[论文解读] On the use of Traveling Waves for Pest/Vector elimination using the Sterile Insect Technique

Roumen Anguelov, Yves Dumont+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2020

Insect behavior and control techniques参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文将一个时序的无害昆虫技术（SIT）模型扩展为一个空间显式、部分退化的反应-扩散系统，以研究害虫/媒介生物控制中的行进波动力学。研究证明了单稳态和双稳态行进波的存在性，并表明通过在空间走廊内进行大规模释放、在前方进行小规模释放的‘走廊策略’，可以有效阻断甚至推回入侵性害虫前沿，提供一种可持续、空间靶向的SIT策略。

ABSTRACT

The development of sustainable vector/pest control methods is of utmost importance to reduce the risk of vector-borne diseases and pest damages on crops. Among them, the Sterile Insect Technique (SIT) is a very promising one. In this paper, using diffusion operators, we extend a temporal SIT model, developed in a recent paper, into a partially degenerate reaction-diffusion SIT model. Adapting some theoretical results on traveling wave solutions for partially degenerate reaction-diffusion equations, we show the existence of mono-stable and bi-stable traveling-wave solutions for our SIT system. The dynamics of our system is driven by a SIT-threshold number above which the SIT control becomes effective and drives the system to elimination, using massive releases. When the amount of sterile males is lower than the SIT-threshold, the SIT model experiences a strong Allee effect such that a bi-stable traveling wave solution can exist and can also be used to derive an effective long term strategy, mixing massive and small releases. We illustrate some of our theoretical results with numerical simulations , and, also explore numerically spatial-localized SIT control strategies, using massive and small releases. We show that this "corridor" strategy can be efficient to block an invasion and eventually can be used to push back the front of a vector/pest invasion.

研究动机与目标

• 将时序SIT模型扩展为考虑害虫/媒介成虫扩散的空间-时序反应-扩散框架。
• 研究部分退化反应-扩散SIT系统中行进波解的存在性与性质。
• 开发并评估空间靶向SIT控制策略，特别是走廊与屏障方法，以阻断并逆转害虫入侵。
• 为现实应用中优化SIT释放方案提供理论与数值支持，特别是在留尼汪岛和科西嘉岛等地区。
• 通过基于波动力学的动态、局部化释放策略，应对大规模部署中SIT失效的挑战。

提出的方法

• 构建一个部分退化的反应-扩散系统，以模拟野生与无害雄性昆虫的空间-时序动态。
• 应用退化反应-扩散方程行进波解的理论结果，分析波的存在性与稳定性。
• 引入一个SIT阈值参数 $ M_{T_1} $，当其高于该值时，系统可通过大规模释放实现种群消除。
• 设计一种‘走廊策略’，通过空间局部化的大量释放阻断入侵前沿，并在前方辅以小规模释放以维持抑制效果。
• 利用数值模拟验证波的行为，并评估在不同释放强度与扩散率下基于走廊的控制效率。
• 采用来自现实SIT项目（如留尼汪岛的白纹伊蚊、科西嘉岛的地中海实蝇）的参数，确保生态相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有部分退化的空间扩展SIT模型中，行进波解在何种条件下存在？
• RQ2 SIT阈值 $ M_{T_1} $ 如何影响单稳态与双稳态行进波的存在性？
• RQ3 基于走廊的释放策略能否有效阻断并逆转入侵性害虫或媒介的前沿？
• RQ4 阿列效应在实现双稳态波动力学及通过小规模释放实现长期控制中起到何种作用？
• RQ5 扩散率与释放强度如何影响空间局部化SIT干预的成功率？

主要发现

• 该模型证明了在部分退化的反应-扩散SIT系统中，单稳态与双稳态行进波解均存在。
• 当 $ M_T < M_{T_1} $ 时，单调波前连接无病状态（0）与正平衡点，表明种群可持久存在。
• 当 $ M_T > M_{T_1} $ 时，数值模拟证实系统可通过大规模释放被驱动至完全消除。
• 走廊策略——在27公里或40公里宽的走廊内进行大规模释放，并在前方实施小规模释放——成功阻断并推回入侵前沿。
• 当 $ M_T = 1.8 imes M_{T_1} $，$ d_M = 0.05 $，$ d_F = 0.1 $，且 $ ho = 0.08 $ 时，模拟显示随时间推移可实现有效波阻断与反转。
• 该走廊策略在理论上可推广至其他害虫，如地中海实蝇与南瓜实蝇，且在中美洲存在类似实际案例，如地中海实蝇屏障。