模拟冰暴对森林生态系统的影响

摘要

冰暴是重要的天气事件，由于其发生难以预测，研究起来具有挑战性。本文介绍了一种模拟冰暴的新方法，该方法是在低于冰点的条件下向森林冠层喷洒水雾。

摘要

冰暴可能对经历冰冻条件地区的森林生态系统结构和功能产生深远且持久的影响。目前的模型表明，随着气候变化，未来几十年内冰暴的发生频率和强度可能增加，这使得人们更加关注其影响。由于冰暴具有随机性，且难以预测其发生的时间和地点，过去对冰暴生态效应的研究大多基于重大冰暴事件后的案例研究。由于强烈的冰暴属于极为罕见的事件，等待其自然发生来进行研究是不现实的。本文介绍了一种新颖的替代性实验方法，即在野外条件下模拟森林样地上的雨凇冰暴事件。该方法通过从溪流或湖泊中抽水，并在气温低于冰点时将水喷洒至森林冠层上方，使水滴下落并在接触低温表面时冻结。随着冰在树木上的积累，树干和枝条会发生弯曲甚至断裂，其受损程度可通过与未经处理的对照林分进行比较来量化。所述实验方法的优势在于能够控制施加冰层的时间和数量。通过制造不同频率和强度的冰暴，可以确定用于预测和应对冰暴影响所需的关键生态阈值。

引言

冰暴是一种重要的自然干扰因素，可能对环境和社会产生短期和长期的影响。强烈的冰暴会破坏树木和农作物，扰乱公用设施，并损害道路及其他基础设施，因而构成严重问题^1,2。冰暴造成的危险状况可能导致事故，造成人员受伤甚至死亡²。冰暴带来的经济损失巨大；在美国，每年因冰暴造成的平均经济损失达3.13亿美元³，个别严重风暴的损失甚至超过10亿美元⁴。在森林生态系统中，冰暴可能带来负面影响，包括树木生长减缓和死亡率上升^5,6,7，火灾风险增加，以及病虫害和病原体的扩散^8,9,10。同时，冰暴也可能对森林产生积极影响，例如促进幸存树木的生长⁵，以及提高生物多样性¹¹。提升我们对冰暴影响的预测能力，将有助于更有效地应对和准备此类事件。

冰暴发生时，一层高于冰点的潮湿空气会覆盖在靠近地面的低于冰点的冷空气层之上。雨水从较暖空气层下落时，在穿过下方冷空气层的过程中会过冷，当其接触到低于冰点的表面时便形成雨凇冰。在美国，这种温度分层现象可能由特定区域典型的天气尺度气象模式引起^12,13。冻雨最常见于强反气旋前方南下移动的北极锋面所导致的气象条件¹³。在某些地区，地形通过冷空气阻塞作用促成冰暴所需的气象条件，这是一种气象现象，指风暴带来的暖空气越过沿山脉停滞的冷空气层而形成逆温结构^14,15。

在美国，冰暴最常发生在从缅因州延伸至德克萨斯州西部的“冰带”地区^16,17。冰暴也出现在西北太平洋地区相对较小的范围内，尤其是华盛顿州和俄勒冈州的哥伦比亚河流域周边。美国大部分地区至少会经历一些冻雨天气，其中东北部地区的冻雨量最大，冰灾高发区每年平均有七天或更多天出现冻雨（即每小时观测到至少一次冻雨现象的天数）¹⁶。这些风暴中的许多相对较轻，但也会发生强度更高的冰暴，尽管其重现间隔要长得多。例如，在新英格兰地区，重现期为50年的风暴所形成的冰层径向厚度范围为19至32 mm¹⁸。实证研究表明，冰暴在北纬地区正变得越来越频繁，而在南部地区则趋于减少^19,20,21。根据基于未来气候变化预测的计算机模拟结果，这一趋势预计将持续下去^22,23。然而，由于数据不足以及对物理机制的理解有限，相较于其他类型的极端天气事件，检测和预测冰暴的变化趋势更加困难²⁴。

由于严重的冰暴相对罕见，对其进行研究具有挑战性。冰暴发生的时间和地点难以预测，通常也不切实际为了科研目的而“追逐”风暴。因此，大多数冰暴研究都是在重大风暴发生后进行的非计划性事后评估。这种研究方法并不理想，因为在风暴发生前无法收集基线数据。此外，当冰暴影响范围广泛时，很难找到未受影响的区域作为受损区域的对照。与其等待自然冰暴的发生，实验性方法可能更具优势，因为它们能够精确控制结冰事件的时间和强度，并可设置适当的对照条件，从而更清晰地评估其影响。

实验方法也带来了挑战，尤其是在森林生态系统中。与低矮的草原或灌木地相比，树木的高度、冠幅以及树冠结构使其在实验操作上更加困难。此外，冰暴造成的干扰在森林冠层的垂直方向和整个景观尺度上都具有弥散性，这使得模拟十分困难。据我们所知，仅有另一项研究曾尝试在森林生态系统中模拟冰暴的影响²⁵。该研究使用步枪移除了俄克拉荷马州一片火炬松林中高达52%的树冠。尽管这种方法产生的结果具有冰暴的某些特征，但它无法有效去除较粗的枝条，也不能使树木发生弯曲，而树木弯曲在自然冰暴中十分常见。虽然目前尚无其他专门用于研究冰暴的实验方法，但我们的方法与其他类型的森林干扰模拟实验存在一些相似之处。例如，通过砍伐单株树木来研究林窗动态²⁶，通过环剥树木来模拟森林病虫害入侵²⁷，以及通过修剪²⁸或使用绞车和钢缆拉倒整株树木来模拟飓风影响²⁹。在这些方法中，修剪最接近冰暴的实际影响，但其劳动强度大且成本较高。而其他方法通常导致整株树木死亡，不同于自然冰暴中常见的枝干部分折断现象。

本文所述的实验方案可用于高度模拟自然冰暴，其方法是在亚冰冻条件下向森林冠层喷洒水，以模拟冻雨结冰事件。该方法相较于其他手段具有优势，因为其造成的损伤可在大范围内相对均匀地分布于森林中，且所需工作量小于修剪或砍伐整棵树。此外，通过调节喷洒水量以及选择适宜天气条件进行喷洒，可有效控制结冰量。这种新颖且相对低成本的实验方法能够对结冰的强度和频率进行调控，这对于识别森林生态系统中的关键生态阈值至关重要。

方案

1. 制定实验设计

1. 根据实际情况确定结冰的强度和频率。
2. 确定样地的大小和形状。
   1. 如果目标是评估树木的响应，应选择足够大的样地，以包含多株树木及其大部分根系，具体大小取决于树种、树龄等因素。
   2. 出于安全考虑，应设计样地，使其整个区域均可从边界外进行喷洒处理。
   3. 样地之间应保持足够距离（例如 10 m），以避免一个样地的处理对另一个样地产生影响。
   4. 在样地周围设立缓冲区（例如 5 m），以减少边缘效应，并确保冰层覆盖更均匀。
   5. 在大样地内设置子样地，以满足特定的取样需求。
3. 确定重复样地的数量。

2. 选择并确定研究地点

1. 选择具有相似特征的均质森林林分，例如树种组成、土壤、岩性及水文条件。
2. 在冬季可获取水源的区域选定施加处理的地点。
3. 根据水泵速率以及其他因素（如软管直径、软管长度、所用喷嘴及水压），确保供水量足以满足冰层施加的需求。
4. 标记样地、缓冲区及子样地的边界。
5. 开展完整的森林调查，记录树木健康状况，包括对枯死、濒死和受损树木的评估。此外，记录任何潜在的胁迫因子（例如昆虫危害或病害迹象），以帮助解释对冰处理的响应。
6. 若使用多功能车（UTV）喷水，需沿样地两侧开辟可通行的小路，同时注意尽量减少干扰。
7. 样地设置完成后，随机为每个样地分配处理方式，并为每个子样地确定采样类型（例如粗木质残体、细凋落物、土壤样品）。

3. 应用时机

1. 选择合适的时间窗口进行喷洒作业。
2. 在天气条件适宜时开展实验（例如，当气温低于 -4 °C 且风速小于 5 m/s 时）。
3. 若在夜间喷洒，应在试验地块周围布置高功率照明灯，并在无电网供电时使用发电机供电。

4. 设置供水系统

1. 在水源处设置供水泵，并连接吸水管。
2. 在吸水管末端安装滤网，以防止杂物进入管路系统。
3. 破开可能存在的表层冰层，并将滤网完全浸入水中。供水的最小水深应约为 20 cm。
4. 将增压泵放置在全地形车（UTV）的车斗内，以提高水压。在某些情况下，可能无需使用增压泵，特别是针对低矮植被时。
5. 从供水泵铺设一条消防水带至增压泵。
6. 使用消防水炮，以便安全地手动控制高压水带。水炮可独立放置，也可安装在全地形车（UTV）后部。
7. 避免可能导致水流中断的情况，例如水带弯折、水源处水位下降以及水泵燃油耗尽等。

5. 制备冰

1. 通过树冠的缝隙垂直喷水制冰。确保水流高度超过树冠，使其垂直下落并接触低于冰点的表面后冻结。向上喷水时，避免水流冲击导致树枝或树皮脱落。
2. 驾驶UTV沿作业区域边缘缓慢来回移动，使喷水在森林树冠层中均匀分布。若使用独立监测装置，需手动移动这些设备，以确保覆盖均匀。
3. 记录喷水作业的时间，以便分析施工作业期间的气象条件及喷水量等影响因素。

6. 测量冰层积聚

1. 在施用过程中，对施用区域边缘附近的低层枝条或小枝进行基于地面的卡尺测量，以监测冰层的累积情况，并确定何时达到目标冰厚。
2. 施用结束后，使用被动式集冰器获得更准确的冰层累积估算值（图1）。
   1. 在施用前，将两根木钉沿三个正交方向固定，构建具有六个组件臂的被动式集冰器³⁰。
   2. 将直径为2.54 cm的木钉截成30 cm长。
   3. 使用六向钢制连接器将木钉连接在一起。
   4. 使用树木攀爬抛重工具将伞绳抛过能够承受冰负荷的坚固枝条。
   5. 将被动式集冰器固定在绳索上，并提升至树冠层中。
   6. 施用完成后，小心地将集冰器降回地面，注意避免集冰器上的冰脱落。
   7. 在施用前后立即使用卡尺对集冰器多个位置进行冰层厚度的垂直和水平测量（例如，沿每条臂的三个位置，每个位置进行三次垂直和三次水平测量）。
   8. 将施用前后测量值的差值作为每个集冰器上的冰层厚度计算结果。
   9. 若采用水量法测定冰层厚度，使用往复锯将每根木钉锯下。
   10. 将木钉带回加热的建筑物内，放入桶中，使其在室温下自然融化。
   11. 使用量筒测量融水体积。
   12. 根据融水体积和冰的密度³¹计算冰层厚度。

7. 安全注意事项

1. 喷洒时应远离冰处理区域，因为积冰可能导致树枝和枝干断裂并坠落。
2. 在施加冰层以及施加后于处理区域内进行任何取样操作时，均应佩戴安全帽或头盔以提供保护。
3. 喷洒过程中应使用固定装置稳定软管。
4. 应针对危险环境和零下天气穿着适当的防护服装。穿着颜色鲜艳、易于识别的衣物。由于可能长时间处于潮湿寒冷环境中，应穿戴雨具和多层保暖衣物，并准备多套更换衣物，尤其是负责喷洒的人员。
5. 若在偏远地区作业，应搭建配备便携式加热器的临时取暖帐篷。
6. 应为工作人员预留充足的时间用于休息、更换湿衣物以及处理设备等相关问题。
7. 实验过程中使用对讲机进行人员间通信，并与基地站人员保持联系。
8. 制定医疗紧急情况下的安全预案。实验期间现场应配备医务人员（如紧急医疗技术人员）以及急救设备和物资。

结果

在新罕布什尔州中部的哈伯德布鲁克实验林（Hubbard Brook Experimental Forest，43° 56′ N，71° 45′ W）的一片70至100年生的北方硬木林中，开展了一次模拟冰暴实验。林分高度约为20米，喷冰区域的优势树种为美洲山毛榉（Fagus grandifolia）、糖槭（Acer saccharum）、红槭（Acer rubrum）和黄桦（Betula alleghaniensis）。共设置了10个20米×30米的样地，并随机分配处理方式。大部分取样工作在每个样地内部10米×20米的子样区内进行，以留出5米的缓冲带。该内部分样区被划分为八个5米×5米的小区，用于不同类型的取样。五种处理方式（包括一个对照组（无冰）和三种径向结冰厚度梯度：低（6.4 mm）、中（12.7 mm）和高（19.0 mm））各设两个重复样地。其中两个中等处理水平的样地（midx2）连续两年接受喷冰处理，以评估连续风暴事件的影响。喷水作业分别在2016年冬季（1月18日、27日至28日及2月11日）和2017年冬季（1月14日）进行。水源取自哈伯德布鲁克主支流...

讨论

在适当的天气条件下进行冰暴的实验模拟至关重要，以确保实验成功。在之前的一项研究³⁰中，我们发现喷洒作业的最佳条件是气温低于 -4 °C 且风速小于 5 m/s。自然发生的冰暴最常出现在气温略低于冰点（-1 至 0 °C）时，尽管冰暴模拟的理想温度更低，但仍处于观测到的冻雨事件的温度范围（-15 至 0 °C）之内¹⁶。由于该实验方法需要持续低于冰点的温度，因此仅限于更偏北的地区开展，即使在相对寒冷的地点（如哈伯德布鲁克实验林）实施也具有挑战性，该地一月份的平均最低气温为 -9 °C，但气温经常波动至冰点以上。夜间喷洒具有优势，因为此时气温通常最低，且太阳辐射的影响可忽略不计。

冰暴模拟实验存在若干挑战。在具有高大冠层的森林中，对树木顶端进行喷洒可能较为困难。多种因素会影响喷洒高度，包括泵的流速以及水源与施用区域之间的距离。由于喷洒高度的计算较为复杂，且与具体实验地点和所用设备密切相关，因此在实验前进行喷洒测试以做出适当调整是十分有益的。另一个挑战是确定何时停止喷洒，因为在模拟过程中难以准...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
增压泵	Waterax	BB-4-23P	最大流量 401 L min-1；最大压力 30.3 bar
消防水带	ATI Forest Products	Forest-Lite G55H1F50N	直径 3.8 cm，聚酯材料，单层编织
水炮（地面安装）	Task Force Tips	Blitzfire XX111A	最大流量 2000 L min-1；适配 3.8 cm 水带
水炮（UTV 车载安装）	Potter Roemer	Fire Pro FP1S-125	最大流量 1325 L min-1；适配 3.8 cm 水带
喷嘴	Crestar	ST2675	光滑孔型；双层叠式；进水口直径 3.8 cm；喷口直径 1.3 cm
滤网	Northern Tool	107902	7.6 cm 水带接头，外径 17.6 cm
吸水管	JGB Enterprises	A007-0489-1615	直径 7.6 cm；长度 4.6 m
水泵	NorthStar	106471E	665 L min-1；适配 7.6 cm 水带