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拒有害生物于千里之外
作者:JMP
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美国农业部是如何对抗入侵物种的呢?当然是用统计!

入侵物种会占领没有它们天敌的地域,然后疯狂繁殖。 ——Ned Jones美国农业部植物保护与检疫科 统计师

挑战
保护美国农业及自然资源免遭植物虫害、有害杂草等威胁。

解决方案
美国农业部运用JMP®实现样本设计、实验的设计与修缮、数据分析以及其它功能。

结果
JMP帮助美国农业部植物保护与检疫科研究员估测植物病虫害入侵风险、限制其进入途径、监控其动向及繁殖情况等。

当Ned Jones办公室的电话响起时,没有人知道他将面对怎样的挑战。不过,这是JMP大展身手的绝好机会。

Jones供职于美国农业部动植物卫生检验署。该署由下属六科室构成,最大的两个科室为兽医服务科,以及植物保护与检疫科。其中,植物保护与检疫科拥有自己的科学智囊团——总部位于北卡罗来纳首府罗利市的“植物健康科技中心”;而Jones是智囊团中唯一的统计专家。

Jones介绍说,兽医服务科常年监测的外来有害生物仅50种左右,而且有着完备的取样与统计系统对其进行追踪。而植物保护与检疫科监测的外来有害生物达50000种,甚至更多——包括所有进入美国境内并攻击本土植物的昆虫、攻击本土植物的病害,及攻击本土植物的植物等——而这一数据还在逐步上升。

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植物保护与检疫科研究员在多个项目中运用SAS和JMP,以抵御有害物种入侵美国,并控制国土上既存有害物种的蔓延。在日常工作中,Jones运用JMP研究涉及样本设计、实验的设计与修缮、数据分析等方法的项目;同时,JMP也多用于数据可视化、问题解决等领域。

风险评估

许可某种植物或植物产品进入美国,需要与之相关的来源国外来物种认证、对该物种的分析报告以及蔓延控制方案,因为所有的产品都将最终流动至消费者手中。

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Ned Jones运用预测刻画器研究并模拟白蜡窄吉丁虫(一种毁坏白蜡树的害虫)的活动。

“我们制订了综合病虫害管理计划(IPM),来管理全体外来物种商品。当其它国家有意向美国输入外来物种商品时,我们也鼓励他们执行这一计划。”Jones解释道。

一旦获知并掌握有害物种的侵入途径,风险管理师就能够决定采用一种或多种风险管理举措,以将其入侵风险降低到可接受水平。综合病虫害管理计划(IPM)的内容包括农药喷洒、择优收获、作物打蜡、冷处理、热处理,以及训练农民发现感染作物等。美国农业部已制订了样本计划,但迄今为止,这些计划仍缺乏切实的执行可能性。

“有时候,这些控制方案功效不够,有时却又太过头。所以我们还在研究。”Jones表示。“我们可以构建一个数学模型,表明‘好,这是第一种方案的害虫存活率,现在我们看第二种方案’,然后不断地并行或按序实施各控制方案,直到害虫存活率有效降低,我们才会准许该外来物种产品进入美国。棘手的是,如何了解各控制方案之间相互作用的情况:它们何时是单独起作用的,何时是协同起作用的,又何时是起到对抗作用的。”

“我们运用JMP刻画器来模拟全程,并分享计划方案。”Jones如是说。
兽医服务科运用JMP刻画器进行基于二项式分布和超几何分布的样本设计,包括检测水平、检测灵敏度、虫害感染几率、置信度以及样本数据大小。JMP刻画器能以独特的视角观测这些单级或多级样本设计因素之间的相互作用情况。

兽医服务科还要对外来物种进行风险分析,但通常无法取得足够的数据,这时就必须依赖专家意见了。专家们将决定,在实施控制方案后的最高存活响应、最低存活响应以及最可能的存活响应。运用JMP刻画器,可输入这些专家意见、并将其转化为Pert分布——beta分布的一个特例,需用到基本的beta参数。这一步骤就能够使JMP刻画器成功模拟出专家的意见。然后,结合以上所有模拟,就可以制作多种控制方案的综合效应模型了。

追踪白蜡窄吉丁虫

美国农业部追踪外来物种的动向,将其放在人口中心、商品农业、自然资源等大环境中考量。他们记录截获每种新物种的日期及地点,并用JMP的地图绘制及动态气泡图等功能实现数据的可视化。

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取样是检查进入美国为数巨大的农业货物的唯一方式。美国农业部Ned Jones如是说

最新的例子是关于实木包装材料的。这种材料常用于保护运输途中的商品,其监管由《国际植物检疫措施标准第15号》实施。

“事实证明,这绝不是件小事情。”Jones表示,“我们已经确知的,就有两种害虫是通过这种包装材料进入美国的——白蜡窄吉丁虫和亚洲长角天牛。这两种生物都在美国境内大量繁殖,尤其是白蜡窄吉丁虫。我们正在设法找到控制方案。”

自20世纪90年代进入美国以来,白蜡窄吉丁虫已蔓延到14个州,毁坏了约1亿株白蜡树,被认为是美国境内最具破坏力的外来昆虫之一。

几年前,Jones运用JMP制作了一款模型,用来估算白蜡窄吉丁虫每年迁移的范围,从而确定灭虫重点区域。他发现,比起人们之前的估测,实际应搜索的范围要大得多。

树立信心

在另一次与美国国防部合作、同样是关于《国际植物检疫措施标准第15号》的项目中,Jones也使用了JMP。

“几十年来,美国一直给欧洲的北约军队输送弹药。”Jones说道,“但大约五年前,欧洲方面反对我们再用木箱装载。我们的木箱大多是松木的,他们担心上面寄生了松材线虫(一种微型蠕虫);一旦进入他们的针叶林,破坏会相当大。”

“苍蝇”实验

美国农业部有几项释放不育昆虫的项目。

“在有些昆虫中,雌性只与一个雄性交配。”Jones解释道。“如果我们在这种昆虫群中大量投放不育雄性昆虫,再让雌性昆虫与之交配,该种类昆虫数量就会减少。”

美国农业部有养殖昆虫的设施,可通过射线照射使之不育。当这些昆虫成年,便将其释放至重点管控或灭杀区域。

Jones负责两个此类项目:一个是食棉害虫红铃虫,另一个是果蝇。

“我们沿着与墨西哥交界的国境线,释放不育的果蝇,以减少其后代数量。”Jones表示。“至于墨西哥那一边,我们就无能为力了。但如果能在国境线两边都大量投放不育的雄性昆虫,那么美国任何害虫的繁衍能力都会降低。”

美国农业部在果蝇盛行的危地马拉和夏威夷各有一个养殖基地。之后,不育的雄性果蝇也会被运至加利福尼亚。

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美国农业部植物保护与检疫科近期监测的外来有害生物达50000种,甚至更多——包括所有进入美国境内并攻击本土植物的昆虫、攻击本土植物的病害,及攻击本土植物的植物等。

“入侵物种会占领没有它们天敌的地域,然后疯狂繁殖。”Jones说。

在美国军械库弹药箱的样本设计及样本选取中,Jones全程使用JMP软件。该项目研究旨在向欧洲方面提供证据,说明这些弹药箱的害虫感染几率仅有0.5%乃至更少,且置信度达到95%。

“当不育果蝇运到目的地,科学家会检测各批次,以得到其健康水平的基线数据。我们想知道,其中有多少是‘可用果蝇’。”

“果蝇通常都不强壮。可我们显然需要它们四处飞飞,找些雌性交配。所以我们检测每一组果蝇,来确定其中强壮果蝇的比例。仅其健康基线的测验,就需花费两个小时——之后还有别的测验,时间更久。”

“我用JMP建了这个项目的模型。JMP真是一款有意思的软件,能够提供重要的结果。”

关于 JMP

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文章内容仅供参考 (投稿) (2015-9-17)
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