Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Simulering af virkningerne af isstorme på skovøkosystemer

Published: June 30, 2020 doi: 10.3791/61492
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10
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

Summary

Isstorme er vigtige vejrbegivenheder, der er udfordrende at studere på grund af vanskeligheder med at forudsige deres forekomst. Her beskriver vi en ny metode til simulering af isstorme, der indebærer sprøjtning af vand over en skovsejle under frostgrader.

Abstract

Isstorme kan have dybtgående og varige virkninger på skovøkosystemernes struktur og funktion i regioner, der oplever frostforhold. Nuværende modeller tyder på, at hyppigheden og intensiteten af isstorme kan stige i de kommende årtier som reaktion på ændringer i klimaet, hvilket øger interessen for at forstå deres virkninger. På grund af isstormenes stokastiske karakter og vanskelighederne med at forudsige, hvornår og hvor de vil forekomme, har de fleste tidligere undersøgelser af isstormenes økologiske virkninger været baseret på casestudier efter store storme. Da intense isstorme er yderst sjældne begivenheder, er det upraktisk at studere dem ved at vente på deres naturlige forekomst. Her præsenterer vi en ny alternativ eksperimentel tilgang, der involverer simulering af glasur is begivenheder på skovområder under marken betingelser. Med denne metode pumpes vand fra en bæk eller sø og sprøjtes over skovsejnen, når lufttemperaturerne er under frysepunktet. Vandet regner ned og fryser ved kontakt med kolde overflader. Som isen ophobes på træer, boles og grene bøje og bryde; skader, der kan kvantificeres ved sammenligninger med ubehandlede referencestande. Den beskrevne eksperimentelle tilgang er fordelagtig, fordi den giver mulighed for kontrol over timingen og mængden af den anvendte is. Ved at skabe isstorme med forskellig hyppighed og intensitet kan man identificere de kritiske økologiske tærskler, der er nødvendige for at forudsige og forberede sig på isstorme.

Introduction

Isstorme er en vigtig naturlig forstyrrelse, der kan have både kort- og langsigtede konsekvenser for miljøet og samfundet. Intense isstorme er problematiske, fordi de skader træer og afgrøder, forstyrrer forsyningsselskaber og forringer veje og andeninfrastruktur 1,,2. De farlige forhold, som isstorme skaber, kan forårsage ulykker med personskader og dødsfald2. Isstorme er dyre; finansielle tab i gennemsnit 313 millioner dollars om året i USA (US)3, med nogle individuelle storme på over $ 1 milliard4. I skovøkosystemer kan isstorme have negative konsekvenser, herunderreduceretvækst og trædødelighed 5,6,7, øget risiko for brand og spredning af skadedyr og patogener8,,9,10. De kan også have en positiv indvirkning på skovene, såsom øget vækst af overlevende træer5 og øget biodiversitet11. En forbedring af vores evne til at forudsige påvirkninger fra isstorme vil sætte os i stand til bedre at forberede os på og reagere på disse begivenheder.

Isstorme opstår, når et lag fugtig luft, der er over frysepunktet, tilsidesætter et lag af frostvejr tættere på jorden. Regn falder fra det varmere lag af luft supercools, da den passerer gennem det kolde lag, danner glasur is, når deponeret på sub-frysning overflader. I USA kan denne termiske stratificering skyldes synoptiske vejrmønstre , der er karakteristiske for specifikke regioner12,13. Frysende regn er oftest forårsaget af arktiske fronter, der bevæger sig sydøst over USA foran stærke anticykloner13. I nogle regioner, topografi bidrager til de atmosfæriske forhold, der er nødvendige for isstorme gennem kold luft damming, et meteorologisk fænomen, der opstår, når varm luft fra en indkommende storm tilsidesætter kold luft, der bliver forankret sammen med enbjergkæde 14,15.

I USA, is storme er mest almindelige i "isbælte", der strækker sig fra Maine til vestlige Texas16,17. Isstorme forekommer også i en relativt lille region i Pacific Northwest, især omkring Columbia River Basin i Washington og Oregon. Meget af USA oplever i det mindste nogle frysende regn, med de største mængder i det nordøstlige, hvor de mest is udsatte områder har en median på syv eller flere frysende regn dage (dage, hvor mindst en timeobservation af frysende regn fandt sted)årligt 16. Mange af disse storme er relativt mindre, selv om der forekommer mere intense isstorme, om end med meget længere gentagelsesintervaller. For eksempel, i New England, området i radial is tykkelse er 19 til 32 mm for storme med en 50-årig gentagelse interval18. Empiriske beviser tyder på , at isstorme bliver hyppigere på de nordlige breddegrader og mindre hyppige mod syd19,20,21. Denne tendens forventes at fortsætte på grundlag af computersimuleringer ved hjælp af fremtidige fremskrivningeraf klimaændringer 22,23. Manglen på data og den fysiske forståelse gør det imidlertid vanskeligere at opdage og projicere tendenser i isstorme end andre typer af ekstreme begivenheder24.

Da store isstorme er relativt sjældne, er de udfordrende at studere. Det er vanskeligt at forudsige, hvornår og hvor de vil forekomme, og det er generelt upraktisk at "jage" storme til forskningsformål. Derfor har de fleste isstormundersøgelser været uplanlagte post hoc-vurderinger, der fandt sted i kølvandet på store storme. Denne forskning tilgang er ikke ideel på grund af den manglende evne til at indsamle baseline data før en storm. Derudover kan det være svært at finde uberørte områder til sammenligning med beskadigede områder, når isstorme dækker et stort geografisk omfang. I stedet for at vente på, at der opstår naturlige storme, kan eksperimentelle tilgange give fordele, fordi de giver mulighed for nøje kontrol med timingen og intensiteten af glasurhændelser og giver mulighed for passende referencebetingelser for klart at vurdere virkningerne.

Eksperimentelle tilgange giver også udfordringer, især i skovklædte økosystemer. Højden og bredden af træer og baldakinen gør dem vanskelige at eksperimentelt manipulere, i forhold til lavere statur græsarealer eller buske. Derudover er forstyrrelser fra isstorme diffus, både lodret gennem skovsejl og på tværs af landskabet, hvilket er vanskeligt at simulere. Vi kender kun til en anden undersøgelse, der forsøgte at simulere isstormpåvirkninger i etskovøkosystem 25. I dette tilfælde blev en riffel brugt til at fjerne op til 52% af kronen i en loblolly fyr stå i Oklahoma. Selv om denne metode gav resultater, der er karakteristiske for isstorme, er den ikke effektiv til at fjerne større grene og ikke får træerne til at bøje sig over, hvilket er almindeligt med naturlige isstorme. Mens ingen andre eksperimentelle metoder er blevet brugt til at studere isstorme specifikt, der er nogle paralleller mellem vores tilgang og andre typer af skov forstyrrelse manipulationer. For eksempel, hul dynamik er blevet undersøgt ved fældning enkelte træer26, skov skadedyr invasioner ved omkredsningtræer 27, og orkaner ved beskæring28 eller trække ned hele træer med et spil og kabel29. Af disse tilgange, beskæring tættest efterligner isstorm virkninger, men er arbejdskrævende og dyrt. De andre tilgange forårsager dødelighed af hele træer, snarere end den delvise brud på lemmer og grene, der er typiske for naturlige isstorme.

Den protokol, der er beskrevet i dette papir er nyttig for nøje at efterligne naturlige is storme og indebærer sprøjtning vand over skoven baldakin under sub-frysning betingelser for at simulere glasur is begivenheder. Metoden giver fordele i forhold til andre midler, fordi skaden kan fordeles relativt jævnt i hele skovene over et stort område med mindre indsats end beskæring eller nedskydning af hele træer. Derudover kan mængden af is accretion reguleres gennem den mængde vand, der anvendes, og ved at vælge en tid til at sprøjte, når vejrforholdene er befordrende for optimal isdannelse. Denne nye og relativt billige eksperimentelle tilgang giver mulighed for kontrol over intensiteten og hyppigheden af glasur, som er afgørende for at identificere kritiske økologiske tærskler i skovøkosystemerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Udvikle det eksperimentelle design

  1. Bestem intensiteten og hyppigheden af glasur baseret på realistiske værdier.
  2. Bestem størrelsen og formen af observationsområder.
    1. Hvis målet er at evaluere træresponser, skal du vælge en plotstørrelse, der er stor nok til at omfatte flere træer og de fleste af deres rodsystemer, som varierer afhængigt af faktorer som træarter og alder.
    2. Af sikkerhedsmæssige årsager udformes observationsområdet, så hele observationsområdet kan sprøjtes fra lande uden for grænsen.
    3. Rumområder langt nok fra hinanden (f.eks. 10 m), således at en behandling i et område ikke påvirker et andet.
    4. Etablere en bufferzone (f.eks. 5 m) omkring parceller for at reducere kanteffekter og sikre en mere jævn fordeling af isdækningen.
    5. Etablere delområder i de større observationsområder til specifikke prøvetagningsbehov.
  3. Beslut antallet af replikate plots.

2. Vælg og opret en undersøgelsessted

  1. Vælg en homogen skovstander med lignende egenskaber, f.eks.
  2. Vælg et sted for applikationen i et område, hvor der er adgang til en vandkilde om vinteren.
  3. Sørg for, at vandforsyningen er tilstrækkelig til isapplikationen baseret på pumpehastigheden og andre faktorer såsom slangens diameter, slangelængden, den anvendte dyse og vandtrykket.
  4. Marker grænsen for observationsområder, bufferzone og underplots.
  5. Forefør en komplet skovopgørelse med beskrivelser af træets helbredsforhold, herunder vurderinger af døde, døende og beskadigede træer. Derudover registrere eventuelle stressfaktorer (f.eks. tegn på insektskader eller sygdom) for at hjælpe med at fortolke reaktionen på isbehandlingen.
  6. Hvis du bruger UTV til at sprøjte vand, skabe passable stier langs siderne af parceller og samtidig være omhyggelig med at minimere forstyrrelser.
  7. Når observationsområderne er etableret, tildeles der tilfældigt en behandling til hvert område og den type prøveudtagning, der vil blive udført i hvert underområde (f.eks. groft træagtigt affald, fint strøelse, jordprøver).

3. Tidspunkt for ansøgningen

  1. Vælg et passende tidsrum til at udføre sprøjtningen.
  2. Udføre forsøget, når vejrforholdene er befordrende (f.eks. når lufttemperaturen er mindre end -4 °C, og vindhastigheden er mindre end 5 m/s).
  3. Hvis sprøjtning om natten, implementere høj drevne lys omkring kanten af parceller og køre dem på generatorer, hvis elektricitet ikke er tilgængelig.

4. Opsæt vandforsyningen

  1. Opret en forsyningspumpe ved vandkilden, og tilslut en sugeslange.
  2. Tilslut en si til enden af sugeslangen for at holde snavs ude af linjerne.
  3. Bryde gennem enhver overflade is og helt nedsænkes i symaskinen. Den mindste dybde af vandforsyningen skal være omkring 20 cm.
  4. Placer en booster pumpe i sengen af en UTV at forbedre vandtrykket. I nogle tilfælde kan en booster pumpe ikke være nødvendigt, især for lav-statur vegetation.
  5. Kør en brandslukningsslange fra forsyningspumpen til boosterpumpen.
  6. Brug en brandslukningsmonitor til at muliggøre sikker, manuel styring af højtryksslangen. Skærmen kan fritstående eller monteres på bagsiden af et UTV.
  7. Undgå situationer, der kan afbryde vandstrømmen, såsom knæk i slangen, vandudtrækning ved forsyningskilden og løbe tør for benzin til pumperne.

5. Oprettelse af isen

  1. Opret is ved at sprøjte vand lodret gennem huller i baldakinen. Sørg for, at vandet strækker sig over højden af baldakinen, så det er deponeret lodret og fryser ved kontakt med sub-frysning overflader. Undgå at fjerne grene og bark fra træer, da vandet sprøjtes opad.
  2. Fordel sprayen jævnt over skovsejlet ved langsomt at køre UTV frem og tilbage langs kanten af applikationsområdet. Hvis der anvendes fritstående skærme, skal du flytte disse manuelt for at sikre, at dækningen er jævn.
  3. Hold styr på tidspunktet for ansøgningen for at hjælpe med at bestemme faktorer såsom vejrforholdene under påføring og mængden af vand sprøjtet.

6. Mål is accretion

  1. Foretage jordbaserede calipermålinger af radial istykkelse på grene eller kviste på lavere niveau nær kanten af applikationsområdet for at overvåge isindvækst under påføring og bestemme, hvornår måltykkelsen er nået.
  2. Få mere nøjagtige skøn over isindvækst med passive issamlere efter påføring (figur 1).
    1. Før ansøgningen, konstruere passive is samlere med to dyvler orienteret på tre kardinal akser30 for at skabe samlere med seks komponent arme.
    2. Skær 2,54 cm dyvler i en længde på 30 cm.
    3. dig til dyvlerne med et 6-vejs stålstik.
    4. Brug en arborist kaste vægt til streng faldskærm ledning over robuste grene, der kan modstå isen belastning.
    5. Fastgør de passive issamlere til ledningen og løft dem op i baldakinen.
    6. Når ansøgningen er afsluttet, sænkes opsamlerne til jorden, og pas på ikke at miste is fra opsamleren.
    7. Foretage lodrette og vandrette målinger af istykkelse med calipre flere steder på opsamleren (f.eks. tre lodrette og tre vandrette målinger på tre steder langs hver arm) før og umiddelbart efter isapplikationen.
    8. Istykkelsen på hver opsamler beregnes som forskellen mellem målingerne før og efter påføring.
    9. For at bestemme istykkelsen med vandmængdemetoden skal du bruge en stempelsav til at skære hver dyvel.
    10. Bring dyvlerne til en opvarmet bygning, læg dem i spande, og lad isen smelte af ved stuetemperatur.
    11. Mål mængden af smeltevand med en gradueret cylinder.
    12. Istykkelse beregnes ud fra vandmængden og istætheden31.

7. Sikkerhedshensyn

  1. Hold dig godt uden for isbehandlingsområdet under sprøjtning, fordi isbelastninger kan få grene og lemmer til at gå i stykker og falde.
  2. Bær hårde hatte eller hjelme for at yde beskyttelse, mens isen påføres, og under enhver prøveudtagning, der opstår i det behandlede område efter påføring.
  3. Brug en skærm til at stabilisere slangen under sprøjtning.
  4. Klæd dig passende på farlige forhold og frostvejr. Bær lyst, synligt tøj. Vær forberedt på at tilbringe lange perioder i våde, kolde forhold ved at bære regntøj og lag af varmt tøj. Medbring flere ændringer af tøj, især for personale, der er udpeget til at sprøjte.
  5. Hvis du arbejder i en fjern beliggenhed, oprette en midlertidig opvarmning telt udstyret med en bærbar varmelegeme.
  6. Lad personalet have tilstrækkelig tid til pauser, skifte ud af vådt tøj og løse problemer, der opstår med udstyr osv.
  7. Brug radioer til at kommunikere blandt personalet under eksperimentet. Opretholde kontakt med personale på en base station.
  8. Udarbejde en sikkerhedsplan i tilfælde af medicinske nødsituationer. Hav medicinsk personale (f.eks. akutlægeteknikere) og nødudstyr og forsyninger på stedet under forsøget.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En isstorm simulering blev udført i en 70 \ u2012100 år gammel nordlige hårdttræ skov på Hubbard Brook Experimental Forest i det centrale New Hampshire (43 ° 56 'N, 71 ° 45 'W). Standhøjden er ca. 20 m, og den dominerende træart i isens område er amerikansk bøg (Fagus grandifolia), sukkerahorn (Acer saccharum), rød ahorn (Acer rubrum) og gul birk (Betula alleghaniensis). Ti 20 m x 30 m parceller blev etableret og tilfældigt tildelt en behandling. Det meste af prøveudtagningen fandt sted inden for et 10 m x 20 m indvendigt område for at give mulighed for en 5 m buffer. Det indre observationsområde blev opdelt i otte 5 m x 5 m delområder, der var udpeget til forskellige typer prøveudtagninger. Der var to replikate parceller for hver af fem behandlinger, som bestod af en kontrol (ingen is) og tre målniveauer af radial is accretion: lav (6,4 mm), midten (12,7 mm) og høj (19,0 mm). To af de mid-niveau behandling plots (midx2) blev iced i back-to-back år til at vurdere virkningerne af på hinanden følgende storme. Sprøjtningen fandt sted i vintrene 2016 (18. januar, 27\u201228 og 11. februar) og 2017 (14. januar). Vand blev pumpet fra hovedgrenen af Hubbard Brook, som var dækket af is og havde bæk temperaturer nær frysepunktet. Overfladelufttemperaturer på tidspunktet for anvendelsen varierede fra -13 til -4 °C, og vindhastigheden var mindre end 2 m/s.

Isen blev målt på passive issamlere (fire pr. område) ved hjælp af både caliper- og vandmængdemetoderne som beskrevet ovenfor (protokol afsnit 6; Figur 1). Den gennemsnitlige istykkelse var mindre end målværdierne i mellem- og højisbehandlingerne (henholdsvis 4,3 mm og 5,8 mm mindre). Istykkelsen i de lave, midx2 y1 og midx2 y2 behandlinger var inden for 2 mm af målværdierne (Tabel 1). På trods af visse forskelle fra målværdier gav behandlingerne en række radiale istykkelser (0\u201216,4 mm) til vurdering af økosystemeffekter. Dette interval var sammenligneligt med 0\u201214.4 mm radial is registreret på Hubbard Brook Experimental Forest efter isstormen i 199832. Gennemsnitlig isindvækst på individuelle opsamlere indikerede en stærk positiv sammenhæng mellem kaliliper- og vandvolumenmålingsmetoder (R2 = 0,95; p < 0,01; Figur 2). Målingerne ved hjælp af vandmængdemetoden oversteg målingerne med calipermetoden, når der var mere end ca. 8 mm is (figur 2). Denne forskel skyldes tilstedeværelsen af istapper, der danner som is ophobes, og fanges mere effektivt med vandvolumenmetoden. Når istilvæksten var mindre end 8 mm, var målingerne fra vandmængdemetoden lidt mindre end målingerne fra calipermetoden, som tilskrives isens masse. Vi beregnede istykkelse med vandmængdemetoden ved hjælp af massenigheden af glasuris (0,92 g/cm3); Isen i behandlingen havde imidlertid luftbobler og havde sandsynligvis en massetæthed mindre end denne teoretiske værdi.

Samlede sprøjtetider (timer/slange) i gennemsnit 2 timer 20 min for den lave, 4 timer 50 min for midten, og 8 timer for den høje is behandlinger. Den faktiske tid, der blev brugt på sprøjtning i marken, var ca. halvdelen af disse samlede tider, da to slanger blev brugt samtidig til sprøjtning af hvert område. Der var en signifikant positiv sammenhæng mellem sprøjtetid og istilvækst målt med vandmængdemetoden (R2 = 0,46 ; p = 0,03; Figur 3a) og calipermetoden (R2 = 0,56; p = 0,01). Den gennemsnitlige is accretion varierede fra 1,4 til 4,2 mm / t på tværs af parceller. Der var et marginalt signifikant omvendt forhold mellem lufttemperatur og istilvækst målt med vandmængdemetoden (R2 = 0,40; p = 0,05; Figur 3b) og ingen signifikant sammenhæng med calipermetoden (R2 = 0,15; p = 0,27).

Der blev foretaget hurtige vurderinger af baldakindækningen i løbet af somrene før (2015) og efter is blev anvendt (2016). Der blev ikke indsamlet data i det andet år efter behandlingen (2017). Midx2-behandlingen blev derfor først vurderet, efter at den oprindeligt var blevet sprøjtet. Et okulært rør blev brugt til at registrere tilstedeværelsen eller fraværet af baldakindække direkte over store dele langs transects i observationsområder33. Selv om denne metode er effektiv til at anslå baldakindækning, kræver den intensiv prøveudtagning, som kan være tidskrævende og dyr. Jordbaserede målinger med et større synsområde , såsom baldakin densimetre34, giver et mål for baldakin lukning og kræver mindre prøveudtagning og har lavere stand-level variabilitet35,36. Der skal dog sørges for, at synsvinklen ikke fanger vegetationen uden for det behandlede område.

Canopy dække data blev analyseret ved hjælp af en generaliseret lineær blandet model med en binomial fordeling. Isbehandling blev inkluderet som en fast effekt og plot som en tilfældig effekt. Resultaterne viste ingen signifikante forskelle mellem de 10 parceller i undersøgelser før behandlingen (figur 4A), mens undersøgelser efter behandling viser et betydeligt fald i baldakindækningen i midten, midx2 og højisbehandling i forhold til kontrol (figur 4B). Disse generelle fald i baldakindækket med stigende istilvækststøtte skyldes en mere stringent analyse foretaget af Fahey et al.37, der viste betydelige strukturelle ændringer i skovsejlet, som stod i et rimeligt forhold til den mængde is, der blev anvendt.

Virkningerne af de simulerede isstorme på jordtemperaturer blev vurderet under prøveudtagningen i august 2017 (dvs. to vækstsæsoner, efter at alle parcellerne var blevet iset én gang, og vækstsæsonen efter midx2-observationsområdet var blevet iset to gange). Målingerne blev foretaget om eftermiddagen mellem 12:30 og 14:00. Jordtemperaturer blev målt manuelt med Oakton jordtemperatur sonder (0,5 °C nøjagtighed), der blev indsat i jorden på 2 cm og 5 cm dybder. Målingerne blev foretaget på et 2,5 m gitter samtidigt i et behandlingsområde og parret kontrolområde. Der blev ikke foretaget målinger i de lave behandlingsområder, da de viste minimale virkninger af is på vegetationen. Resultaterne af jordtemperaturen viste, at jordbunden i de behandlede områder var betydeligt varmere end kontrolområderne på begge dybder (2 cm og 5 cm) for alle tre evaluerede niveauer (midt, midx2, høj; Figur 5A,B). Temperaturerne var lidt varmere i den lavvandede jord sammenlignet med dybere jord, og virkningerne af behandlingen var større. De behandlede parceller var 0,4-1,5 °C varmere end kontrollerne for 2 cm dybde og 0,2 til 0,5 °C varmere for 5 cm dybde. Behandlingerne åbnede klart skovsejndet, hvilket fik mere lys til at nå skovbunden, hvilket resulterede i højere jordtemperaturer.

Figure 1
Figur 1: Passiv issamler til måling af radial iskast. (A) Udsigt over issamleren i skovsejlen før isindsendelse. (B)Foretager calipermålinger af isacretion på samlerne efter at have sænket dem ned fra baldakinen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Sammenligning af to metoder til måling af radial iskast. Den caliper metode indebærer målinger af is på dyvler. Vandmængdemetoden omfatter måling af mængden af smeltevand fra dyvlerne og beregning af radial istykkelse ved hjælp af en formodet istæthed. Der vises tre måliskadretionsniveauer (lav = 6,4 mm, midt = 12,7 mm, høj = 19 mm), og den stiplede linje er 1:1-linjen. Hvert punkt repræsenterer en passiv issamler og er gennemsnittet af seks målinger på hver af seks komponentarme (dvs. 36 målinger pr. opsamler). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Istaktionsrater. (A) Forholdet mellem spray tid og total is accretion. (B) Forholdet mellem den gennemsnitlige lufttemperatur under påføringshastigheden og ishastigheden. Der vises tre måliskadionsniveauer (lav = 6,4 mm, midt = 12,7 mm, høj = 19 mm). De viste iskadionsværdier blev bestemt med vandmængdemetoden. Hvert punkt repræsenterer et plot, med forskellige punkter for hvert år af midx2 behandling. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Baldakindækket, der anslås med okulære rør. (A) Forbehandling baldakin dækning for de forskellige is behandlinger. (B) Baldakindækningsværdier, der er opnået i den første vækstsæson efter påførsel af is. Data blev analyseret ved hjælp af en generaliseret lineær blandet model med en binomial fordeling. Fejllinjerne angiver, at konfidensintervallet på 95 % og små bogstaver repræsenterer signifikante forskelle ved α = 0,05. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Isbehandling påvirker jordtemperaturen. (A) Jordtemperatur målt ved 2 cm dybde. (B) Jordtemperatur målt ved 5 cm dybde. Data blev analyseret ved hjælp af en generel lineær model. Fejlstristerne angiver 95 % konfidensinterval, og stjernerne indikerer signifikante forskelle mellem kontrol og behandling ved α = 0,05. Klik her for at se en større version af dette tal.

Metode Lav Midten Midt x 2 y1 Midt x 2 y2 Høj
Mål 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Vandmængde 5.7 (0,2)c 8,5 (1,3)f.Kr. 14.6 (2.2)a 13.2 (0.1)ab 16.4 (1.1)a.
Caliper 6.3 (0.3)c. 8,4 (1,1)f.Kr. 11,0 (1,6)ab 11.3 (0.2)ab 13.3 (1.2)a.

Tabel 1: Mål-is-tilvækstværdier sammenlignet med faktiske værdier målt på passive opsamlere ved hjælp af både vandmængde og calipermetoder. Enhederne er millimeter, og standardfejlen er angivet i parentes. Hævet bogstaver indikerer betydelige forskelle mellem behandlinger bestemt med en generaliseret lineær blandet model.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det er afgørende at udføre eksperimentelle simuleringer af isstorme under passende vejrforhold for at sikre deres succes. I en tidligere undersøgelse30, fandt vi, at de optimale betingelser for sprøjtning er, når lufttemperaturer er under -4 °C og vindhastigheder er mindre end 5 m / s. Naturlige isstorme oftest opstår, når lufttemperaturer er lidt mindre end frysning (-1 til 0 °C), og selv om de ideelle temperaturer for is storm simuleringer er koldere, de er stadig inden for temperaturområdet af observerede frysende regn begivenheder -15 til 0 °C16. Da vedvarende temperaturer under frysepunktet er påkrævet, er denne eksperimentelle tilgang begrænset til mere nordlige steder, og kan være udfordrende at udføre selv på relativt kolde steder som Hubbard Brook Experimental Forest, hvor den gennemsnitlige månedlige lave lufttemperatur er -9 °C i januar, men regelmæssigt svinger over frysepunktet. Sprøjtning om natten kan være en fordel, da det er, når lufttemperaturer er typisk koldeste, og virkningerne af solstråling er ubetydelige.

Der er flere udfordringer med isstorm simulation eksperimenter. I skove med høje baldakiner, kan det være svært at sprøjte toppen af træer. Mange faktorer påvirker højden af spray, herunder pumpehastighed og afstanden mellem vandkilde og anvendelsesområde. Da sprayhøjdeberegninger er komplekse og specifikke for det anvendte sted og udstyr, er det nyttigt at udføre sprøjtetest før forsøget, så der kan foretages passende justeringer. En anden udfordring er at afgøre, hvornår man skal stoppe sprøjtning, fordi målinger af istykkelse er vanskelige at opnå under simuleringen. Passive issamlere kan bruges til dette formål, men kræver robuste grene i observationsområder for støtte. Flere af de samlere, vi installerede, blev beskadiget eller faldt under eksperimentet. Af sikkerhedsmæssige grunde placerede vi samlerne tæt på kanten af observationsområder for at undgå at skulle ind i forsøgsområdet, hvilket kan have bidraget til undervurderingen af istilvæksten i nogle områder (tabel 1). Det kan være tidskrævende og vanskeligt at sænke samlere og foretage målinger under applikationen. Jordbaserede målinger kan hjælpe i denne henseende, men kan ikke bedst repræsentere is accretion i den øvre baldakin. Istætheden i isstormsimulationen var noget mindre end is, der dannes under en naturlig isstorm. Denne forskel blev understøttet af ismålinger på samlere og var visuelt tydelig, da isen var mere uigennemsigtig end glasurisen, der dannes i naturlige storme. På trods af disse forskelle i istæthed resulterede den simulerede isstorm i en forstyrrelse, der var diffus og fik træer og lemmer til at bøje og knække, ligesom en naturlig isstorm. Således afspejler denne metode i højere grad isstormslag sammenlignet med andre potentielle metoder, såsom skydning, omringning, beskæring eller nedring af træer.

Selv om parcellerne var relativt store for et manipulerende eksperiment (20 m x 30 m), ville en forøgelse af parcellernes størrelse reducere indflydelsen af uberørte træer uden for observationsområder. Selv med en buffer, høje træer omkring parceller kan potentielt påvirke svar såsom henkastet kuld, lys tilgængelighed og jordtemperatur. Derudover, de parceller utvivlsomt indeholdt rødder fra lande uden for grænsen, der kunne have ændret undergrunden processer. Mikrobiel biomasse og aktivitet, jord kvælstof, kvælstof mineralisering og nitrifikation, og tab af opløselighed i jordvand alle viste ingen væsentlige virkninger fra is applikationer38 trods store overjordiskforstyrrelse 37. Manglen på respons under jorden var uventet, især for nitratudvaskning, som viste sig at være følsom over for isstormforstyrrelser efter den naturlige isstorm, der ramte Hubbard Brook i 1998. Der blev observeret store tab af nitrat i jordopløsningen efter stormen , som skyldtes reduceret optagelse på grund af beskadigedetrækkroner 39. Den manglende kvælstofrespons i isstormsimulering kan være resultatet af rodoptagelse fra sunde træer uden for observationsområder; Skaderne og hullerne i baldakinen var imidlertid store nok til, at der kunne forventes en vis reaktion. En mere sandsynlig forklaring på den manglende respons under jorden er de langsigtede fald i det tilgængelige kvælstof , der er observeret på stedet, hvilket resulterer i en samlet stramning af kvælstofkredsløbet med minimal nitratudvaskning38,40.

Iskemuleringsmetoden har vist sig at være en succes i den nordlige løvskov ved Hubbard Brook Experimental Forest og har bidraget til at kvantificere økosystemets reaktioner og identificerekritiske tærskler 37,38. I fremtidige undersøgelser vil det være nyttigt at anvende denne fremgangsmåde i andre skovtyper og under forskellige forhold. F.eks. kan vindens indvirkning på isbelagte træer forstærke virkningerne og er endnu ikke blevet evalueret i et kontrolleret forsøg. Desuden giver denne metode en ideel mulighed for at kvantificere virkninger fra sammensatte stressfaktorer, der er almindelige i skovøkosystemer (f.eks. insektudbrud, patogener, tørke, forurenende stoffer, jordfrysning). Anvendelse af denne metode i et multifaktorielt design ville muliggøre en statistisk stringent tilgang til vurdering af interaktive virkninger, som ikke ville opstå ved at vurdere isstormpåvirkninger alene og mere ligner naturligt forekommende forhold. Selv om vi først har vurderet svarene i de første par år efter ansøgningerne, vil det være nyttigt at spore skovfornængning eller genopretning på lang sigt. Mens fokus for vores isstormsimuleringer primært har været på skovøkosystemer, kan metoden anvendes på andre måder, f.eks. På trods af visse begrænsninger er tilgangen meget effektiv til at simulere naturlige isstorme og er en forbedring i forhold til alternative metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre. Henvisning heri til specifikke kommercielle produkter, proces eller service efter handelsnavn, varemærke, producent eller på anden måde, udgør ikke nødvendigvis eller antyder dens godkendelse, anbefaling eller favoriserelse af den amerikanske regering. De synspunkter og udtalelser fra forfattere, der er udtrykt heri, er ikke nødvendigvis angivet eller afspejler den amerikanske regerings synspunkter og må ikke bruges til reklame- eller produktpåtegningsformål.

Acknowledgments

Finansieringen af denne forskning blev ydet af National Science Foundation (DEB-1457675). Vi takker de mange deltagere i Ice Storm Experiment (ISE), der hjalp med isapplikationen og tilhørende felt- og laboratoriearbejde, især Geoff Schwaner, Gabe Winant og Brendan Leonardi. Dette manuskript er et bidrag fra Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook er en del af Long-Term Ecological Research (LTER) netværket, som støttes af National Science Foundation (DEB-1633026). Hubbard Brook Experimental Forest drives og vedligeholdes af USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video og billeder er af Jim Surette og Joe Klementovich, venligst udlånt af Hubbard Brook Research Foundation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Booster pump Waterax BB-4-23P 401 L min-1 maximum flow; 30.3 bar maximum pressure
Firefighting hose ATI Forest Products Forest-Lite G55H1F50N 3.8 cm diameter, polyester, single jacket
Monitor (ground placement) Task Force Tips Blitzfire XX111A 2000 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Monitor (UTV mount) Potter Roemer Fire Pro FP1S-125 1325 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose
Nozzle Crestar ST2675 Smooth bore; double stacked; 3.8 cm intake; 1.3 cm orifice
Strainer Northern Tool 107902 7.6 cm hose fitting, 17.6 cm outside diameter
Suction hose JGB Enterprises A007-0489-1615 7.6 cm diameter; 4.6 m long
Water pump NorthStar 106471E 665 L min-1; fits 7.6 cm hose

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhou, B., et al. The Great 2008 Chinese Ice Storm: Its socioeconomic–ecological impact and sustainability lessons learned. Bulletin of the American Meteorological Society. 92 (1), 47-60 (2011).
  2. Call, D. A. Changes in ice storm impacts over time: 1886-2000. Weather, Climate, and Society. 2 (1), 23-35 (2010).
  3. Zarnani, A., et al. Learning to predict ice accretion on electric power lines. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 25 (3), 609-617 (2012).
  4. Smith, A. B., Katz, R. W. US billion-dollar weather and climate disasters: data sources, trends, accuracy and biases. Natural Hazards. 67 (2), 387-410 (2013).
  5. Lafon, C. W., Speer, J. H. Using dendrochronology to identify major ice storm events in oak forests of southwestern Virginia. Climate Research. 20 (1), 41-54 (2002).
  6. Smith, K. T., Shortle, W. C. Radial growth of hardwoods following the 1998 ice storm in New Hampshire and Maine. Canadian Journal of Forest Research. 33 (2), 325-329 (2003).
  7. Duguay, S. M., Arii, K., Hooper, M., Lechowicz, M. J. Ice storm damage and early recovery in an old-growth forest. Environmental Monitoring and Assessment. 67 (1), 97-108 (2001).
  8. Irland, L. C. Ice storms and forest impacts. The Science of the Total Environment. 262 (3), 231-242 (2000).
  9. Dale, V. H., et al. Climate change and forest disturbances. BioScience. 51 (9), 723-734 (2001).
  10. de Groot, M., Ogris, N., Kobler, A. The effects of a large-scale ice storm event on the drivers of bark beetle outbreaks and associated management practices. Forest Ecology and Management. 408, 195-201 (2018).
  11. Faccio, S. D. Effects of ice storm-created gaps on forest breeding bird communities in central Vermont. Forest Ecology and Management. 186 (1), 133-145 (2003).
  12. Degelia, S. K., et al. An overview of ice storms and their impact in the United States. International Journal of Climatology. 36 (8), 2811-2822 (2016).
  13. Rauber, R. M., Olthoff, L. S., Ramamurthy, M. K., Miller, D., Kunkel, K. E. A synoptic weather pattern and sounding-based climatology of freezing precipitation in the United States east of the Rocky Mountains. Journal of Applied Meteorology. 40 (10), 1724-1747 (2001).
  14. Bell, G. D., Bosart, L. F. Appalachian cold-air damming. Monthly Weather Review. 116 (1), 137-161 (1988).
  15. Rackley, J. A., Knox, J. A. A climatology of southern Appalachian cold-air damming. Weather and Forecasting. 31 (2), 419-432 (2015).
  16. Cortinas, J. V., Bernstein, B. C., Robbins, C. C., Strapp, J. W. An analysis of freezing rain, freezing drizzle, and ice pellets across the United States and Canada: 1976-90. Weather and Forecasting. 19 (2), 377-390 (2004).
  17. Changnon, S. Characteristics of ice storms in the United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (5), 630-639 (2003).
  18. Jones, K., Thorkildson, R., Lott, N. The development of a U.S. climatology of extreme ice loads. Technical Report 2002-01. National Climatic Data Center. , Asheville, NC. 23 (2002).
  19. Kovacik, C., Kloesel, K. Changes in ice storm frequency across the United States. Southern Climate Impacts Planning Program. , Available from: http://www.southernclimate.org/documents/Ice_Storm_Frequency.pdf (2014).
  20. Groisman, P. Y., et al. Recent changes in the frequency of freezing precipitation in North America and Northern Eurasia. Environmental Research Letters. 11 (4), 045007 (2016).
  21. Klima, K., Morgan, M. G. Ice storm frequencies in a warmer climate. Climatic Change. 133 (2), 209-222 (2015).
  22. Cheng, C., Auld, H., Li, G., Klaassen, J., Li, Q. Possible impacts of climate change on freezing rain in south-central Canada using downscaled future climate scenarios. Natural Hazards and Earth Systems Sciences. 7 (1), 71-87 (2007).
  23. Cheng, C. S., Li, G., Auld, H. Possible impacts of climate change on freezing rain using downscaled future climate ccenarios: Updated for eastern Canada. Atmosphere-Ocean. 49 (1), 8-21 (2011).
  24. Kunkel, K. E., et al. Monitoring and understanding trends in extreme storms: State of knowledge. Bulletin of the American Meteorological Society. 94 (4), 499-514 (2013).
  25. Dipesh, K. C., et al. Effects of simulated ice storm damage on midrotation loblolly pine stands. Forest Science. 61 (4), 774-779 (2015).
  26. Collins, B. S., Pickett, S. T. A. Demographic responses of herb layer species to experimental canopy gaps in a northern hardwoods forest. Journal of Ecology. 76 (2), 437-450 (1988).
  27. Yorks, T. E., Leopold, D. J., Raynal, D. J. Effects of Tsuga canadensis mortality on soil water chemistry and understory vegetation: possible consequences of an invasive insect herbivore. Canadian Journal of Forest Research. 33 (8), 1525-1537 (2003).
  28. Zimmerman, J. K., et al. Seven-year responses of trees to experimental hurricane effects in a tropical rainforest, Puerto Rico. Forest Ecology and Management. 332, 64-74 (2014).
  29. Cooper-Ellis, S., Foster, D. R., Carlton, G., Lezberg, A. Forest response to catastrophic wind: Rusults from an experimental hurricane. Ecology. 80 (8), 2683-2696 (1999).
  30. Rustad, L. E., Campbell, J. L. A novel ice storm manipulation experiment in a northern hardwood forest. Canadian Journal of Forest Research. 42 (10), 1810-1818 (2012).
  31. Jones, K. F., Mulherin, N. D. An evaluation of the severity of the January 1998 ice storm in northern New England. U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Snow and Ice Division. , Hanover, NH. 66 (1998).
  32. Rhoads, A. G., et al. Effects of an intense ice storm on the structure of a northern hardwood forest. Canadian Journal of Forest Research. 32 (10), 1763-1775 (2002).
  33. James, F. C., Shugart, H. H. A quantitative method of habitat description. Audubon Field Notes. 24 (6), 727-736 (1970).
  34. Lemmon, P. E. A spherical densiometer for estimating forest overstory density. Forest Science. 2 (4), 314-320 (1956).
  35. Korhonen, L., Korhonen, K., Rautiainen, M., Stenberg, P. Estimation of forest canopy cover: a comparison of field measurement techniques. Silva Fennica. 40 (4), 577-588 (2006).
  36. Fiala, A. C. S., Garman, S. L., Gray, A. N. Comparison of five canopy cover estimation techniques in the western Oregon Cascades. Forest Ecology and Management. 232 (1), 188-197 (2006).
  37. Fahey, R. T., et al. Effects of an experimental ice storm on forest canopy structure. Canadian Journal of Forest Research. 50 (2), 136-145 (2020).
  38. Weitzman, J. N., et al. Ecosystem nitrogen response to a simulated ice storm in a northern hardwood forest. Ecosystems. , (2020).
  39. Houlton, B. Z., et al. Nitrogen dynamics in ice storm-damaged forest ecosystems: implications for nitrogen limitation theory. Ecosystems. 6 (5), 431-443 (2003).
  40. Groffman, P. M., et al. Nitrogen oligotrophication in northern hardwood forests. Biogeochemistry. 141 (3), 523-539 (2018).

Tags

Denne måned i JoVE klimaændringer forstyrrelse økosystem økologi ekstrem begivenhed skov frysende regn Hubbard Brook Experimental Forest isstorm nedbør
Simulering af virkningerne af isstorme på skovøkosystemer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Campbell, J. L., Rustad, L. E.,… More

Campbell, J. L., Rustad, L. E., Driscoll, C. T., Halm, I., Fahey, T. J., Fakhraei, H., Groffman, P. M., Hawley, G. J., Leuenberger, W., Schaberg, P. G. Simulating Impacts of Ice Storms on Forest Ecosystems. J. Vis. Exp. (160), e61492, doi:10.3791/61492 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter