Incorporating insect pest outbreaks to landscape modelling: the case of Cydalima perspectalis invasion in Europe

Abstract

Les plagues d’insectes són elements integrats a la dinàmica del paisatge forestal. Tot i això, durant les últimes dècades, han experimentat un augment en nombre i impacte, implicant conseqüències severes pels ecosistemes i la societat. Els motius d’aquesta dinàmica són principalment els canvis en l’ús del sòl, els canvis en el clima i la introducció d’espècies invasores degut al comerç internacional i a la mobilitat humana. L’objectiu central d’aquesta tesi és avançar en el coneixement de l’impacte de les plagues d’insectes al paisatge forestal i integrar-lo en eines de modelització que ajuden a la predicció de conseqüències en un futur canviant. Hem basat l’aproximació en definir els efectes directes i indirectes de les plagues d’insectes mitjançant la descripció de les interaccions amb altres pertorbacions del paisatge forestal (el foc, la sequera, les tempestes, la contaminació, etc.) i descriure els mecanismes que hi influeixen. Hem exemplificat el paper de les plagues forestals amb el cas d’estudi de la papallona del boix (Cydalima perspectalis), un lepidòpter originari d’Àsia i invasor a Europa des de 2007. Hem descrit el nínxol ecològic de l’espècie així com la seva distribució i impacte potencial a l’àrea d’invasió. Finalment hem anticipat els impactes d’aquesta plaga i les seves interaccions amb altres pertorbacions a la vessant sud dels Pirineus en un futur regit pel canvi climàtic.

Aquesta tesi proposa diferents metodologies per a l’estudi de les plagues forestals i el seu impacte al paisatge. Primer es demostra que per una correcta aplicació dels Species Distribution Models (SDM) en espècies invasores és necessària la combinació d’informació de la zona nativa i la zona d’invasió. Segon, s’ha evidenciat que els models de simulació espacialment explícits són eines adequades per descriure les pertorbacions forestals, identificar els paràmetres clau de la seva dinàmica, analitzar les seves interaccions i anticipar els seus impactes davant la incertesa del canvi global. Finalment, es constata que per tal de fer una aplicació eficaç de les metodologies descrites és necessari diferenciar l’ocurrència d’una pertorbació de la severitat del seu impacte.

Els resultats aquí exposats proporcionen noves evidències dels processos que regeixen la dinàmica de plagues forestals i, en concret, de C. perspectalis. Es demostra que la distribució de C. perspectalis al sud dels Pirineus depèn de la presencia de la planta hoste (Buxus sempervirens) i la capacitat d’expansió de l’insecte (que es veu normalment alterada per introduccions antropocòries involuntàries), mentre que no és limitada per la composició de l’habitat. Tot i això, la defoliació severa només es troba en llocs d’alta adequació climàtica, definida per un rang de temperatures diürnes petit i una baixa estacionalitat de la precipitació i la temperatura. Aquestes condicions defineixen un cert patró de continentalitat on els boixos més susceptibles de ser atacats són aquells que es troben a prop de la costa i a baixa elevació (a les províncies de Girona, Barcelona i Navarra) i excloent zones del Pirineu central (Lleida, Huesca). Les projeccions futures de l’impacte causat per C. perspectalis descriuen una relació de consumidor-recurs cíclica amb l’estat dels boixos. A més el canvi climàtic podria reduir l’àrea d’impacte sever causat per l’insecte concentrant-lo només a algunes localitats. La interacció entre C. perspectalis i altres pertorbacions com el foc i la sequera extrema no ha resultat significativa. Tot i això, tal com he descrit en altres espècies d’insectes forestals, les interaccions amb altres pertorbacions són complexes i es produeixen en diverses direccions, efectes (antagònic i sinèrgic) i escales espacials i temporals. Tota aquesta informació ofereix una base de gran valor per a la futura recerca i pel disseny d’estratègies de gestió de boscos i plagues.

Las plagas de insectos son elementos integrados en la dinámica del paisaje forestal. Sin embargo, durante las últimas décadas, han experimentado un aumento en número e impacto, implicando consecuencias severas para los ecosistemas y la sociedad. Los motivos de esta dinámica son principalmente los cambios en el uso del suelo, los cambios en el clima y la introducción de especies invasoras debido al comercio internacional y la movilidad humana. El objetivo de esta tesis es avanzar en el conocimiento del impacto de las plagas de insectos en el paisaje forestal y integrarlo en herramientas de modelización que ayudan a la predicción de consecuencias en un futuro cambiante. Hemos basado la aproximación al definir los efectos directos e indirectos de las plagas de insectos mediante la descripción de las interacciones con otras perturbaciones del paisaje forestal y describir los mecanismos que influyen. Hemos ejemplificado el papel de las plagas forestales con el caso de estudio de la mariposa del boj (Cydalima perspectalis), un lepidóptero originario de Asia e invasor en Europa desde 2007. Hemos descrito el nicho ecológico de la especie así como la su distribución e impacto potencial en el área de invasión. Finalmente hemos anticipado los impactos de esta plaga y sus interacciones con otras perturbaciones en la vertiente sur de los Pirineos en un futuro regido por el cambio climático.

Esta tesis propone diferentes metodologías para el estudio de las plagas forestales y su impacto en el paisaje. Primero se demuestra que para una correcta aplicación de los Species Distribution Modelos (SDM) en especies invasoras es necesaria la combinación de información de la zona nativa y la zona de invasión. Segundo, se ha evidenciado que los modelos de simulación espacialmente explícitos son herramientas adecuadas para describir las perturbaciones forestales, identificar los parámetros clave de su dinámica, analizar sus interacciones y anticipar sus impactos ante la incertidumbre del cambio global. Finalmente, se constata que para hacer una aplicación eficaz de las metodologías descritas es necesario diferenciar la ocurrencia de una perturbación de la severidad de su impacto.

Los resultados aquí expuestos proporcionan nuevas evidencias de los procesos que rigen la dinámica de plagas forestales y, en concreto, de C. perspectalis. Se demuestra que la distribución de C. perspectalis al sur de los Pirineos depende de la presencia de la planta huésped (Buxus sempervirens) y la capacidad de expansión del insecto, mientras que no es limitada por la composición del habitat. Sin embargo, la defoliación severa sólo se encuentra en lugares de alta adecuación climática, definida por un rango de temperaturas diurnas pequeño y una baja estacionalidad de la precipitación y la temperatura. Estas condiciones definen un cierto patrón de continentalidad donde los bojes más susceptibles de ser atacados son aquellos que se encuentran cerca de la costa ya baja elevación (en las provincias de Girona, Barcelona y Navarra) y excluyendo zonas del Pirineo central (Lleida, Huesca ). Las proyecciones futuras del impacto causado por C. perspectalis describen una relación de consumidor-recurso cíclica con el estado de los bojes. Además el cambio climático podría reducir el área de impacto severo causado por el insecto concentrándolo sólo a algunas localidades. La interacción entre C. perspectalis y otras perturbaciones como el fuego y la sequía extrema no ha resultado significativa. Sin embargo, tal como he descrito en otras especies de insectos forestales, las interacciones con otras perturbaciones son complejas y se producen en varias direcciones, efectos (antagónico y sinérgico) y escalas espaciales y temporales. Toda esta información ofrece una base de gran valor para la futura investigación y el diseño de estrategias de gestión de bosques y plagas.

Insect pests are integrated elements of forest landscape dynamics. However, an increase in the number of pest outbreaks and in their impact has been experienced in recent decades, causing severe consequences for ecosystems and society. The reasons behind these changing dynamics are mainly related to changes in land-use, climate, and the introduction of invasive species due to international trades and human mobility. The central goals of this thesis are to advance in the understanding of insect pest impacts on forest landscapes and to integrate them in modelling tools that help the prediction of consequences in a global change future. To face these goals, I defined the direct and indirect effects of insect pests and their interactions with other forest landscape disturbances (fire, drought, storms, pollution, etc.), and described the mechanisms underlying these responses. Aiming at working on a specific actual concerning pest, I examined the case of boxwood moth (Cydalima perspectalis), a Lepidoptera native to Asia and invasive in Europe since 2007. I described the ecologic niche of the species as well as its distribution and potential impact on the invaded area. Finally, I anticipated impacts of this pest and its interactions with other disturbances in the Southern Pyrenees under future climatic conditions. In this thesis, I proposed different methodologies to study the impact of forest pests. First, I demonstrated that a combination of information from the native and invaded areas is required for a correct application of Species Distribution Models (SDMs) in invasive species. Second, I evidenced that spatially explicit simulation models are appropriate tools for the study of forest disturbances, identifying key parameters in determining their dynamics, analyzing their interactions, and anticipating their impacts in the face of global change uncertainty. Finally, I highlighted the adequacy of differentiating the presence versus the severity of a disturbance in order to effectively apply the methodologies described. The results presented in this thesis provide new evidence of the processes governing pest dynamics – and their associated impacts – on forest functioning, in particular, the case of C. perspectalis. I demonstrated that the distribution of C. perspectalis in the Southern Pyrenees depended on the presence of the host plant (Buxus sempervirens) and the insect spread capacity (which is usually altered by involuntary anthropochory), while it was not limited by the fragmentation or heterogeneity of the habitat. However, severe defoliation was only found in places with high climatic suitability, defined by low seasonal precipitation and temperature, and low temperature diurnal range. These conditions define a continentality pattern where the most endangered boxwoods were those located near the coast and at low elevation (in the provinces of Girona, Barcelona, and Navarra) and excluding areas of the central Pyrenees (Lleida, Huesca). Future projections of C. perspectalis impact describe a cyclic consumer-resource relationship with the host plant. In addition, climate change may reduce the area of severe impact being concentrated only in few locations. The interaction between C. perspectalis and extreme drought was not significant. However, as I reported for other forest pest species, interactions with other disturbances are complex and occur in various directions, effects (antagonistic and synergistic) and spatial and temporal scales. For instance, trees that are damaged by fire or drought can synthesize ethanol, monoterpenes, and pheromones that attract insects; trees killed by an insect pest result in an accumulation of fuel that facilitates the spread of fires; trees weakened by drought have a lower response capacity (resin synthesis, regrowth capacity, etc.) and are therefore more susceptible to insect attacks. All this information offers a valuable basis for future research and for designing forest and pest management actions.