Modelli a supporto delle decisioni per la gestione dei parassiti. Il ruolo delle scale e dei contesti di applicazione

Arthropod pests represent one of the major threats worldwide as they have an impact on agricultural and forestry production, and on the health of animals, humans and the environment. In particular, plant pests will play a prominent role in shaping the management practices and the technologies to be adopted in food production. With an increasing growth of human population and the consequent increase in food demand, a major challenge of the future will be to ensure safe and secure food. Decreasing crop losses due to pests and reducing both the direct and indirect costs linked to pest management is a fundamental aspect for ensuring global food security. The design and the implementation of rational and scientifically sound decisions in pest management can be supported by the use of models. In particular, physiologically-based models have proven to be useful tools able to provide quantitative information supporting decision-makers in the management of pests. In this work, I present a general overview on the development and the application of models for pest management with particular emphasis on physiologically-based models applied at different contexts and at different spatial (from local to area-wide management) and temporal (from short to long term management) scales. In Chapter One I present an overview on the impacts of arthropod pests and the requirements to be satisfied when developing a model for pest management considering the spatio-temporal scale and the context of application. I discuss the different modelling approaches applied to pest ecology and the importance to realistically represent the biological system under investigation. In Chapter Two I review the current state of the art on the development and the use of models supporting Integrated Pest Management. I discuss the modelling approaches, the fields of application, the benefits and the drivers influencing their adoption as tools for decision-making in crop protection. In Chapter Three I present a physiologically-based model predicting the multi-annual phenology of the Japanese beetle (Popillia japonica). In particular, is introduced a realistic description of the overwintering process of the species and discussed the consequences on the predicted timing of emergence of the different life-stages. In Chapter Four I present a physiologically-based model simulating the population dynamics of the fall armyworm (Spodoptera frugiperda). I discuss the implications linked to the introduction of a density-dependent control factor for the realistic simulation of intra-specific and inter-specific competition and the influence on the predicted dynamics of the species. In Chapter Five I present a physiologically-based model simulating the potential distribution, abundance and activity of the Mediterranean fruitfly (Ceratitis capitata) in Europe under current and future climatic scenarios. In particular, I discuss the importance of capturing the non-linear relation between environmental drivers and the species’ physiological responses as well as the consequences at the individual and at the population level. In Chapter Six I briefly summarise the main results of the models presented and discuss their application for the assessment and the management of the risks linked to pests in different spatio-temporal scales and contexts of application. I also discuss how models for pest management might support decision-making in relation to the future global challenges we are called to face in the near future.

Gli artropodi parassiti rappresentano una delle principali minacce a livello globale a causa del loro impatto sulla produzione agricola e forestale e per gli effetti sulla salute degli animali, dell’uomo e dell’ambiente. In particolare, i parassiti delle piante influenzano le pratiche di gestione e lo sviluppo di tecnologie per assicurare la produzione alimentare. Con l’incremento della popolazione umana e del conseguente incremento della richiesta di cibo, un’importante sfida del futuro sarà quella di assicurare la sicurezza e la disponibilità di risorse alimentari. Ridurre le perdite colturali causate dai parassiti e i costi diretti e indiretti legati alla loro gestione è un aspetto fondamentale per assicurare la sicurezza alimentare globale. La pianificazione e l’implementazione di decisioni razionali e scientificamente valide per la gestione dei parassiti possono essere supportate dall’uso dei modelli. In particolare, i modelli a base fisiologica rappresentano utili strumenti in grado di fornire informazioni quantitative a supporto della loro gestione. Nel presente lavoro, viene fornita una descrizione generale relativa allo sviluppo e all’applicazione di modelli per la gestione dei parassiti, ponendo l’accento sui modelli a base fisiologica e sulla loro applicazione a diversi contesti e su varie scale spaziali (dalla gestione locale a quella territoriale) e temporali (gestione a breve e a lungo termine). Nel Capitolo Uno si descrivono gli impatti legati agli artropodi parassiti e si presentano i requisiti da rispettare per lo sviluppo di un modello applicato alla gestione dei parassiti, tenendo conto della scala spazio-temporale e del contesto di applicazione. Si discutono, inoltre, i diversi approcci modellistici applicati allo studio dell’ecologia dei parassiti e l’importanza di rappresentare in maniera realistica il sistema biologico investigato. Nel Capitolo Due si fornisce una revisione dello stato dell’arte legato all’uso di modelli per il supporto alla gestione integrata dei parassiti (Integrated Pest Management). Si discutono i diversi approcci, i campi di applicazione, i benefici ed i fattori che influenzano l’adozione di tali modelli per il supporto alle decisioni. Nel Capitolo Tre, viene presentato un modello a base fisiologica per prevedere la fenologia multi-annuale del coleottero Giapponese (Popillia japonica). Viene introdotto nel modello una descrizione realistica del processo di svernamento della specie e si discutono le conseguenze sulle tempistiche di emergenza predette per i diversi stadi di sviluppo. Nel Capitolo Quattro, viene presentato un modello a base fisiologica per la simulazione della dinamica di popolazione di Spodoptera frugiperda. Si discutono le implicazioni modellistiche legate all’introduzione di un termine densità-dipendente per la descrizione degli effetti della competizione intra-specifica e inter-specifica sulla dinamica della specie. Nel Capitolo Cinque, viene presentato un modello a base fisiologica per simulare la distribuzione, l’abbondanza e l’attività della mosca mediterranea della frutta (Ceratitis capitata) in Europa, considerando diversi scenari climatici. In particolare, viene discussa l’importanza di descrivere le relazioni non-lineari esistenti tra le forzanti ambientali e le risposte a livello individuale e di popolazione. Nel Capitolo Sei viene fornito un breve riassunto dei risultati principali dei modelli presentati con riferimento alla loro applicazione per la stima e la gestione dei rischi legati ai parassiti in diversi contesti e scale di applicazione. Si discute, inoltre, il potenziale uso di tali modelli per rispondere alle sfide globali che saremo chiamati ad affrontare nel prossimo futuro.