利用自我重复取样匹配技术组建生命表:以梨小食心虫为例

【目的】针对一些昆虫在进行生命表研究时由于个体从出生到死亡的发育、存活和繁殖数据无法连续记录或难以记录的问题,本研究旨在引入一种适宜该类昆虫的生命表组建技术,并证明该技术的可靠性。【方法】将24个以传统方式组建的昆虫连续记录生命表拆分为未成熟期与成虫期生命表,再利用自我重复取样匹配技术重新组建新的完整生命表,与原始生命表的主要种群参数进行比较与验证。利用该技术重新组建包含滞育期的梨小食心虫Grapholita molesta生命表,并借助模拟软件预测越冬种群增长趋势,将预测的种群数据与田间取样数据进行对比。【结果】24个种群基于0.5百分位净增殖率(R_(0))和周限增长率(λ)采用自我重复取样匹配构建的生命表的种群参数与原始生命表一致。梨小食心虫自我重复取样匹配生命表无滞育期与含180 d滞育期的生命表周限增长率(λ)、内禀增长率(r)与平均世代周期(T)有显著差异,但净增殖率(R_(0))与平均繁殖率(F)无显著差异。进行种群增长预测时,忽略滞育期会高估田间种群的增长潜力,呈现不现实的快速增长,而包含180 d滞育期的同时降低繁殖率并增加越冬期幼虫的死亡率的生命表,可得到更接近田间观察的实际种群结构。【结论】本研究展示了分别独立收集未成熟期和成虫期数据,利用两性生命表软件经100000次自我重复取样和匹配,进而组建完整生命表的技术。借助年龄-龄期两性生命表理论的计算机模拟可以预测害虫种群增长,有助于确定防治的最佳时期和制定有效的害虫管理方案,以促进农业可持续发展。

自我重复取样技术与多项式定理在年龄-龄期两性生命表研究中的应用

年龄-龄期两性生命表(age-stage,two-sex life table)简称两性生命表,是种群生态学研究与害虫治理中常用的重要理论与分析工具。根据两性生命表理论而设计的方便用户的软件TWOSEX-MSChart近年来被越来越多国内外学者用于昆虫种群研究的数据分析。两性生命表软件的分析功能是由许多的统计技术与计算机模拟方法作为数据分析的支撑,其中自我重复取样(bootstrap)是其重要技术之一。本文详述了bootstrap技术的基本原理、方法、优缺点及其在两性生命表分析中的应用,并介绍了其理论基础多项式定理(multinomial theorem)在生命表研究中的应用。与常用统计方法相比,bootstrap不需要数据分布假设就可以对数据总体的分布特性进行统计和推断。在两性生命表分析中,bootstrap不仅可以估算种群参数或一般统计值的方差和标准误,同时利用paired bootstrap test还可以比较不同处理间的差异,准确显示种群的变异性。利用相同的自我重复取样样本(same bootstrap samples)可以正确计算昆虫的孵化率与不同繁殖型对种群参数的贡献,并可连接天敌的生命表与捕食率分析,以正确分析昆虫种群的繁殖力或天敌种群的捕食潜能等。此外,本文介绍了bootstrap数学理论基础的多项式定理,其在两性生命表研究中的应用进一步证明了bootstrap重复取样技术能得到较稳定和可靠的总体参数估计,并分析了生命表研究中考虑无效bootstrap样本的重要性。近年来,关于两性生命表及bootstrap的应用相关研究较多,但是关于bootstrap技术的原理及方法很少报道。本文将有助于从事昆虫学和生态学的研究人员理解bootstrap技术和多项式定理的基本理论与原理及其在两性生命表分析中的应用,以更好地将其运用于相关科研工作中。

集合论、笛卡尔乘积和多项式定理在生命表研究中的应用:以取食玉米粒和茶树叶片的棉铃虫生命表为例

【目的】自我重复取样技术(bootstrap technique)广泛用于计算生命表各参数的方差、标准误和置信区间(confidence interval),而配对自我重复取样检验(paired bootstrap test,PBT)则用于检测处理间的生命表参数差异。本研究以取食玉米粒和茶树叶片的棉铃虫Helicoverpa armigera生命表为例,进一步解释集合论、笛卡尔乘积和多项式定理在害虫种群生物学研究中的应用。【方法】利用年龄-龄期两性生命表对取食玉米粒和茶树叶片的棉铃虫种群参数进行分析,利用集合论、笛卡尔乘积和多项式定理将种群统计分析以明确数学的方法呈现,以检测所有可能的自我重复取样样本、精确计算种群参数置信区间以及处理之间差异的置信区间,计算可育和不育样本的概率。【结果】取食茶树叶片的棉铃虫其成虫前期存活率、内禀增长率(r)、周限增长率(λ)、净增殖率(R_(0))、平均世代周期(T)均显著低于取食玉米粒的,说明茶树叶片不是棉铃虫的适宜寄主植物。因取食茶树叶片棉铃虫种群不育样本数较多,利用bootstrap重复取样接受可育与不育样本时,其结果与不用bootstrap技术计算的差异小于5%;若取样时仅接受可育样本,结果与原数值差异显著,误差较大(>5%)。使用笛卡尔配对检验(Cartesian paired test,CPT)比较取食两种食物的棉铃虫种群的R0的差异时,可计算两种处理bootstrap抽样结果所有可能差异的精确置信区间,而使用自我重复取样检验通常会导致置信区间的估值过高或过低,尤其是自我重复取样数较小时。多项式定理可以揭示可育和不育样本的自我重复取样结果。自我重复取样抽样记录必须保留,以便在后续分析中进一步应用。【结论】本研究进一步明确了两性生命表理论的数学基础,也为昆虫学研究中的生命表技术的应用提供数学支撑。