联想的保护城市灰树处理系统性杀虫剂对白蜡窄吉丁虫

介绍

全球贸易的增加和气候变化促进了入侵物种的增加(1- - - - - -4)。模型调查未来全球入侵物种趋势预测的指数增长数字(5,6)。Seebens et al。(2021),例如,估计,入侵物种的平均数量将增加36%,从2005年到2050年在大陆范围内。入侵物种的群体分析,节肢动物表现出最高的增加。入侵昆虫能引起生态变化如遗传生物多样性损失个人、人口和社区水平,可以破坏生态系统进程(7- - - - - -9)。此外,昆虫不良造成的损害社会经济影响农业商品的损失或娱乐等森林提供的服务(10,11)。

管理入侵昆虫因此限制这些不利影响的关键。一旦入侵昆虫已经建立和正在蔓延,管理选项,如使用化学杀虫剂(应用程序)、文化(操纵的森林组成和结构)、生物(发布本地昆虫的敌人或微生物生物)和机械(清除树木,树木或树的束腰部分)可以使用的方法(12,13)。尽管许多这样的管理策略可能是有效的,他们并不是没有限制的。管理活动可能产生非目标影响本地昆虫。此外,管理活动实施额外的经济负担的费用损失。在美国,数百万美元的年度联邦和地方政府支出一直致力于入侵物种管理(13,14)。入侵物种的数量持续增加,后续增加这些物种在生态和社会经济的影响,有必要开发和采用可持续发展的管理策略以及减少负面影响,经济上可行的(12,15)。

白蜡窄吉丁虫(Agrilus plannipenisFairemaire,鞘翅目:吉丁虫科)是一种入侵昆虫意外地被引进北美与亚洲的木材包装材料在1990年代(16,17)。昆虫已经蔓延到36个州在美国以及加拿大五省(18)。在北美,白蜡窄吉丁虫(EAB)攻击并杀死健康,本机灰树(Fraxinusspp。),可以攻击和发展fringetree (Chionanthus virginicus林奈)(19- - - - - -22)。灰树,成人eab出现在盛夏和以灰树叶为食。交配的雌性排卵在树皮裂缝和孵化幼虫通过树皮吃形成层的组织,创建蛇形画廊,破坏血管系统。这个喂养活动阻止运动的水和营养物质,从而导致进步皇冠薄从树的顶端向下幼虫密度增加后续树死前1 - 5年内(23)。树皮下面Pre-pupae过冬,化蛹,然后成为成年人(24- - - - - -26)。

灰树占了很大分量的自然和城市森林在美国。EAB过去二十年的发展,导致社会经济损失等影响原住民社区文化和精神资源,木材工业经济损失,财产价值减少,植物和昆虫的变化人口成分(27- - - - - -30.)。EAB当前管理策略包括实施检疫,释放的生物控制剂,树,在城市中心,删除或杀虫剂的应用治疗(23,31日)。治疗系统性杀虫剂杀死幼虫取食树叶树皮和成人喂养(下面32,33)。这些城市管理措施可以产生过高的成本,政府和业主。预计删除、替换和治疗成本的街头白蜡树范围从0.3到09亿加元的30年24个城市在加拿大东部和西部,和在未来10年平均107亿美元在美国25个州(29日,34)。此外,不良杀虫剂对非目标生物的影响和环境是一个关心一些(35)。

找到一个可持续管理选择EAB减轻成本,因此限制了环境影响是至关重要的(36)。成本效益分析的治疗和移除和替换已经表明,治疗可以更经济(31日,37),和治疗的比例出没的灰可以降低密度和传播(38,39)。模拟分析管理策略慢灰死亡率在城市显示治疗20%的树木每年保证99%灰树的生存十年(37)。在俄亥俄州州立公园和马里兰州的概念验证研究显示,接近治疗未经处理的树木保护树木在三年内(40,41)。先前的研究关于这些策略是否可以成功的在城市环境中城市森林的灰是一个主要的组件都集中在emamectin苯甲酸酯和吡虫啉;等杀虫剂azadiractin尚未进行联想的保护计划(42)。本研究的目的是测试假设治疗的一个子集人口城市灰(成熟的街树)可以提供保护,未经处理的树。具体目标是确定(我)是否增加对树木的比例在不同半径(10 m, 25米、50米和100米)未经处理的灰树在城市中心可以保存或改善的皇冠健康领域的未经处理的树低但现在白蜡窄吉丁虫的压力,和(2)是否emamectin苯甲酸与azadirachtin更有效提供联想的保护。

材料和方法

网站

十二个城市网站与树可见早期病害的症状和体征等EAB epicormic拍摄增长和皇冠薄被选在明尼苏达州,美国在2017年7月,(表1)。在每个站点上,我们选择了大约100个成熟的绿色灰树(f . pennsylvanica),超过70%的皇冠。在每个站点,大约50树木注射系统性杀虫剂在标签的0.2 g AI / 2.54厘米胸径(DBH)使用加压喷射系统(QUIK-jet空气^®树注入系统,Arborjet沃本,MA)。树木在十二8网站被分配emamectin苯甲酸(树龄^®G4、Arborjet沃本马;395棵树注入总),而剩下的四个网站,位于至少300米的四苯甲酸emamectin网站,收到azadirachtin (AzaSol^®马,沃本Arborjet;200棵树注入总)。总共有678棵树被左未经处理的控制(即整个实验。,大约一半的100棵树的12个站点)。在每个站点上,树木被杀虫剂处理被安排在一个空间梯度从许多未经处理的树木与几个混杂在一起许多治疗治疗的树木周围只有少数未经处理的树(图1)。均值(±SE)所有站点的树之间的距离是9±0.4米。平均胸径树的研究网站44±1.0厘米(即。,大约14.9米(2每个树)的韧皮部(43))。

独立于上述十二个实验网站,一组未经处理,参考树(n= 10棵树在每个城市选择从每个研究网站大约有3公里。我们称这些树为“参考”因此,树木与前面描述的十二个实验网站中“试验版”树。这些“参考”的树木和站点的目的是监控EAB活动:类似于未经处理的树在实验网站,我们希望这些树可能很快屈服在缺乏周围的树与树注射。

皇冠评级的树木进行了实验和参考网站每年6月(2017年至2021年)一个星期之前预定的治疗(在下面描述)。树规模冠被评为0(死)到10(100%树冠)。冠被评为视觉由三个独立观察员,然后取平均值。降水,这可能影响到皇冠健康计算每月降水使用日常降水和积雪数据在一个代表站点(圣保罗,明尼苏达州)在2017年,2018年,2019年、2020年和2021年从美国国家海洋大气管理局(NOAA)的网站。

杀虫剂的治疗方法在实验网站实现了从7月26日至2017年6月30日和31日到2017年8月8日emamectin苯甲酸和azadirachtin,分别。治疗被重新应用根据制造商的指导方针与苯甲酸emamectin树木接收治疗每隔一年,2019年6月26日至28日,和azadirachtin每年4到8 2018年6月,2019年6月10到17,2020年6月15到25。偶尔,我们发现,公民将安排治疗控制树木在公共大道。在这种情况下,我们将树从“控制”到“治疗”的数据集(n= 28在苯甲酸emamectin网站和树木n= 20树azadirachtin地点)。这种树木被排除在外的预处理分析平均冠评级在2017年开始试验,但在后续阶段包括在分析联想的保护。一个网站在2021年退出了实验当私人公民对待所有控制树在2020年夏天。另一个网站,接受azadirachtin,失去时但十树都被这座城市。占其他树删除后剩下的十个实验网站,剩下的总数的树木在这项研究在2021年实验的最后158 azadiractin-treated树木,342 emamectin benzoate-treated树,和435年未经处理的树。

线性混合效应模型(方差分析)是用于分析初始皇冠条件是否2017年各有高低两个作为初始治疗质量控制检查。第二个线性混合效应模型(ANCOVA)是用于检查2017年皇冠条件如何变化(反应变量)是影响时间(协变量)和治疗(因素)。条款网站在网站注册为随机效应和树。最后,线性模型被用来分析联想的保护未经处理的树在两个方面。首先,我们研究了联想的保护在网站如下。对于每一个未经处理的树,我们构建了一个基于距离社区词特征的比例对树的树在给定距离那棵树。我们基于距离的10、25、50、100米半径分别为每个站点。然后我们的皇冠等级回归模型来确定使用未经处理的树(响应变量)改变了每一项(共)在单独的模型,即。治疗的比例,增加树木影响的皇冠条件给定的未经处理的树(表1)。第二,我们评估是否未经处理的树拒绝以较慢的速度取决于他们是否“参考”树位于大约3公里从实验网站与未经处理的实验网站中的“试验版”树。对于这一分析,我们适合ANCOVA模型只使用未经处理的树木,并研究如何响应,皇冠评级,随时间(协变量)和网站类型(参考和实验,一个因素)。

分析假设的线性模型等模型残差的方差齐性和常态检查通过视觉检查剩余的情节。选择最好的模型检查AIC成绩除了检查重要的协变量模型(α= 0.05)。所有的数据分析进行了R(包,代码:lme4,lme三个月),同时利用包tidyverse (44)。

量化的杀虫剂浓度灰叶

2到4周治疗后,树叶从树枝大约6米高五未经处理的树和树处理emamectin苯甲酸或azadirachtin,在每一个网站,在2017年8月14至17日,6月25日到2018年7月5日,8到2019年8月25日和2020年8月7日至16日。树叶被储存在密封塑胶袋袋(26.8厘米W x 27.3厘米H)在-20年冰箱⁰C直到杀虫剂浓度分析使用高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS / MS)。进行分析,五至七叶材料的克重进烧杯,然后干了36小时60°C。树叶被使用手套覆盖手指大小不大于2毫米(2)。碎样本然后转移到Q-Sep QuEChERS提取工具(Restek公司Bellefonte PA),患者用高效液相色谱法水水10 g的最终质量和提取使用无缓冲的原始协议。分散固相萃取(dSPE Restek公司Bellefonte, PA)被用作二次提取样本之前装上HPLC-MS / MS仪器。

校准标准为每一个活性成分被稀释准备HPLC-MS / MS分析年级每个化合物与未经处理的叶中提取的股票的解决方案,即:苯甲酸、股票解决emamectin 6.2µg /毫升(Sigma-Aldrich、圣路易斯、钼)和16.8µg /毫升原液azadirachtin (Sigma-Aldrich、圣路易斯、钼)。ThermoFisher终极3000高效液相色谱系统和力量亚马逊SL离子阱女士在电喷雾电离源是用来检测的化合物。50毫米x 2.1毫米(3-μm粒度)Phenomenex LUNAω极地C18柱与柱用于分离。方法用于优化分离的化合物emamectin苯甲酸和azadirachtin提取物被周et al。(2016)和博罗et al。(2003),分别为(55,56)。

杀虫剂浓度测定基于集成的峰值区域和各自的标准曲线,和干树叶的重量除以样本。量化的极限是5 ng / ml emamectin苯甲酸和azadirachtin 10 ng / ml。和样品浓度高于线性的限制(250 ng / ml)被稀释,再分析。

结果

树顶和EAB压力条件

在实验的开始,大多数树木在完好无损的平均皇冠等级树都在实验10 (图2)。平均(±SE)皇冠等级当时处理和未经处理的树emamectin苯甲酸网站是9.39(±0.05)和9.37(±0.05),和9.46(±0.06)和9.57(±0.05),分别在azadirachtin网站。皇冠评级emamectin苯甲酸和azadirachtin网站处理和未经处理的树(F之间是相似的_1773年= 0.11,P =0.74和F_1429年= 2.23,P分别为= 0.14;图2)。

树木的冠在我们的研究网站适当的不随时间下降。事实上,皇冠等级的平均变化从2017年到2021年略有增加处理和未经处理的树emamectin苯甲酸酯和azadirachtin网站(图3)。在这两种类型的网站,我们指出收益四分之一至一半分,平均而言,在五年的研究。五年的变化意味着皇冠等级之间的研究类似的处理和未经处理的树在苯甲酸emamectin网站(F_1,8= 0.54,P =0.48)和azadirachtin网站(F_1,8= 0.87,P= 0.38)。

2021年,研究的结论,8未经处理的参考的树木已经被移除五的八个控制块设置3公里每个实验的网站。在实验开始时,2017年,平均评级参考树的皇冠是介于8.8和10 8个城市。到2021年,平均冠评级仍在一个城市10.0±0.0,8.8±0.3在另一个城市。意味着皇冠在另外两个评级降至8.3±0.4,7.5±0.4在一个城市,只在两个城市5.0±0.4,3.0±2.0最后一个城市。外的树木,我们的实验网站已经退化情况很差。

我们没有注意在五年干旱。代表图月降水总量的圣保罗,MN所示图4。

证据联想的保护

在所有网站,未经处理的参考树下降更快的树木比未经处理的实验在实验网站(F₇₆= 6.89,P= 0.0105;图5)。在网站,因为大多数的树木依然完好无损,确定的距离联想的保护可能代理或比例的树应该被赋予这样的保护,未经处理的树在皇冠颇有挑战性没有强大的变异条件(图3)。我们观察到显著增加冠评级的未经处理的树林,增加治疗的比例从一个未经处理的树树在给定半径12人中只有两个网站。,有可能会发现皇冠评级提高一个未经处理的树如果更高比例的邻国在最近的25岁,50岁,甚至100年的任何治疗研究方向(表2)。治疗的树木在这两个网站收到emamectin苯甲酸。皇冠等级最高的平均增长的树木在浣熊急流(1.6±0.1)和减少最低的是观察emamectin苯甲酸在圣保罗(-0.2±0.2,表1)。

杀虫剂浓度灰叶

所有叶样品分析HPLC-MS /女士来自emamectin benzoate-treated树在2017年和2020年(n= 40树木每年采样)可检测水平的杀虫剂。而在2018年和2019年,26岁的40树木和38 40树水平检测的杀虫剂。在四年里,树叶收集的杀虫剂浓度emamectin benzoate-treated树木范围从8.3到14741纳克/克干叶。意味着今年emamectin苯甲酸酯浓度最高的树是注射在为期两年的周期。即浓度降至240±35 ng / g干叶25±3 ng / g的干叶子从2017年到2018年,从636±384 ng / g的干叶子43±3 ng / g干叶从2019年到2020年(图6)。

大约一半的叶子从azadirachtin-treated树木每年收集的样本检测出杀虫剂。在2017年和2018年,9个树可检测水平;2019年,8的20;2020年,12 20。整个四年,azadirachtin浓度树叶范围从12到4158纳克/克干叶。-印楝素是2017年最高的平均浓度(2440±404 ng / g干叶),紧随其后的是2018 (832±225 ng / g干叶))。在2019年,平均浓度为277±31 ng / g干叶在2020年,平均浓度为278±34 ng / g干叶(图6 b)。

讨论

治疗50%的街道灰树保存皇冠未经处理的树在我们的实验条件网站未经处理的树和那些接受苯甲酸emamectin azadirachtin保持或改善了冠评级从2017年到2021年(图2)。量化的空间尺度上这种保护作用可能发生在一个网站(即。,100m or less), there needed to be lower crown ratings in the less densely treated areas relative to the more densely treated areas within a site. The unexpectedly good condition of most trees from study inception (图2)研究结论(表1,图3)进一步妨碍了量化模式的能力,联想的保护在只有两个网站在网站或量化尺度(表2)。有两个原因,不是相互排斥的,为什么EAB密度实验地点仍然过低导致冠整体下降(26)。

第一个原因是,保护现象在更广泛的空间规模比我们预期的条件下测试通过注射计划一个梯度跨越几百米在每个站点。的确,皇冠的维护健康治疗树木在所有网站相对于观测参考树位于大约3公里从每个站点提供了证据支持这一假设(图5)。EAB显然是出现在城市,如皇冠评级降低参考树大约3公里的网站和很多树被EAB移除由于侵扰。可能由业主私人治疗随机住宅树木膨胀对灰的数量,导致规模大联想的保护,虽然视觉上公众成熟灰树数量相似的树木在住宅后院其他物种常被种植。本研究进行公共树大道的权利,和我们没有控制私人土地所有者的行为对待树的属性。

第二,在冬季低温EAB可能抑制幼虫密度。2018 - 2019年冬天,例如,EAB幼虫死亡率s堡州立公园,索克人中心,和德卢斯,MN范围从40到99%死亡率当空气温度范围从-29°C到-34°C (45)。这些观察与预测具有可比性冷死亡率水平从白蜡窄吉丁虫进行了实验室和现场研究在明尼苏达州,即。,79%的幼虫死亡在-29°C和98%的幼虫死亡在-34°C (46)。皇冠卫生评级已被用作EAB人口水平的有效措施,特别是在入侵的早期(47,48)。树冠绿色和白色火山灰下降发生在成人出现水平范围从25岁至35岁之间的成年人每米(2)韧皮部和死亡的大树(胸径≥13厘米)就变得明显有超过100名成年人每米(2韧皮部)(26)。我们预计气候影响会被统一在实验和参考树,然而,考虑到他们距离大约3公里内彼此在每个城市。

虽然我们的结果和其他(40,41治疗的一个子集)表明,成熟的树木提供联想的保护,未经处理的树是一个持续的、可行的管理策略与低密度的EAB早期入侵阶段,知识的确切机制仍然是难以捉摸的。我们假设联想的保护机制是减少EAB人口从喂养的幼虫附近的树木和对待死亡处理树。成年灰蛀虫将分散的约100出现点在一个地区丰富的灰树(49100米内)和未经处理的树木保护治疗树(表2)表明抑制这样的距离。Emamectin苯甲酸是一种神经毒素,是致命的白蜡窄吉丁虫并杀死成人和幼虫相对比azadirachtin更快在低剂量(50,51)。Azadirachtin扰乱幼虫生长和减少生育和繁殖能力的成年女性EAB (32,52)。我们的观察结果表明,苯甲酸emamectin略有更致命的影响比azadirachtin EAB人群。我们没有进行分析的韧皮部组织幼虫EAB饲料,但叶分析建议不错,但变量易位的产品到树冠。治疗的叶面emamectin苯甲酸酯浓度最高的年(2017年和2019年,图6),目前尚不清楚是否延长治疗间隔三年将产生相似的联想的保护。无需处理时间有效性下降随着时间的推移,(41,53)。

除了研究长寿,今后的工作应该进一步完善的空间,时间,EAB密度在联想的保护是有效的。先前的研究和自己的工作只有检查距离≤100米(40,41)。当我们假定联想的有效范围可以更广泛、更深入的研究可以证实这种可能性。O ' brien et al。(2017)表明,联想的保护是有效的EAB密度较低的区域(即。≥75%灰生存在实验开始)和无效的EAB密度高的地区(如。,25%灰生存在实验的开始)。分支机构和阀杆抽样可以提供更准确的衡量EAB密度(54)。确定的有效性的限制联想的保护也应纳入更多的杀虫剂的治疗方案。尽管emamectin苯甲酸和azadirachtin保持甚至改善整体皇冠健康,时间,空间和EAB密度属性与azadirachtin计划可能不同于那些emamectin苯甲酸。将所有这些方面将提供特定的治疗方案对这种毁灭性的入侵昆虫使用联想的保护。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

DM和英航的概念和设计研究。DM,正义与发展党和DG进行实地研究。毫米和KN进行质谱分析。DM写了初稿的手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

该项目资金是由明尼苏达入侵陆生植物与害虫中心通过明尼苏达州环境和自然资源的信托基金,拨款2015年马丁,Ch。76年,艺术。2,6秒。。

确认

奥,我们感谢吩咐乔保证,埃尔金李,玛拉短,Kristine Jecha,丹增Dothar,尼科尔·威特Piper海恩斯,斯蒂芬妮·甘特,科尔杜利特尔,帕特里克·灭亡Pheylan安德森和Alexa科赫技术和领域的帮助。詹妮弗Burington明尼苏达州农业部(MDA)和城市森林的城市圣保罗和Eagan整个研究的继续支持和信件。

的利益冲突

作者唐纳德•m . Grosman受雇于Arborjet Inc .)

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用