综述:关于Lobesia botrana生长和世代交替的数学建模趋势:一项比较性综述

时间:2026年1月21日
来源:Crop Protection

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数学模型为理解预测葡萄卷叶蛾发育和种群动态提供了关键工具,比较了四类模型在温带气候下的表现,发现模块化整合生物学知识比结构复杂度更能提升预测能力,但区域适应和气候变异性仍是挑战。

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埃斯特法尼娅·阿吉雷-萨帕塔(Estefania Aguirre-Zapata)| 洪贝托·莫拉莱斯(Humberto Morales)| 费尔南多·迪·斯基亚斯科(Fernando di Sciascio)| 阿德里亚娜·N·阿米卡雷利(Adriana N. Amicarelli)
阿根廷圣胡安国立大学自动控制研究所(INAUT),隶属于阿根廷国家科学技术研究委员会(CONICET),地址:Av. San Martín (Oeste) 1109,圣胡安

摘要

数学模型是理解和预测害虫在多变环境条件下生长情况的重要工具。对于Lobesia botrana这种害虫,过去几十年提出了多种建模方法,这些方法从基于温度累积的经验模型到结合生理年龄、光照周期和寄主物候的机制性模型(基于第一性原理的模型)不等。本文综述了针对该物种开发的主要建模策略,强调了概念上的进展、局限性以及需要进一步整合的领域。文章探讨了这些模型如何表示温度驱动的生长发育、死亡率及阶段转换过程,以及它们如何处理世代重叠、环境可塑性和发育阈值等生物学现象。同时,还指出了在不同气候和物候条件下移植模型的挑战。作为案例研究,我们使用2020-2021年南半球一个葡萄园的捕获数据,比较了四种代表性模型的预测结果。结果表明,模型的性能不仅取决于其结构或复杂性,还取决于其以模块化且可解释的方式整合生物学知识的能力。文中特别强调了灵活且易于应用的建模框架的重要性,这类框架能够适应当地条件,并实现具有生态和经济意义的害虫预测。

引言

葡萄栽培是全球许多地区具有重要历史、文化和经济意义的农业产业(Baiano, 2021; Jamali et al., 2020)。全球葡萄酒产业涉及广泛的利益相关者,包括葡萄园所有者、酿酒商、分销商、研究人员和消费者,生产主要集中在欧洲、南美洲和大洋洲等地(Jamali et al., 2020)。法国、意大利、西班牙、阿根廷和澳大利亚等国家不仅以其葡萄酒出口而闻名,还在物候研究方面取得了显著的科学成果(Ohana-Levi and Netzer, 2023)。尽管葡萄栽培产业持续发展,但仍面临害虫、疾病和气候相关压力因素的威胁,这些因素直接影响葡萄产量和质量(Khan et al., 2020)。其中,欧洲葡萄蛾Lobesia botrana(鳞翅目:卷叶蛾科)已成为一种具有高经济和植物检疫意义的关键害虫。这种昆虫原产于欧洲,18世纪首次被描述,过去几十年间其地理分布范围不断扩大,2008年入侵智利,2009年进入加利福尼亚,2010年到达阿根廷(Gonzalez, 2010; Burgardt et al., 2011; Simmons et al., 2021)。在多个南美国家,由于它的入侵潜力和难以控制的特点,被列为检疫性害虫(Dagatti and Cristina Becerra, 2015)。
L. botrana并不会损害葡萄藤的所有物候阶段;其影响主要集中在幼虫易取食的阶段。幼虫会啃食花朵和果实,从而促进真菌感染并显著降低葡萄酒品质(Burgardt et al., 2011; Silva et al., 2013; Benelli et al., 2023b)。此外,该物种具有多代发生特性、可逆滞育现象以及显著的生理可塑性——这些特性增强了其适应当地气候和寄主条件的能力(Torres-Vila, 1995; Vitta, 2020; Benelli et al., 2023b; Castex et al., 2020)。这些生物学特征使得制定统一的控制策略变得复杂,需要采取基于数据的本地化方法(Mutamiswa et al., 2023)。已经试验了多种害虫控制方法,包括化学杀虫剂、生物防治剂、诱捕器、干扰交配和释放不育昆虫等。这些策略通常在综合害虫管理(IPM)框架下结合使用,需要精确的时间安排和本地化调整以最大化效果(Benelli et al., 2023b)。蛾类物候的复杂性与持续的气候变化使得实时预测工具成为可持续葡萄栽培的关键组成部分(Mondani et al., 2020; Aguirre-Zapata et al., 2023)。数学模型已成为预测种群动态、优化控制措施和支持决策支持系统(DSS)开发的强大工具。从简单的度日模型到机制性和半物理模型,这些模型使研究人员和实践者能够模拟L. botrana的生物周期并据此制定相应的干预措施(Touzeau, 1981; Gilioli et al., 2016; Castex et al., 2020)。模型开发可以采用基于经验数据和系统识别技术的归纳方法,也可以基于物理定律和生物学机制的演绎方法。这种区别影响了模型对系统内部动态的表征方式及其在不同地区的适用性(Alvarez, 2022; Brogan, 1991)。过去十年中,多项研究提出了基于模型的框架,以提高IPM策略的预测准确性和生态真实性(Carlos and Maria do Carmo, 2022)。
本文对用于模拟L. botrana生长和多代发生特性的数学模型进行了比较综述,分析了其概念基础、考虑的变量、假设、区域适应性及预测能力。同时指出了知识空白,并提出了未来研究方向,以加强在新兴气候情景下将建模整合到害虫控制和葡萄园管理中的力度。

部分摘录

Lobesia botrana

L. botrana被认为是葡萄栽培中最具破坏性的害虫之一。1776年丹尼斯(Denis)和希弗穆勒(Schiffermüller)首次对其进行了分类描述,24年后(1800年),它首次在奥地利被记录为葡萄害虫。此后,在19世纪和20世纪期间,它逐渐扩散到整个欧洲(Torres-Vila, 1995)。进入21世纪后,L. botrana又入侵了新的地区:智利(2008年)、美国(2009年,2016年被根除)等。

L. botrana的数学建模

L. botrana的数学建模已成为现代葡萄栽培的重要工具。准确预测害虫的生长发育和种群动态对于及时采取干预措施、优化农药使用和实施综合害虫管理(IPM)计划至关重要(Clecicovschii and Şmatkovskaia, 2023)。鉴于昆虫-植物-气候相互作用的复杂性,模型不仅有助于……

田间条件下的模型响应分析

本节通过四个建模方法的实际应用案例,展示了在真实田间条件下模拟L. botrana季节性物候的过程。目的不是进行批判性比较或排名,而是观察每种模型结构如何响应实证数据,突出其功能特性、环境依赖性及潜在适用性。

差距与挑战

尽管在昆虫物候建模方面取得了显著进展,但将机制性理解转化为既具有生态有效性又具有操作实用性的预测工具仍面临诸多挑战。本节总结了现有建模方法的当前知识空白和结构局限,特别是结合上述案例研究的结果。

未来方向

首先,未来的实证研究应致力于解决在波动环境条件下生命史参数的不确定性问题。这包括进行长期田间研究,以量化早期生命阶段的死亡率、温度和湿度对繁殖特征的交互作用,以及寄主物候对发育时间的限制作用。这些努力对于校准能够高精度反映区域害虫动态的模型至关重要。
其次,模型……

CRediT作者贡献声明

埃斯特法尼娅·阿吉雷-萨帕塔(Estefania Aguirre-Zapata):撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。洪贝托·莫拉莱斯(Humberto Morales):撰写初稿、方法论设计、调查实施、概念化。费尔南多·迪·斯基亚斯科(Fernando di Sciascio):审稿与编辑、监督工作。阿德里亚娜·N·阿米卡雷利(Adriana N. Amicarelli):审稿与编辑、监督工作、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关联:埃斯特法尼娅·阿吉雷-萨帕塔表示获得了阿根廷国家科学技术研究委员会(CONICET)的财政支持。

致谢

埃斯特法尼娅·阿吉雷-萨帕塔和洪贝托·莫拉莱斯获得了阿根廷国家科学技术研究委员会(CONICET)的博士后奖学金资助。作者还感谢阿根廷国家农业技术研究所(INTA)以及圣胡安省政府植物、动物和食品健康部门提供的气象数据和田间诱捕数据。

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