From arrival to spread: improving the early-detection of alien wood-boring beetles

The introduction of alien species in new habitats is a global and growing problem worldwide. Since the discovery of the Americas about 10,000 species have been introduced in Europe, mainly plants and insects. Among the latter, wood-boring beetles (mainly Scolytinae, Cerambycidae and Buprestidae) are recognized as one of the most successful group of invaders. These insects can be transported in almost all types of woody materials and, once introduced and established, they can cause enormous damage to ecosystems and economies of the invaded countries. In addition to traditional control methods, in the last years several countries have implemented other kinds of tools, such as traps baited with attractive lures, in order to enhance the chances of alien wood-boring beetles interception. Resources available for these activities are however limited while the number of sites that should be monitored is extremely high. For this reason, it is of utmost importance to have reliable and efficient trapping protocols as well as to understand where surveillance efforts should be focused. However, the general solution of this problem is strictly related to a better comprehension of the three steps characterizing the invasion process: arrival, establishment and spread. This thesis has two main aims: first, to enhance the early-detection of alien wood-boring beetles at high-risk sites located both in coastal and continental areas, and second, to gain insight into the mechanisms driving the alien wood-boring beetle invasion process. The first study concerns the development of efficient early-detection protocols that can be adopted for the interception of alien wood-boring beetles arriving at European ports of entry. This is focused on how different use of attractive lures, different trap models and trap positions (inside ports vs surrounding areas) may influence the chances of interception of alien species. The results suggest the use of multi-funnel traps baited with different lures for monitoring alien wood-boring beetles. The deployment of traps outside the port is also recommended to validate the surveillance program. The second study concerns how port size, in terms of amount of imported commodities, and characteristics of the landscape surrounding the ports, in terms of forest cover and forest composition, may affect the early-detection of alien wood-boring beetles. The results suggest that surveillance should be focused mainly in large ports and in the surrounding broadleaf forests, deploying traps simultaneously in both habitats. The third study is focused on the comparison between ports of entry and wood waste landfills, considered as the final destination of a large part of wood packaging materials imported together with goods. The results show that wood waste landfills are a crucial site where detecting alien species associated with woody materials, even in continental areas far away from the coasts. The forth and fifth studies investigate how the main climatic and environmental variables affect the establishment and spread of alien bark and ambrosia beetles at both regional and continental scale. The main results demonstrate that the invasion process of exotic scolytids is not random and that both climate and forest composition play a key role in shaping their communities and their spatial distribution in the invaded environment. However, these mechanisms occur differently according to the feeding guild of the two main groups of scolytids, the bark beetles and the ambrosia beetles. In general, the five studies carried out in this thesis provide suggestions to increase the probability of an early-detection of alien species both in coastal and continental areas, describing a protocol applicable both at local and international scale. At the same time, they contribute to improve the knowledge about the mechanisms characterizing the invasion process of alien wood-boring beetles, information that can be of utmost importance for the development of future strategies focused to reduce economic and environmental damage due to alien species.L’introduzione di organismi esotici è un processo che avviene ormai da secoli ed è considerato a tutti gli effetti come una minaccia a livello globale. Dalla scoperta dell’America in Europa sono state introdotte circa 10.000 specie esotiche, principalmente piante e insetti. Tra questi ultimi hanno particolare rilevanza i coleotteri xilofagi, per lo più appartenenti alle famiglie scolitidi, cerambicidi e buprestidi. Questi insetti possono essere trasportati all’interno di pressoché qualsiasi tipo di materiale legnoso e, una volta arrivati e stabiliti nel nuovo ambiente, possono causare gravi danni al patrimonio forestale del paese di introduzione con gravi conseguenze sia sotto il profilo economico che ambientale. Da alcuni anni si è iniziato ad affiancare alle tradizionali metodologie di controllo diretto delle merci importate l’utilizzo di strumenti, quali trappole associate a sostanze attrattive, che permettono di aumentare le probabilità di intercettazione delle specie esotiche. Ad ogni modo, considerando le limitate risorse che vengono destinate per questo tipo di attività, diventa fondamentale avere a disposizione efficaci protocolli di monitoraggio ed individuare i punti a maggiore rischio di nuove introduzioni dove concentrare le risorse stesse. Questo non può però prescindere da una migliore conoscenza del processo di invasione biologica e delle tre fasi in cui esso viene comunemente diviso: l’arrivo, l’insediamento e la diffusione nel nuovo ambiente. Questa tesi si pone due obiettivi principali: il primo è quello di migliorare l’efficacia degli esistenti protocolli di monitoraggio al fine di aumentare le possibilità di intercettazione di specie esotiche di insetti del legno sia in aree costiere che continentali, mentre il secondo è quello di approfondire i meccanismi che guidano il processo di invasione biologica. Il primo studio riguarda lo sviluppo di un protocollo di monitoraggio utilizzabile per l’intercettazione di specie esotiche di insetti del legno nei porti europei e considera l’effetto di diverse tecniche di diffusione delle sostanze attrattive e di diversi modelli di trappole, nonché del loro posizionamento all’esterno o all’interno dell’area portuale, sulle possibilità di cattura delle specie esotiche stesse. I risultati indicano come l’utilizzo di trappole modello “multi-funnel”, attivate contemporanemante con più sostanze attrattive, rappresenti un’importante integrazione dei tradizionali metodi di ispezione. Essi inoltre suggeriscono l’impiego di trappole anche nelle aree circostanti il porto per rafforzare i programmi di monitoraggio. Il secondo studio indaga come il volume annuale di importazioni e il paesaggio circostante i porti, espresso in termini di copertura e tipologia forestale (conifere vs latifoglie), influenzano la cattura e l’intercettazione di specie esotiche di insetti del legno. I risultati dimostrano come il monitoraggio dovrebbe essere effettuato utilizzando trappole sia all’interno che all’esterno dell’area portuale, concentrando gli sforzi di campionamento nei porti che ricevono annualmente i volumi più elevati di merci e nei boschi misti di latifoglie localizzati nei primi chilometri attorno al porto. Il terzo studio confronta le catture di specie esotiche ottenute in aree portuali e in siti di riciclaggio o smaltimento di materiali legnosi, considerati come destinazione finale di parte degli imballaggi associati alle merci importate. Lo studio dimostra come tali siti possano essere considerati come utili punti da monitorare per aumentare le possibilità di intercettazione nelle aree continentali. Il quarto e quinto studio indagano il ruolo delle principali variabili climatiche e ambientali sui meccanismi ecologici che regolano il processo di stabilizzazione e diffusione di scolitidi esotici rispettivamente a scala regionale e continentale. I risultati dimostrano che il processo di invasione non è casuale e che sia le variabili climatiche, in termini di temperatura e precipitazioni, che la diversità ambientale, in termini di composizione forestale, giocano un ruolo fondamentale nel modellare le comunità di specie esotiche e la loro distribuzione nel nuovo ambiente, ma che questo avviene in modo differente nei due gruppi principali di coleotteri scolitidi, gli scolitidi xilematici e quelli floematici. Nel complesso, i cinque contributi di questa tesi forniscono indicazioni per aumentare le possibilità di intercettazione di specie esotiche di insetti del legno sia in aree costiere che continentali, descrivendo un approccio applicabile anche a scala internazionale. Allo stesso tempo contribuiscono ad approfondire i meccanismi che caratterizzano il processo di invasione degli insetti del legno, informazioni che risultano essere fondamentali in vista di futuri approcci applicativi volti alla riduzione dei danni ambientali ed economici attribuibili alle specie esotiche