Artigo de método

Simulando impactos de tempestades de gelo em ecossistemas florestais

DOI:

10.3791/61492

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30 de junho de 2020

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1Northern Research Station, U.S. Forest Service, Durham, NH, 2Department of Civil and Environmental Engineering, Syracuse University, 3Northern Research Station, U.S. Forest Service, North Woodstock, NH, 4Department of Natural Resources, Cornell University, 5Department of Civil and Environmental Engineering, Southern Illinois University, 6Advanced Science Research Center at the Graduate Center, City University of New York, 7Cary Institute of Ecosystem Studies, 8Rubenstein School of Environment and Natural Resources, University of Vermont, 9Department of Forestry and Natural Resources, University of Kentucky, 10Northern Research Station, U.S. Forest Service, Burlington, VT

Neste artigo

Resumo

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Tempestades de gelo são eventos climáticos importantes que são desafiadores de estudar devido às dificuldades em prever sua ocorrência. Aqui, descrevemos um novo método para simular tempestades de gelo que envolve pulverizar água sobre um dossel florestal durante condições de subcongelamento.

Resumo

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Tempestades de gelo podem ter efeitos profundos e duradouros na estrutura e função dos ecossistemas florestais em regiões que experimentam condições de congelamento. Os modelos atuais sugerem que a frequência e a intensidade das tempestades de gelo podem aumentar nas próximas décadas em resposta às mudanças climáticas, aumentando o interesse em entender seus impactos. Devido à natureza estocástica das tempestades de gelo e às dificuldades em prever quando e onde ocorrerão, a maioria das investigações passadas dos efeitos ecológicos das tempestades de gelo foram baseadas em estudos de caso após grandes tempestades. Uma vez que tempestades de gelo intensas são eventos extremamente raros, é impraticável estudá-las esperando por sua ocorrência natural. Aqui apresentamos uma nova abordagem experimental alternativa, envolvendo a simulação de eventos de gelo de esmalte em parcelas florestais em condições de campo. Com este método, a água é bombeada de um córrego ou lago e pulverizada acima do dossel da floresta quando as temperaturas do ar estão abaixo de zero. A água chove e congela após contato com superfícies frias. À medida que o gelo se acumula sobre árvores, as boles e galhos dobram e quebram; danos que podem ser quantificados através de comparações com estandes de referência não tratados. A abordagem experimental descrita é vantajosa porque permite o controle sobre o tempo e a quantidade de gelo aplicado. A criação de tempestades de gelo de diferentes frequências e intensidades permite identificar limiares ecológicos críticos necessários para prever e se preparar para impactos de tempestades de gelo.

Introdução

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As tempestades de gelo são uma importante perturbação natural que pode ter impactos de curto e longo prazo no meio ambiente e na sociedade. Tempestades de gelo intensas são problemáticas porque danificam árvores e culturas, interrompem as concessionárias e prejudicam estradas e outras infraestruturas1,2. As condições perigosas que as tempestades de gelo criam podem causar acidentes resultando em ferimentos e fatalidades2. Tempestades de gelo são caras; perdas financeiras médias de US $ 313 milhões por ano nos Estados Unidos (EUA)3, com algumas tempestades individuais excedendo US $ 1 bilhão4. Nos ecossistemas florestais, as tempestades de gelo podem ter consequências negativas, incluindo redução do crescimento e mortalidade de árvores5,,6,,7, aumento do risco de incêndio e proliferação de pragas e patógenos8,,9,,10. Eles também podem ter efeitos positivos sobre as florestas, como o crescimento aprimorado das árvores sobreviventes5 e o aumento da biodiversidade11. Melhorar nossa capacidade de prever impactos de tempestades de gelo nos permitirá nos preparar melhor e responder a esses eventos.

Tempestades de gelo ocorrem quando uma camada de ar úmido, que está acima do congelamento, substitui uma camada de ar subcongelante mais perto do solo. Chuva caindo da camada mais quente de supercools de ar à medida que passa pela camada fria, formando gelo de esmalte quando depositado em superfícies subcongelantes. Nos EUA, essa estratificação térmica pode resultar de padrões climáticos sinópticos característicos de regiões específicas12,13. A chuva gelada é mais comumente causada por frentes árticas que se movem para sudeste através dos EUA à frente de fortes anticiclones13. Em algumas regiões, a topografia contribui para as condições atmosféricas necessárias para tempestades de gelo através da represagem de ar frio, um fenômeno meteorológico que ocorre quando o ar quente de uma tempestade de entrada substitui o ar frio que se entrincheira ao lado de uma cadeia de montanhas14,15.

Nos EUA, tempestades de gelo são mais comuns no "cinturão de gelo" que se estende do Maine ao oeste do Texas16,17. Tempestades de gelo também ocorrem em uma região relativamente pequena do Noroeste do Pacífico, especialmente ao redor da Bacia do Rio Columbia de Washington e Oregon. Grande parte dos EUA experimenta pelo menos alguma chuva congelante, com as maiores quantidades no Nordeste, onde as áreas mais propensas ao gelo têm uma mediana de sete ou mais dias de chuva congelante (dias durante os quais ocorreram pelo menos uma observação por hora de chuva congelante) anualmente16. Muitas dessas tempestades são relativamente pequenas, embora ocorram tempestades de gelo mais intensas, embora com intervalos de recorrência muito mais longos. Por exemplo, na Nova Inglaterra, a faixa na espessura do gelo radial é de 19 a 32 mm para tempestades com um intervalo de recorrência de 50 anos18. Evidências empíricas indicam que as tempestades de gelo estão se tornando mais frequentes nas latitudes do norte e menos frequentes ao sul19,,20,21. Espera-se que essa tendência continue com base em simulações de computador usando projeções futuras de mudanças climáticas22,23. No entanto, a falta de dados e compreensão física dificultam a detecção e o projeto de tendências em tempestades de gelo do que outros tipos de eventos extremos24.

Uma vez que as grandes tempestades de gelo são relativamente raras, elas são desafiadoras para estudar. É difícil prever quando e onde elas ocorrerão, e geralmente é impraticável "perseguir" tempestades para fins de pesquisa. Consequentemente, a maioria dos estudos de tempestades de gelo foram avaliações pós-hoc não planejadas ocorrendo na sequência de grandes tempestades. Esta abordagem de pesquisa não é ideal devido à incapacidade de coletar dados da linha de base antes de uma tempestade. Além disso, pode ser difícil encontrar áreas não afetadas para comparação com áreas danificadas quando tempestades de gelo cobrem uma grande extensão geográfica. Em vez de esperar que tempestades naturais ocorram, abordagens experimentais podem oferecer vantagens porque permitem um controle próximo sobre o tempo e intensidade dos eventos de gelo e permitem condições de referência adequadas para avaliar claramente os efeitos.

Abordagens experimentais também representam desafios, especialmente em ecossistemas florestais. A altura e largura das árvores e do dossel as torna difíceis de manipular experimentalmente, em comparação com pastagens de baixa estatura ou arbustos. Além disso, a perturbação das tempestades de gelo é difusa, tanto verticalmente através do dossel da floresta quanto através da paisagem, o que é difícil de simular. Sabemos de apenas um outro estudo que tentou simular impactos de tempestades de gelo em um ecossistema florestal25. Neste caso, um rifle foi usado para remover até 52% da coroa em uma cabana de pinheiro loblolly em Oklahoma. Embora este método tenha produzido resultados característicos de tempestades de gelo, não é eficaz na remoção de galhos maiores e não faz com que as árvores se desbingam, o que é comum com tempestades de gelo naturais. Embora nenhum outro método experimental tenha sido usado para estudar tempestades de gelo especificamente, existem alguns paralelos entre nossa abordagem e outros tipos de manipulações de distúrbios florestais. Por exemplo, a dinâmica das lacunas tem sido estudada pela derrubada de árvores individuais26, invasões de pragas florestais por árvores de cinta27e furacões podando28 ou derrubando árvores inteiras com um guincho e cabo29. Dessas abordagens, a poda imita mais de perto os impactos da tempestade de gelo, mas é trabalhosa e cara. As outras abordagens causam mortalidade de árvores inteiras, em vez da quebra parcial de membros e galhos típicos de tempestades de gelo naturais.

O protocolo descrito neste artigo é útil para imitar de perto tempestades de gelo naturais e envolve pulverizar água sobre o dossel da floresta durante condições de subcongelamento para simular eventos de gelo de esmalte. O método oferece vantagens sobre outros meios porque os danos podem ser distribuídos relativamente uniformemente em florestas sobre uma grande área com menos esforço do que podar ou derrubar árvores inteiras. Além disso, a quantidade de acreção de gelo pode ser regulada através do volume de água aplicada e selecionando um tempo para pulverizar quando as condições climáticas são propícias para a formação ideal do gelo. Esta nova e relativamente barata abordagem experimental permite o controle sobre a intensidade e a frequência do glacê, que é essencial para identificar limiares ecológicos críticos nos ecossistemas florestais.

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Protocolo

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1. Desenvolva o design experimental

  1. Determine a intensidade e a frequência do glacê com base em valores realistas.
  2. Determine o tamanho e a forma das parcelas.
    1. Se o objetivo é avaliar as respostas das árvores, selecione um tamanho de enredo que seja grande o suficiente para incluir várias árvores e a maioria de seus sistemas radiculares, que varia dependendo de fatores como espécies de árvores e idade.
    2. Para fins de segurança, projete as parcelas para que toda a área do lote possa ser pulverizada fora do limite.
    3. Parcelas espaciais distantes o suficiente (por exemplo, 10 m) para que um tratamento em uma trama não afete outro.
    4. Estabeleça uma zona tampão (por exemplo, 5 m) em torno de parcelas para reduzir os efeitos da borda e garantir uma distribuição mais uniforme da cobertura de gelo.
    5. Estabeleça subtramas dentro das parcelas maiores para necessidades específicas de amostragem.
  3. Decida sobre o número de parcelas de replicação.

2. Selecione e estabeleça um local de estudo

  1. Selecione um estande florestal homogêneo com características semelhantes, como composição de espécies de árvores, solos, litologia e hidrologia.
  2. Selecione um local para a aplicação em uma área onde há acesso a uma fonte de água durante o inverno.
  3. Certifique-se de que o fornecimento de água é adequado para a aplicação do gelo com base na taxa da bomba e outros fatores como o diâmetro da mangueira, comprimento da mangueira, bocal usado e pressão da água.
  4. Marque o limite das parcelas, zona tampão e subtramas.
  5. Realize um inventário florestal completo com descrições de condições de saúde das árvores, incluindo avaliações de árvores mortas, moribundas e danificadas. Além disso, registos potenciais (por exemplo, evidências de danos ou doenças de insetos) para ajudar a interpretar a resposta ao tratamento do gelo.
  6. Se usar UTVs para pulverizar água, crie trilhas passáveis ao longo das laterais das parcelas, enquanto tome cuidado para minimizar a perturbação.
  7. Uma vez estabelecidas as parcelas, atribua aleatoriamente um tratamento a cada parcela e tipo de amostragem que será realizada em cada subtrama (por exemplo, detritos lenhosos grosseiros, lixo fino, amostras de solo).

3. Tempo da aplicação

  1. Selecione uma janela de tempo apropriada para executar a pulverização.
  2. Realize o experimento quando as condições climáticas forem propícias (por exemplo, quando a temperatura do ar é inferior a -4 °C e a velocidade do vento é inferior a 5 m/s).
  3. Se pulverizar à noite, implante luzes de alta potência ao redor da borda das parcelas e execute-as em geradores se a eletricidade não estiver disponível.

4. Configure o abastecimento de água

  1. Configure uma bomba de abastecimento na fonte de água e conecte uma mangueira de sucção.
  2. Conecte um coador ao final da mangueira de sucção para manter os detritos fora das linhas.
  3. Quebre qualquer gelo superficial e submerse totalmente o filtro. A profundidade mínima do abastecimento de água deve ser de cerca de 20 cm.
  4. Coloque uma bomba de reforço na cama de um UTV para melhorar a pressão da água. Em alguns casos, uma bomba de reforço pode não ser necessária, especialmente para vegetação de baixa estatura.
  5. Execute uma mangueira de combate a incêndio da bomba de alimentação até a bomba de reforço.
  6. Use um monitor de combate a incêndio para permitir um controle manual e seguro sobre a mangueira de alta pressão. O monitor pode ser livre em pé ou montado na parte de trás de um UTV.
  7. Evite situações que possam interromper o fluxo de água, como dobras na mangueira, retirada de água na fonte de abastecimento e ficar sem gasolina para as bombas.

5. Criando o gelo

  1. Crie gelo pulverizando água verticalmente através de lacunas no dossel. Certifique-se de que a água se estenda acima da altura do dossel para que ela seja depositada verticalmente e congele em contato com superfícies subcongelantes. Evite tirar galhos e latir de árvores à medida que a água é pulverizada para cima.
  2. Distribua uniformemente spray sobre o dossel da floresta, dirigindo lentamente o UTV para frente e para trás ao longo da borda da área de aplicação. Se forem usados monitores autônomos, mova-os manualmente para garantir que a cobertura esteja uniforme.
  3. Acompanhe o tempo da aplicação para ajudar a determinar fatores como as condições climáticas durante a aplicação e o volume de água pulverizada.

6. Medir o acúmulo de gelo

  1. Faça medições de pinça à base de moídos de espessura de gelo radial em galhos ou galhos de nível inferior perto da borda da área de aplicação para monitorar o acreção de gelo durante a aplicação e determinar quando a espessura do alvo foi atingida.
  2. Obtenha estimativas mais precisas de acreção de gelo com coletores de gelo passivos após a aplicação(Figura 1).
    1. Antes da aplicação, construa coletores de gelo passivos com dois dowels orientados em três eixos cardeais30 para criar coletores com seis braços componentes.
    2. Corte 2,54 cm de dowels a um comprimento de 30 cm.
    3. Junte-se aos dowels com um conector de aço de 6 vias.
    4. Use um peso de arremesso arborista para amarrar o cordão de paraquedas sobre galhos resistentes que podem suportar a carga de gelo.
    5. Coloque os coletores de gelo passivos no cabo e levante-os no dossel.
    6. Uma vez que a aplicação é concluída, abaixe os coletores para o chão, tomando cuidado para não perder nenhum gelo do coletor.
    7. Faça medições verticais e horizontais da espessura do gelo com pinças em vários locais do coletor (por exemplo, três medidas verticais e três horizontais em três locais ao longo de cada braço) antes e imediatamente após a aplicação do gelo.
    8. Calcule a espessura do gelo em cada coletor como a diferença entre as medidas antes e depois da aplicação.
    9. Para determinar a espessura do gelo com o método de volume de água, use uma serra recíproca para cortar cada dowel.
    10. Leve as dowels para um prédio aquecido, coloque-os em baldes, e deixe o gelo derreter à temperatura ambiente.
    11. Meça o volume de água derretida com um cilindro graduado.
    12. Calcule a espessura do gelo com base no volume de água e densidade de gelo31.

7. Considerações de segurança

  1. Fique bem fora da área de tratamento de gelo durante a pulverização porque as cargas de gelo podem fazer com que galhos e membros quebrem e caiam.
  2. Use chapéus duros ou capacetes para fornecer proteção enquanto o gelo está sendo aplicado e durante qualquer amostragem que ocorra na área tratada após a aplicação.
  3. Use um monitor para estabilizar a mangueira durante a pulverização.
  4. Vista-se adequadamente para condições perigosas e tempo subconsto. Use roupas brilhantes e visíveis. Esteja preparado para passar longos períodos em condições úmidas e frias usando equipamentos de chuva e camadas de roupas quentes. Traga várias mudanças de roupas, especialmente para pessoas designadas para pulverizar.
  5. Se trabalhar em um local remoto, configure uma tenda de aquecimento temporário equipada com um aquecedor portátil.
  6. Permitir que o pessoal tenha tempo adequado para pausas, troca de roupas molhadas e resolver problemas que surgem com equipamentos, etc.
  7. Use rádios para se comunicar entre o pessoal durante o experimento. Mantenha contato com o pessoal em uma estação base.
  8. Desenvolva um plano de segurança em caso de emergências médicas. Tenha pessoal médico (por exemplo, Técnicos Médicos de Emergência) e equipamentos de emergência e suprimentos no local durante o experimento.

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Resultados

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Uma simulação de tempestade de gelo foi realizada em uma floresta de madeira do norte de 70\u2012100 anos na Floresta Experimental hubbard Brook, no centro de New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′ W). A altura do suporte é de aproximadamente 20 m e as espécies de árvores dominantes na área da aplicação do gelo são faia americana(Fagus grandifolia),bordo de açúcar(acer sacarum),bordo vermelho(rubrum de Acer) e bétula amarela(Betula alleghaniensis). Dez parcelas de 20 m x 30 m foram estabele...

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Discussão

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É fundamental realizar simulações experimentais de tempestades de gelo em condições climáticas apropriadas para garantir seu sucesso. Em um estudo anterior30,descobrimos que as condições ideais para pulverização são quando as temperaturas do ar estão abaixo de -4 °C e as velocidades do vento são inferiores a 5 m/s. Tempestades de gelo naturais ocorrem mais comumente quando as temperaturas do ar são ligeiramente menos do que congelamento (-1 a 0 °C), e embora as temperaturas ideais para simulações ...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar. A referência aqui a quaisquer produtos comerciais, processos ou serviços comerciais específicos por nome comercial, marca comercial, fabricante ou de outra forma, não constitui necessariamente ou implica seu endosso, recomendação ou favorecimento pelo Governo dos Estados Unidos. As opiniões e opiniões dos autores aqui expressas não necessariamente declaram ou refletem as do Governo dos Estados Unidos, e não devem ser usadas para fins publicitários ou de endosso de produtos.

Agradecimentos

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O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pela Fundação Nacional de Ciência (DEB-1457675). Agradecemos aos muitos participantes do Ice Storm Experiment (ISE) que ajudaram com a aplicação do gelo e o trabalho de campo e laboratório associado, especialmente Geoff Schwaner, Gabe Winant e Brendan Leonardi. Este manuscrito é uma contribuição do Estudo do Ecossistema hubbard Brook. Hubbard Brook faz parte da rede de Pesquisa Ecológica de Longo Prazo (LTER), que é apoiada pela National Science Foundation (DEB-1633026). A Floresta Experimental hubbard Brook é operada e mantida pelo Serviço Florestal do USDA, Estação de Pesquisa do Norte, Madison, WI. Vídeo e imagens são de Jim Surette e Joe Klementovich, cortesia da Hubbard Brook Research Foundation.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Bomba de reforçoWateraxBB-4-23P401 L min-1 fluxo máximo; pressão máxima de 30,3 bar
Mangueira de combate a incêndiosATI Forest ProductsForest-Lite G55H1F50N3,8 cm de diâmetro, poliéster, jaqueta simples
Monitor (colocação no solo)Task Force TipsBlitzfire XX111A2000 L min-1 fluxo máximo; se encaixa em mangueira de
3,8 cmMonitor (montagem UTV)Potter RoemerFire Pro FP1S-1251325 L min-1 fluxo máximo; se encaixa em mangueira de 3,8 cm
BicoCrestarST2675Furo liso; empilhado duplo; entrada de 3,8 cm; orifício de 1,3 cm
FiltroNorthern Tool107902Encaixe de mangueira de 7,6 cm, diâmetro externo de 17,6 cm
Mangueira de sucçãoJGB EnterprisesA007-0489-1615Diâmetro de 7,6 cm;
Bomba de águaNorthStar106471E665 L min-1; se encaixa em mangueira de 7,6 cm
de 4,6 m de comprimento

Referências

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