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Keywords:

  • Dendroctonus frontalis;
  • lower lethal temperature;
  • distribution;
  • southern forest;
  • Geographic Information System;
  • global change;
  • climatic variance

Summary

The southern pine beetle, Dendroctonus frontalis, is among the most important agents of ecological disturbance and economic loss in forests of the south-eastern United States. We combined physiological measurements of insect temperature responses with climatic analyses to test the role of temperature in determining the northern distribution limits of D. frontalis. Laboratory measurements of lower lethal temperatures and published records of mortality in wild populations indicated that air temperatures of −16° should result in almost 100% mortality of D. frontalis. The distribution limits for D. frontalis approximate the isoline corresponding to an annual probability of 0.90 of reaching ≤−16 °C. Thus, D. frontalis have been found about as far north as they could possibly occur given winter temperature regimes. At latitudes from 39° N (southern Ohio) to 33° N (central Alabama), winter temperatures must exert high mortality on D. frontalis populations in at least one year out of ten. In contrast, we reject the hypotheses that summer temperatures or the distribution of host trees constrain the northern distribution of D. frontalis. Because of the short generation time of D. frontalis, its high dispersal abilities, and the cosmopolitan distribution of suitable host trees, changes in either the mean or variance of minimum annual temperatures could have almost immediate effects on regional patterns of beetle infestations. We estimate that an increase of 3 °C in minimum annual temperature could extend the northern distribution limits by 170 km. Increases or decreases in the variance of minimum annual temperatures would further relax climatic constraints on the northern distribution limits of D. frontalis. Results emphasize the ecological importance of spatial and temporal variability in minimum annual temperatures. The physiologically based models provide a tool for guiding land management decisions in forests and illustrate a general approach for predicting the regional effects of climatic patterns on the distribution of organisms.

Resumen

Dendroctonus frontalis es considerado uno de los principales agentes responsables de alteraciones ecológicas y pérdidas económicas en los bosques del sudeste de los Estados Unidos. Nosotros combinamos medidas fisiológicas de respuesta del insecto a la temperatura con análisis climáticos con el fin de estudiar el papel que desempeña la temperatura en la determinación de los límites de distribución norte de esta especie. Medidas en el laboratorio de la temperatura letal inferior y referencias bibliográficas de alta mortalidad en poblaciones naturales del insecto indican que una temperatura del aire de−16 °C podría resultar en casi un 100% de mortalidad para D. frontalis. Los límites de distribución de D. frontalis se aproximan a la isolínea determinada por una probabilidad anual de 0.90 de alcanzar ≤−16 °C. Por tanto D. frontalis se localiza todo lo norte que podría encontrarse dado el régimen de temperaturas invernales. En latitudes desde 39°N (sur de Ohio) hasta 33°N (centro de Alabama), las temperaturas invernales probablemente contribuyen a una gran mortalidad de D. frontalis en al menos uno de cada diez años. En cambio rechazamos la hipótesis de que las temperaturas estivales o la distribución de sus plantas huésped limitan la distribución norte de D. frontalis. Debido a la corta duración su período generacional, a su gran capacidad de dispersión y la cosmopolita distribución de sus huéspedes, cambios en la media de la varianza de la temperatura anual mínima podría tener efectos casi inmediatos en los patrones regionales de brotes epidémicos. Nosotros estimamos que un incremento de 3 °C en la temperatura mínima anual podría ampliar sus límites de distribución norte del orden de unos 170 km. Un aumento o un descenso de la temperatura mínima anual podría aminorar las actuales limitaciones climáticas en la distribución norte de esta especie. Los resultados ponen de manifiesto la importancia ecológica de la variabilidad espacial y temporal de las temperaturas mínimas anuales. Los modelos con una base fisiológica proporcionan una herramienta a tener en cuenta en la toma de decisiones sobre manejo del suelo en los bosques e ilustran un enfoque general para predecir los efectos regionales de los patrones climáticos en la distribución de organismos.