Abstract Although research on human-mediated exchanges of species has substantially intensified during the last centuries, we know surprisingly little about temporal dynamics of alien species accumulations across regions and taxa. Using a novel database of 45,813 first records of 16,926 established alien species, we show that the annual rate of first records worldwide has increased during the last 200 years, with 37% of all first records reported most recently (1970–2014). Inter-continental and inter-taxonomic variation can be largely attributed to the diaspora of European settlers in the nineteenth century and to the acceleration in trade in the twentieth century. For all taxonomic groups, the increase in numbers of alien species does not show any sign of saturation and most taxa even show increases in the rate of first records over time. This highlights that past efforts to mitigate invasions have not been effective enough to keep up with increasing globalization.

Biological invasions are a global consequence of an increasingly connected world and the rise in human population size. The numbers of invasive alien species - the subset of alien species that spread widely in areas where they are not native, affecting the environment or human livelihoods - are increasing. Synergies with other global changes are exacerbating current invasions and facilitating new ones, thereby escalating the extent and impacts of invaders. Invasions have complex and often immense long-term direct and indirect impacts. In many cases, such impacts become apparent or problematic only when invaders are well established and have large ranges. Invasive alien species break down biogeographic realms, affect native species richness and abundance, increase the risk of native species extinction, affect the genetic composition of native populations, change native animal behaviour, alter phylogenetic diversity across communities, and modify trophic networks. Many invasive alien species also change ecosystem functioning and the delivery of ecosystem services by altering nutrient and contaminant cycling, hydrology, habitat structure, and disturbance regimes. These biodiversity and ecosystem impacts are accelerating and will increase further in the future. Scientific evidence has identified policy strategies to reduce future invasions, but these strategies are often insufficiently implemented. For some nations, notably Australia and New Zealand, biosecurity has become a national priority. There have been long-term successes, such as eradication of rats and cats on increasingly large islands and biological control of weeds across continental areas. However, in many countries, invasions receive little attention. Improved international cooperation is crucial to reduce the impacts of invasive alien species on biodiversity, ecosystem services, and human livelihoods. Countries can strengthen their biosecurity regulations to implement and enforce more effective management strategies that should also address other global changes that interact with invasions.

▪ Abstract Spatial synchrony refers to coincident changes in the abundance or other time-varying characteristics of geographically disjunct populations. This phenomenon has been documented in the dynamics of species representing a variety of taxa and ecological roles. Synchrony may arise from three primary mechanisms:(a) dispersal among populations, reducing the size of relatively large populations and increasing relatively small ones; (b) congruent dependence of population dynamics on a synchronous exogenous random factor such as temperature or rainfall, a phenomenon known as the “Moran effect”; and (c) trophic interactions with populations of other species that are themselves spatially synchronous or mobile. Identification of the causes of synchrony is often difficult. In addition to intraspecific synchrony, there are many examples of synchrony among populations of different species, the causes of which are similarly complex and difficult to identify. Furthermore, some populations may exhibit complex spatial dynamics such as spiral waves and chaos. Statistical tests based on phase coherence and/or time-lagged spatial correlation are required to characterize these more complex patterns of spatial dynamics fully.

For millions of years the distribution of the world's biota has been restricted by oceans and other natural barriers. During the last 100 yr, human activities, especially international travel and trade, have circumvented these barriers, and species are invading new continents at an increasing rate. Biological invasions of insect, plant, and fungal pest species often cause substantial disturbance to forest ecosystems as well as severe socioeconomic impacts. The invasion process is composed of three phases: arrival, establishment, and spread. Arrival occurs when a species is initially transported to the new area (e.g., transportation to a new continent). Establishment is essentially the opposite of extinction; it is the process by which a population becomes abundant enough to prevent extinction. Spread is the process by which a species expands its range into adjoining uninfested areas. Management of pest invasions focuses on preventing arrival, establishment, or spread. We present case histories that illustrate the invasion process via details of the arrival, spread, impact, and management of selected exotic forest pests. Biological invasions are probably the most significant environmental threat to the maintenance of natural forest ecosystems in North America and elsewhere. The magnitude of this problem necessitates increased efforts to reduce the incidence and impacts of pest invasions. For. Sci. Monogr. 30:1-49.

Reliable estimates of the impacts and costs of biological invasions are critical to developing credible management, trade and regulatory policies. Worldwide, forests and urban trees provide important ecosystem services as well as economic and social benefits, but are threatened by non-native insects. More than 450 non-native forest insects are established in the United States but estimates of broad-scale economic impacts associated with these species are largely unavailable. We developed a novel modeling approach that maximizes the use of available data, accounts for multiple sources of uncertainty, and provides cost estimates for three major feeding guilds of non-native forest insects. For each guild, we calculated the economic damages for five cost categories and we estimated the probability of future introductions of damaging pests. We found that costs are largely borne by homeowners and municipal governments. Wood- and phloem-boring insects are anticipated to cause the largest economic impacts by annually inducing nearly $1.7 billion in local government expenditures and approximately $830 million in lost residential property values. Given observations of new species, there is a 32% chance that another highly destructive borer species will invade the U.S. in the next 10 years. Our damage estimates provide a crucial but previously missing component of cost-benefit analyses to evaluate policies and management options intended to reduce species introductions. The modeling approach we developed is highly flexible and could be similarly employed to estimate damages in other countries or natural resource sectors.

Significance Our ability to predict the identity of future invasive alien species is largely based upon knowledge of prior invasion history. Emerging alien species—those never before encountered as aliens—therefore pose a significant challenge to biosecurity interventions worldwide. Using a global database of the first regional records of alien species covering the years 1500–2005 we detected a surprisingly high proportion of species in recent records that have never been recorded as alien before. The high proportion of these emerging alien species mainly resulted from the increased accessibility of new source species pools in the native range. Risk assessment approaches that rely less on invasion history will need to be prioritized.

Abstract Biological invasions have steadily increased over recent centuries. However, we still lack a clear expectation about future trends in alien species numbers. In particular, we do not know whether alien species will continue to accumulate in regional floras and faunas, or whether the pace of accumulation will decrease due to the depletion of native source pools. Here, we apply a new model to simulate future numbers of alien species based on estimated sizes of source pools and dynamics of historical invasions, assuming a continuation of processes in the future as observed in the past (a business‐as‐usual scenario). We first validated performance of different model versions by conducting a back‐casting approach, therefore fitting the model to alien species numbers until 1950 and validating predictions on trends from 1950 to 2005. In a second step, we selected the best performing model that provided the most robust predictions to project trajectories of alien species numbers until 2050. Altogether, this resulted in 3,790 stochastic simulation runs for 38 taxon–continent combinations. We provide the first quantitative projections of future trajectories of alien species numbers for seven major taxonomic groups in eight continents, accounting for variation in sampling intensity and uncertainty in projections. Overall, established alien species numbers per continent were predicted to increase from 2005 to 2050 by 36%. Particularly, strong increases were projected for Europe in absolute (+2,543 ± 237 alien species) and relative terms, followed by Temperate Asia (+1,597 ± 197), Northern America (1,484 ± 74) and Southern America (1,391 ± 258). Among individual taxonomic groups, especially strong increases were projected for invertebrates globally. Declining (but still positive) rates were projected only for Australasia. Our projections provide a first baseline for the assessment of future developments of biological invasions, which will help to inform policies to contain the spread of alien species.

Abstract Allee effects are an important dynamic phenomenon believed to be manifested in several population processes, notably extinction and invasion. Though widely cited in these contexts, the evidence for their strength and prevalence has not been critically evaluated. We review results from 91 studies on Allee effects in natural animal populations. We focus on empirical signatures that are used or might be used to detect Allee effects, the types of data in which Allee effects are evident, the empirical support for the occurrence of critical densities in natural populations, and differences among taxa both in the presence of Allee effects and primary causal mechanisms. We find that conclusive examples are known from Mollusca, Arthropoda, and Chordata, including three classes of vertebrates, and are most commonly documented to result from mate limitation in invertebrates and from predator–prey interactions in vertebrates. More than half of studies failed to distinguish component and demographic Allee effects in data, although the distinction is crucial to most of the population‐level dynamic implications associated with Allee effects (e.g., the existence of an unstable critical density associated with strong Allee effects). Thus, although we find conclusive evidence for Allee effects due to a variety of mechanisms in natural populations of 59 animal species, we also find that existing data addressing the strength and commonness of Allee effects across species and populations is limited; evidence for a critical density for most populations is lacking. We suggest that current studies, mainly observational in nature, should be supplemented by population‐scale experiments and approaches connecting component and demographic effects.

This paper aims to provide guidance to ecologists with limited experience in spatial analysis to help in their choice of techniques. It uses examples to compare methods of spatial analysis for ecological field data. A taxonomy of different data types is presented, including point‐ and area‐referenced data, with and without attributes. Spatially and non‐spatially explicit data are distinguished. The effects of sampling and other transformations that convert one data type to another are discussed; the possible loss of spatial information is considered. Techniques for analyzing spatial pattern, developed in plant ecology, animal ecology, landscape ecology, geostatistics and applied statistics are reviewed briefly and their overlap in methodology and philosophy noted. The techniques are categorized according to their output and the inferences that may be drawn from them, in a discursive style without formulae. Methods are compared for four case studies with field data covering a range of types. These are: 1) percentage cover of three shrubs along a line transect; 2) locations and volume of a desert plant in a 1 ha area; 3) a remotely‐sensed spectral index and elevation from 10 5 km 2 of a mountainous region; and 4) land cover from three rangeland types within 800 km 2 of a coastal region. Initial approaches utilize mapping, frequency distributions and variance‐mean indices. Analysis techniques we compare include: local quadrat variance, block quadrat variance, correlograms, variograms, angular correlation, directional variograms, wavelets, SADIE, nearest neighbour methods, Ripley's (t), and various landscape ecology metrics. Our advice to ecologists is to use simple visualization techniques for initial analysis, and subsequently to select methods that are appropriate for the data type and that answer their specific questions of interest. It is usually prudent to employ several different techniques.

Emerald ash borer (Agrilus planipennis Fairmaire), a phloem-feeding beetle native to Asia, was discovered near Detroit, Michigan and Windsor, Ontario in 2002. As of March 2009, isolated populations of emerald ash borer (EAB) have been detected in nine additional states and Quebec. EAB is a highly invasive forest pest that has the potential to spread and kill native ash trees (Fraxinus sp.) throughout the United States. We estimate the discounted cost of ash treatment, removal, and replacement on developed land within communities in a 25-state study area centered on Detroit using simulations of EAB spread and infestation over the next decade (2009–2019). An estimated 38 million ash trees occur on this land base. The simulations predict an expanding EAB infestation that will likely encompass most of the 25 states and warrant treatment, removal, and replacement of more than 17 million ash trees with mean discounted cost of $10.7 billion. Expanding the land base to include developed land outside, as well as inside, communities nearly double the estimates of the number of ash trees treated or removed and replaced, and the associated cost. The estimates of discounted cost suggest that a substantial investment might be efficiently spent to slow the expansion of isolated EAB infestations and postpone the ultimate costs of ash treatment, removal, and replacement.