Analysing the effect of environment and environmental change on the spatial distribution and dynamics of the aphid species, Myzus persicae (Sulzer), in Europe
(2004)
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- Rounsevell, Mark
- Abstract
- The assessment of global change impacts on crop pests is an important contribution to the understanding of future changes in agricultural productivity. Furthermore, the biological characteristics of some pest species mean they are useful early indicators of global change. The aim of this study was to analyse the effects of environment and environmental change on insect pests, through the case study of the aphid species Myzus persicae. The study was based on an analysis of the spatial distribution and temporal evolution of M. persicae using long-term, observed databases. The research relied on the hypothesis that environmental, land use and climatic changes, which have occurred in Europe during the last thirty years, have led to quantifiable changes in the spatial and temporal patterns of aphid pests abundance and migration. The approach used in testing these hypotheses was geographical. A study of the mechanisms determining the current aphid distribution has been undertaken by using spatial pattern methods and spatial empirical models. This approach allowed the identification of aphid spatial structure and the key environmental factors determining these geographic patterns. The potential was also explored of using scenarios analysis to assess the consequences of future environmental changes for M. persicae. Spatial autocorrelation and SADIE (Spatial Analysis by Distance IndicEs) analyses were used to measure the spatial patterns of aphid annual abundance at a local and global scale across North-West Europe. The results demonstrated that a global spatial structure occurs over large distances, up to 500km, and that this is quite stable in time. This structure was shown to be influenced by broad and fine extent processes such as climatic, landscape or position effects (spatial component). Hierarchical cluster analysis and spatial association measures reinforced these observations. The area occupied by agriculture, forest and sea appears to be related to the total number of M. persicae caught in a year and the results of the SADIE analysis suggested that climate also plays a role, with the structure of rainfall and temperature being, respectively, negatively and positively associated to the pattern of M.persicae annual abundance. Multiple linear regression (MLR), artificial neural network (ANN) and variance partitioning procedures were used to interpret the pattern of aphid distribution at several scales within Europe. The results reconfirmed that climate, land use and geographical location play a role in determining patterns of aphid abundance and phenology. Precipitation tended to be associated with lower aphid abundance, whilst warmer springs and larger areas of agricultural crops, in particular oilseed rape, were related to an increase in annual total. The processes that govern annual abundance were shown to interact in complex ways. For example, at the European scale, 30% of the variance was explained by the interaction effect of the environmental factors (R² MLR O.44). Conversely, the date of first flight was shown to be mainly driven by climate and particularly by winter temperatures: warmer winters tend to advance migration. The results also indicated that the predictive power of ANN models was greatly improved by the inclusion of temporal land use data, i.e. by considering land use change trajectories. For example, at the European regional scale, the R² between prediction and observation on an independent test set increased to 0.86 for annual abundance (compared to 0.42 with MLR), and to 0.91 for first flight (compared to 0.47 with MLR). The multiple linear regression and artificial neural network models were used to estimate the potential impacts of future changes in aphid phenology under seven scenarios of climate and land use change. The analysis confirms that migrations will occur earlier with climatic change, by as much as 2 months (on average), in some regions, and that this phenomenon might occur over the majority of Europe. These results imply increasing problems for pest disease and management. To conclude, this research has provided one of the first multi-impact studies of climate and land use change on insect pests. Environmental conditions are shown to influence Myzus persicae abundance and first flight, although the processes involved in such relationships are complex, due to numerous interactions between the environmental factors and thus, are difficult to interpret. Some of the potential effects of global environmental change on pests have been specified, such as an advance in phenological events, range extension and changes in spatial and temporal synchronisms with host plants. However, the inclusion of other biotic and abiotic variables might be necessary to improve the predictive capacity of the models and for a complete assessment of global change impacts on crop pests. Evaluer l impact du changement global sur les parasites des cultures est une contribution majeure à la compréhension des changements futurs de la productivité agricole. Par ailleurs, les caractéristiques biologiques de certaines espèces de parasite leurs permettent de jouer le rôle d indicateur précoce du changement global. Le but de cette étude est d'analyser les effets de l'environnement et du changement environnemental sur des insectes parasites, par l'étude du cas de l espèce de puceron Myzus persicae. La recherche s'est fondée sur l'hypothèse que les changements environnementaux, d utilisation du sol et de climat, qui se sont produits en Europe pendant les trente dernières années, ont conduit à des changements quantifiables de la structure spatiale et temporelle de l'abondance et de la phénologie du puceron. L'approche utilisée pour évaluer cette hypothèse est géographique. Une étude des mécanismes déterminant la distribution actuelle du puceron a été entreprise en analysant la structure spatiale des données ainsi qu en développant des modèles empiriques spatiaux. Cette approche a permis d identifier la structure spatiale des données pucerons ainsi que de déterminer les principaux facteurs environnementaux déterminant ces structures géographiques. Les résultats ont montré que le climat, l utilisation de la terre et la localisation géographique jouent un rôle déterminant sur la structure de l'abondance annuelle et sur la date du premier vol de M. persicae. La précipitation tend en effet à être associée à une faible abondance d insectes, tandis que des climats plus chauds et les zones agricoles, en particulier où le colza est cultivé, sont favorables à une abondance annuelle plus forte. Les processus qui régissent l'abondance annuelle sont complexes tandis que la date du premier vol est principalement déterminée par le climat et en particulier par les températures d'hiver : des hivers plus chauds tendent à avancer la migration. L analyse de scénarios a été réalisée afin d explorer les conséquences potentielles des futurs changements environnementaux sur M. persicae. L'analyse confirme que les migrations se produiront plus tôt avec le changement climatique, de près de 2 mois (en moyenne) dans quelques régions, et que ce phénomène pourrait se produire pour la majorité de l'Europe. Ces résultats impliquent des problèmes croissants pour la gestion des parasites ainsi que pour le risque de transmission de maladie aux plantes. Pour conclure, cette recherche a fourni une des premières études sur l impact combiné du changement de climat et d'utilisation de la terre sur des insectes parasites. L influence des conditions environnementales sur l'abondance de M. persicae et sur le premier vol a été mise en évidence, bien que les processus impliqués dans de tels rapports soient complexes. En effet, de nombreuses interactions existent entre les facteurs environnementaux ce qui rend leur rôle difficile à interpréter. Certains des effets potentiels du changement environnemental global sur les parasites ont été indiqués, comme une avance dans leur phénologie, une extension spatiale de leur présence et des changements dans leurs synchronismes spatiaux et temporels avec les plantes hôtes. Cependant, l'inclusion d'autres variables biotiques et abiotiques pourrait s avérer nécessaire, notamment pour améliorer la capacité prédictive des modèles et pour une évaluation plus complète de l impact des changements globaux sur les parasites des cultures. ...
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Citations
Cocu, N. (2004). Analysing the effect of environment and environmental change on the spatial distribution and dynamics of the aphid species, Myzus persicae (Sulzer), in Europe. https://hdl.handle.net/2078.5/98007