù)據(jù)）的信息量迅速增長，這一判斷正變得愈發(fā)重要。如果確定需要進(jìn)行新的采集活動(dòng)，那么采樣應(yīng)旨在最大化所獲額外信息的價(jià)值。這部分可以通過開發(fā)和部署有助于跨數(shù)據(jù)層有效整合的工具，以及在這個(gè)更廣泛的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)背景下應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的采樣設(shè)計(jì)框架來實(shí)現(xiàn)。

我們才剛剛開始充分認(rèn)識(shí)到自然歷史研究收藏中那些不可替代數(shù)據(jù)的價(jià)值，而此時(shí)其獨(dú)特的時(shí)空覆蓋正面臨威脅。為了科學(xué)、人類和地球，我們必須共同努力，加強(qiáng)、保護(hù)并投資于基于標(biāo)本的數(shù)據(jù)采集。值得注意的是，盡管在某種程度上我們可以重新獲取物種出現(xiàn)的空間信息，但我們無法重獲時(shí)間。而時(shí)間，正是我們的自然系統(tǒng)所匱乏的。

Cite this article

Forbes, O., Young, A.G. & Thrall, P.H. Global sampling decline erodes science potential of natural history collections. Nat Commun 16, 9255 (2025). https:///10.1038/s41467-025-64303-3

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