Modelling the invasion dynamics of the pest Popillia japonica: insights from the recent outbreak in Italy and Switzerland

Popillia japonica is an invasive insect first detected in Northern Italy in 2014, placed second by European phytosanitary authorities among most dangerous pests for crops due to the economic, environmental and social costs estimated for an unconstrained outbreak. The aim of this work is to develop a process-based model for understanding the invasion dynamics of P. japonica with the goal to assist the definition of IPM strategies. A semi-discrete spatially-heterogeneous reaction-diffusion model was developed to capture the different behaviours of adults, driving the invasion through flight, and ovo-larval stages, affecting demography due to their susceptibility to environmental conditions. The simulated presence of adult beetles was statistically contrasted with the binary presence/absence observation data at the municipality scale. The model was optimised via a genetic algorithm to estimate key unknown parameters characterizing the invasion dynamics. Results reveal that the current outbreak is occurring in one of the most favourable areas for P. japonica movement, the Po Valley. Other European clusters of high potential invasion speed are estimated to be in the Balkans and in Southern France, while the rest of Europe can generally sustain moderate paces, with the exception of Southern and Northern countries, where spread is hindered. Projecting the future expansion of the current outbreak, under the hypothesis of natural movement only, suggests that the beetle may reach eight countries by 2050 beyond the currently infested Italy and Switzerland. P. japonica could invade Liechtenstein, Germany and Austria (advancing through Switzerland), San Marino, Slovenia and Croatia (through eastward movement in the Po Valley), France and Monaco. In particular, France appears to be at risk of invasion via three different gateways: from Liguria, along the coast, from Geneva towards Lyon, and from the northern border of Switzerland. Mountain regions appear to act as obstacles to the progression of the invasion, with the Alps, excluding the valleys, being an almost unbreachable defense, whereas the Apennines only slow down the southward advancement, without stopping it altogether.

Popillia japonica è un insetto invasivo rilevato per la prima volta nel Nord Italia nel 2014 e considerato dalle autorità fitosanitarie europee secondo tra i parassiti più pericolosi per l’agricoltura a causa dei costi economici, ambientali e sociali stimati per un’invasione incontrollata. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un modello per comprendere le dinamiche di invasione di P. japonica al fine di supportare la definizione di strategie di gestione. Per catturare i diversi comportamenti di adulti, che guidano l'invasione attraverso il volo, e stadi ovo-larvali, suscettibili alle condizioni ambientali, è stato sviluppato un modello di reazione-diffusione semi-discreto ed eterogeneo nello spazio. La presenza simulata di insetti adulti è stata statisticamente comparata con le osservazioni binarie di presenza/assenza disponibili a livello comunale. Il modello è stato ottimizzato mediante un algoritmo genetico per stimare i parametri chiave che caratterizzano la dinamica dell'invasione. I risultati rivelano che l'attuale focolaio si trova in una delle aree più favorevoli al movimento di P. japonica, la Pianura Padana. Altre zone in Europa con velocità stimate rilevanti sono i Balcani e la Francia meridionale, mentre il resto del continente può sostenere ritmi moderati, con l'eccezione del sud e nord Europa, dove la diffusione risulta rallentata. La proiezione dell’espansione futura dell'attuale focolaio, sotto l’ipotesi di sola diffusione naturale, vede il coleottero aver invaso, entro il 2050, otto Paesi oltre a Italia e Svizzera, attualmente infestati. P. japonica giungerebbe in Liechtenstein, Germania e Austria (attraverso la Svizzera), San Marino, Slovenia e Croazia (avanzando verso est nella Pianura Padana), Francia e Monaco. In particolare, il territorio francese appare minacciato lungo tre direttrici: dalla Liguria, lungo la costa, da Ginevra verso Lione, e dal confine settentrionale della Svizzera. Le montagne appaiono come ostacoli all’invasione, con le Alpi che, ad eccezione delle valli, costituiscono una difesa quasi invalicabile, mentre gli Appennini riescono solo a rallentare l’avanzata verso sud, senza fermarla del tutto.