Waiting
Login processing...

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

Environment

Het simuleren van effecten van ijsstormen op bosecosystemen

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

IJsstormen zijn belangrijke weersomstandigheden die uitdagend zijn om te bestuderen vanwege moeilijkheden bij het voorspellen van hun optreden. Hier beschrijven we een nieuwe methode voor het simuleren van ijsstormen waarbij water over een bosluifel wordt gespoten tijdens ondervriezen.

Abstract

IJsstormen kunnen ingrijpende en blijvende gevolgen hebben voor de structuur en functie van bosecosystemen in regio's die te maken hebben met vrieskou. De huidige modellen suggereren dat de frequentie en intensiteit van ijsstormen de komende decennia kunnen toenemen als reactie op veranderingen in het klimaat, waardoor de belangstelling voor het begrijpen van hun effecten toeneemt. Vanwege de stochastische aard van ijsstormen en moeilijkheden bij het voorspellen wanneer en waar ze zullen optreden, zijn de meeste onderzoeken uit het verleden van de ecologische effecten van ijsstormen gebaseerd op casestudies na grote stormen. Aangezien intense ijsstormen zijn uiterst zeldzame gebeurtenissen is het onpraktisch om ze te bestuderen door te wachten op hun natuurlijke voorval. Hier presenteren we een nieuwe alternatieve experimentele aanpak, waarbij de simulatie van glazuur ijs gebeurtenissen op bos percelen onder veldomstandigheden. Met deze methode wordt water uit een beek of meer gepompt en boven de bladerdak van het bos gespoten wanneer de luchttemperaturen onder het vriespunt liggen. Het water regent naar beneden en bevriest bij contact met koude oppervlakken. Als het ijs zich ophoopt op bomen, de boles en takken buigen en breken; schade die kan worden gekwantificeerd door vergelijkingen met onbehandelde referentiestands. De beschreven experimentele aanpak is voordelig omdat het controle over de timing en hoeveelheid ijs die wordt toegepast mogelijk maakt. Het creëren van ijsstormen van verschillende frequentie en intensiteit maakt het mogelijk om kritieke ecologische drempels te identificeren die nodig zijn voor het voorspellen en voorbereiden op ijsstormeffecten.

Introduction

IJsstormen zijn een belangrijke natuurlijke verstoring die zowel op korte als op lange termijn gevolgen kan hebben voor het milieu en de samenleving. Intense ijsstormen zijn problematisch omdat ze bomen en gewassen beschadigen, nutsvoorzieningen verstoren en wegen en andere infrastructuur aantasten1,2. De gevaarlijke omstandigheden die ijsstormen veroorzaken kunnen ongelukken veroorzaken met verwondingen en dodelijke slachtoffers2. IJsstormen zijn kostbaar; financiële verliezen gemiddeld $ 313 miljoen per jaar in de Verenigde Staten (VS)3, met een aantal individuele stormen van meer dan $ 1 miljard4. In bosecosystemen kunnen ijsstormen negatieve gevolgen hebben, waaronder verminderde groei en boomsterfte5,6,7, verhoogd risico op brand en verspreiding van plagen en ziekteverwekkers8,9,10. Ze kunnen ook positieve effecten hebben op bossen, zoals een grotere groei van overlevende bomen5 en een verhoogde biodiversiteit11. Het verbeteren van ons vermogen om effecten van ijsstormen te voorspellen zal ons in staat stellen ons beter voor te bereiden op en te reageren op deze gebeurtenissen.

IJsstormen ontstaan wanneer een laag vochtige lucht, die boven het vriespunt ligt, een laag subvriezende lucht dichter bij de grond overschrijft. Regen die uit de warmere laag luchtkoelers valt als het door de koude laag gaat en glazuurijs vormt wanneer het op ondervriezende oppervlakken wordt afgezet. In de VS kan deze thermische gelaagdheid het gevolg zijn van synoptische weerpatronen die kenmerkend zijn voor specifieke regio's12,13. Ijzel wordt meestal veroorzaakt door arctische fronten die naar het zuidoosten bewegen over de VS voor sterke anticyclones13. In sommige regio's draagt topografie bij aan de atmosferische omstandigheden die nodig zijn voor ijsstormen door koude luchtdamming, een meteorologisch fenomeen dat optreedt wanneer warme lucht van een binnenkomende storm koude lucht overstrijft die zich verschanst naast een bergketen14,15.

In de VS, ijs stormen komen het meest voor in de "ijsgordel" die zich uitstrekt van Maine tot het westen van Texas16,17. IJsstormen komen ook voor in een relatief klein gebied van de Pacific Northwest, vooral rond het Columbia River Basin van Washington en Oregon. Een groot deel van de VS ervaart ten minste enige ijzel, met de grootste hoeveelheden in het noordoosten waar de meest ijsgevoelige gebieden hebben een mediaan van zeven of meer ijzel dagen (dagen waarin ten minste een uur observatie van ijzel opgetreden) jaarlijks16. Veel van deze stormen zijn relatief gering, hoewel meer intense ijsstormen optreden, zij het met veel langere herhalingsintervallen. Bijvoorbeeld, in New England, het bereik in radiale ijsdikte is 19 tot 32 mm voor stormen met een 50-jaar herhaling interval18. Empirisch bewijs wijst erop dat ijsstormen steeds vaker voorkomen op noordelijke breedtegraden en minder frequent in het zuidenvan 19,20,21. Deze trend zal naar verwachting worden voortgezet op basis van computersimulaties met behulp van toekomstige projecties voor klimaatverandering22,23. Echter, het gebrek aan gegevens en fysiek begrip maken het moeilijker om trends in ijsstormen dan andere soorten extreme gebeurtenissen op te sporen en te projecteren24.

Aangezien grote ijsstormen relatief zeldzaam zijn, zijn ze een uitdaging om te bestuderen. Het is moeilijk te voorspellen wanneer en waar ze zullen optreden, en het is over het algemeen onpraktisch om "chase" stormen voor onderzoeksdoeleinden. Bijgevolg zijn de meeste ice storm studies zijn ongeplande post hoc beoordelingen die zich voordoen in de nasleep van grote stormen. Deze onderzoeksaanpak is niet ideaal vanwege het onvermogen om basisgegevens te verzamelen voor een storm. Bovendien kan het moeilijk zijn om onaangetaste gebieden te vinden voor vergelijking met beschadigde gebieden wanneer ijsstormen een grote geografische omvang bestrijken. In plaats van te wachten op natuurlijke stormen, experimentele benaderingen kunnen voordelen bieden, omdat ze een nauwe controle over de timing en intensiteit van ijsvorming gebeurtenissen mogelijk te maken en zorgen voor passende referentie-voorwaarden om duidelijk te evalueren effecten.

Experimentele benaderingen stellen ook uitdagingen voor, vooral in beboste ecosystemen. De hoogte en breedte van bomen en de luifel maakt ze moeilijk om experimenteel te manipuleren, in vergelijking met lagere gestalte graslanden of struikgewas. Bovendien is verstoring van ijsstormen diffuus, zowel verticaal door de boskap als over het landschap, wat moeilijk te simuleren is. We weten van slechts een andere studie die probeerde te simuleren ijs storm effecten in een bos ecosysteem25. In dit geval werd een geweer gebruikt om tot 52% van de kroon te verwijderen in een loblolly pine stand in Oklahoma. Hoewel deze methode resultaten heeft opgeleverd die kenmerkend zijn voor ijsstormen, is het niet effectief in het verwijderen van grotere takken en veroorzaakt het niet dat de bomen voorover buigen, wat gebruikelijk is bij natuurijsstormen. Hoewel er geen andere experimentele methoden zijn gebruikt om ijsstormen specifiek te bestuderen, zijn er enkele parallellen tussen onze aanpak en andere soorten bosverstoringsmanipulaties. Zo is de gapdynamiek bestudeerd door het kappen van individuele bomen26, bosplagen invasies door bomen27omgord , en orkanen door28 te snoeien of hele bomen met een lier en kabel29naar beneden te trekken . Van deze benaderingen, snoeien het meest imiteert ijs storm effecten, maar is arbeidsintensief en kostbaar. De andere benaderingen veroorzaken sterfte van hele bomen, in plaats van de gedeeltelijke breuk van ledematen en takken die typisch is voor natuurijs stormen.

Het protocol beschreven in dit document is nuttig voor het nauw nabootsen van natuurijs stormen en omvat het spuiten van water over het bos luifel tijdens sub-bevriezing voorwaarden om glazuur ijs gebeurtenissen te simuleren. De methode biedt voordelen ten opzichte van andere middelen, omdat de schade relatief gelijkmatig kan worden verdeeld over bossen over een groot gebied met minder inspanning dan het snoeien of kappen van hele bomen. Bovendien kan de hoeveelheid ijs accretie worden geregeld door het volume van het toegepaste water en door een tijd te selecteren om te spuiten wanneer de weersomstandigheden bevorderlijk zijn voor een optimale ijsvorming. Deze nieuwe en relatief goedkope experimentele aanpak maakt controle over de intensiteit en frequentie van ijsvorming mogelijk, wat essentieel is voor het identificeren van kritieke ecologische drempels in bosecosystemen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Ontwikkeling van het experimentele ontwerp

  1. Bepaal de intensiteit en frequentie van ijsvorming op basis van realistische waarden.
  2. Bepaal de grootte en vorm van de percelen.
    1. Als het doel is om de reacties van bomen te evalueren, selecteert u een plotgrootte die groot genoeg is om meerdere bomen en de meeste van hun wortelsystemen op te nemen, die varieert afhankelijk van factoren zoals boomsoorten en leeftijd.
    2. Ontwerp uit veiligheidsoverwegingen de percelen zodat het gehele perceel van buiten de grens kan worden besproeid.
    3. Ruimtepercelen ver genoeg uit elkaar (bijvoorbeeld 10 m) zodat een behandeling in het ene perceel geen invloed heeft op een ander perceel.
    4. Stel een bufferzone (bijvoorbeeld 5 m) rond percelen in om randeffecten te verminderen en een gelijkmatigere verdeling van de ijsdekking te garanderen.
    5. Vaststellen van subplots binnen de grotere percelen voor specifieke bemonsteringsbehoeften.
  3. Bepaal het aantal repliceren percelen.

2. Selecteer en vestig een studielocatie

  1. Selecteer een homogene bosstandaard met vergelijkbare kenmerken, zoals de samenstelling van boomsoorten, bodems, lithologie en hydrologie.
  2. Selecteer een locatie voor de toepassing in een gebied waar in de winter toegang is tot een waterbron.
  3. Zorg ervoor dat de toevoer van water voldoende is voor de ijstoepassing op basis van de pompsnelheid en andere factoren, zoals de diameter van de slang, de lengte van de slang, het gebruikte mondstuk en de waterdruk.
  4. Markeer de grens van de percelen, bufferzone en subplots.
  5. Voer een volledige bosinventaris uit met beschrijvingen van de gezondheidstoestand van bomen, waaronder beoordelingen van dode, stervende en beschadigde bomen. Bovendien, registreren eventuele stressoren (bijvoorbeeld, bewijs van schade aan insecten of ziekte) om te helpen interpreteren van de reactie op de ijsbehandeling.
  6. Als utvs gebruiken om water te spuiten, maak begaanbare paden langs de zijkanten van de percelen terwijl voorzichtig om verstoring te minimaliseren.
  7. Zodra de percelen zijn vastgesteld, willekeurig een behandeling toe te wijzen aan elk perceel en type bemonstering dat zal worden uitgevoerd in elke subplot (bijvoorbeeld grof houtachtig puin, fijn strooisel, bodemmonsters).

3. Timing van de aanvraag

  1. Selecteer een geschikt tijdvenster om het spuiten uit te voeren.
  2. Voer het experiment uit wanneer de weersomstandigheden bevorderlijk zijn (bijvoorbeeld wanneer de luchttemperatuur lager is dan -4 °C en de windsnelheid minder dan 5 m/s is).
  3. Als spuiten 's nachts, implementeren van high powered lichten rond de rand van percelen en voer ze op generatoren als er geen elektriciteit beschikbaar is.

4.

  1. Zet een toevoerpomp in bij de waterbron en sluit een zuigslang aan.
  2. Sluit een zeef aan op het einde van de zuigslang om vuil uit de leidingen te houden.
  3. Breek door elk oppervlakteijs en dompelen de zeef volledig onder. De minimale diepte van de watervoorziening moet ongeveer 20 cm zijn.
  4. Plaats een booster pomp in het bed van een UTV om de waterdruk te verbeteren. In sommige gevallen is een boosterpomp mogelijk niet nodig, vooral niet voor vegetatie met een lage gestalte.
  5. Voer een brandbestrijdingsslang uit van de aanvoerpomp naar de boosterpomp.
  6. Gebruik een brandbestrijdingsmonitor om een veilige, handmatige controle over de hogedrukslang mogelijk te maken. De monitor kan vrijstaand zijn of op de achterkant van een UTV worden gemonteerd.
  7. Vermijd situaties die de waterstroom kunnen onderbreken, zoals knikken in de slang, waterafvoer bij de toevoerbron en opraken van benzine voor de pompen.

5. Het creëren van het ijs

  1. Creëer ijs door water verticaal door gaten in de luifel te spuiten. Zorg ervoor dat het water zich uitstrekt boven de hoogte van de luifel, zodat het verticaal wordt afgezet en bevriest bij contact met ondervriezen oppervlakken. Vermijd strippen takken en schors van bomen als water naar boven wordt gespoten.
  2. Gelijkmatig verdelen spray over het bos luifel door langzaam rijden de UTV heen en weer langs de rand van het toepassingsgebied. Als vrijstaande monitoren worden gebruikt, beweegt u deze handmatig om ervoor te zorgen dat de dekking gelijk is.
  3. Houd de timing van de toepassing bij om factoren te bepalen, zoals de weersomstandigheden tijdens het aanbrengen en het volume van het gespoten water.

6. Meet de ijsgroei

  1. Maak remklauwmetingen op de grond van radiale ijsdikte op takken of takjes op een lager niveau aan de rand van het toepassingsgebied om de ijsversnelling tijdens het aanbrengen te controleren en te bepalen wanneer de doeldikte is bereikt.
  2. Na de aanvraag nauwkeurigere schattingen van ijsaangroei met passieve ijscollectoren verkrijgen(figuur 1).
    1. Bouw vóór de toepassing passieve ijscollectoren met twee deuvels georiënteerd op drie kardinale assen30 om verzamelaars met zes componentenarmen te creëren.
    2. Snijd 2,54 cm deuvels met een lengte van 30 cm.
    3. Sluit je aan bij de deuvels met een 6-wegs stalen connector.
    4. Gebruik een boomverzorger gooien gewicht te touw parachute koord over stevige takken die bestand zijn tegen de ijsbelasting.
    5. Bevestig de passieve ijscollectoren aan het koord en hef ze op in de luifel.
    6. Zodra de toepassing is voltooid, laat de verzamelaars op de grond, oppassen geen ijs te verliezen van de verzamelaar.
    7. Maak verticale en horizontale metingen van de ijsdikte met remklauwen op meerdere plaatsen op de collector (bijvoorbeeld drie verticale en drie horizontale metingen op drie plaatsen langs elke arm) vóór en onmiddellijk na het aanbrengen van ijs.
    8. Bereken de ijsdikte op elke collector als het verschil tussen de metingen voor en na de toepassing.
    9. Om de ijsdikte te bepalen met de watervolumemethode, gebruikt u een wederkerige zaag om elke handdoek te snijden.
    10. Breng de deuvels naar een verwarmd gebouw, plaats ze in emmers, en laat het ijs smelten bij kamertemperatuur.
    11. Meet het volume smeltwater met een gegradueerde cilinder.
    12. Bereken de ijsdikte op basis van het watervolume en de ijsdichtheid31.

7. Veiligheidsoverwegingen

  1. Blijf goed buiten het ijsbehandelingsgebied tijdens het sproeien, omdat ijsbelastingen ervoor kunnen zorgen dat takken en ledematen breken en vallen.
  2. Draag harde hoeden of helmen om bescherming te bieden terwijl het ijs wordt aangebracht en tijdens elke bemonstering die optreedt in het behandelde gebied na de toepassing.
  3. Gebruik een monitor om de slang te stabiliseren tijdens het spuiten.
  4. Kleed je op de juiste manier voor gevaarlijke omstandigheden en ondervriezend weer. Draag heldere, zichtbare kleding. Wees bereid om lange periodes door te brengen in natte, koude omstandigheden door het dragen van regenkleding en lagen van warme kleding. Breng meerdere veranderingen van kleding, vooral voor personeel die zijn aangewezen om te spuiten.
  5. Als u op een afgelegen locatie werkt, zet u een tijdelijke verwarmingstent op die is uitgerust met een draagbare kachel.
  6. Laat het personeel voldoende tijd hebben voor pauzes, het verwisselen van natte kleding en het aanpakken van problemen die zich voordoen met apparatuur, enz.
  7. Gebruik radio's om tijdens het experiment tussen het personeel te communiceren. Onderhoud contact met het personeel op een basisstation.
  8. Ontwikkel een veiligheidsplan in geval van medische noodsituaties. Beschikken over medisch personeel (bijvoorbeeld spoedeisende medische technici) en noodapparatuur en benodigdheden ter plaatse tijdens het experiment.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een ijsstorm simulatie werd uitgevoerd in een 70\u2012100 jaar oude noordelijke hardhout bos op de Hubbard Brook Experimental Forest in het centrum van New Hampshire (43° 56′ NB, 71° 45′ W). De stand hoogte is ongeveer 20 m en de dominante boomsoorten in het gebied van het ijs applicatie zijn Amerikaanse beuk (Fagus grandifolia), suiker esdoorn (Acer saccharum), rode esdoorn (Acer rubrum) en gele berk (Betula alleghaniensis). Tien 20 m x 30 m percelen werden vastgesteld en willekeurig toegewezen een behandeling. Het grootste deel van de bemonstering vond plaats binnen een binnenperceel van 10 x 20 m, zodat een buffer van 5 m mogelijk is. Het binnenste perceel was verdeeld in acht 5 m x 5 m subplots die voor verschillende soorten bemonstering worden aangewezen. Er waren twee repliceren percelen voor elk van de vijf behandelingen, die bestonden uit een controle (geen ijs) en drie doelniveaus van radiale ijs accretie: laag (6,4 mm), midden (12,7 mm), en hoog (19,0 mm). Twee van de mid-level behandeling percelen (midx2) werden bevroren in back-to-back jaren om de effecten van opeenvolgende stormen te evalueren. Het spuiten vond plaats tijdens de winters van 2016 (18 januari 27\u201228 en 11 februari) en 2017 (14 januari). Water werd gepompt uit de belangrijkste tak van Hubbard Brook, die bedekt was met ijs en beektemperaturen had in de buurt van het vriespunt. De oppervlakteluchttemperaturen varieerden van -13 tot -4 °C en de windsnelheid was minder dan 2 m/s.

De ijsversnelling werd gemeten op passieve ijscollectoren (vier per perceel) met behulp van zowel de remklauw- als de watervolumemethoden zoals hierboven beschreven (protocol sectie 6; Figuur 1). De gemiddelde ijsdikte was lager dan de streefwaarden in de mid- en hoge ijsbehandelingen (respectievelijk 4,3 mm en 5,8 mm). De ijsdikte in de lage, midx2 y1- en midx2 y2-behandelingen lag binnen 2 mm van de streefwaarden(tabel 1). Ondanks enkele verschillen met de streefwaarden, boden de behandelingen een reeks radiale ijsdikte (0\u201216,4 mm) voor de beoordeling van ecosysteemeffecten. Dit bereik was vergelijkbaar met de 0\u201214,4 mm radiaal ijs die na de ijsstorm van 199832werd geregistreerd in het Hubbard Brook Experimental Forest. De gemiddelde ijsversnelling op individuele collectoren duidde op een sterk positief verband tussen remklauw- en watervolumemeetmethoden (R2 = 0,95; p < 0,01; Figuur 2). Metingen met behulp van de watervolumemethode overschreden de metingen met de remklauwmethode toen er meer dan 8 mm ijs was (figuur 2). Dit verschil is te wijten aan de aanwezigheid van ijspegels, die zich vormen als ijs zich ophoopt, en wordt effectiever opgevangen met de watervolumemethode. Wanneer de ijsversnelling minder dan 8 mm bedroeg, waren de metingen van de watervolumemethode iets minder dan metingen van de remklauwmethode, die wordt toegeschreven aan de ijsdichtheid. We berekenden de ijsdikte met de watervolumemethode aan de hand van de dichtheid van glazuurijs (0,92 g/cm3); het ijs in de behandeling had echter luchtbellen en had waarschijnlijk een dichtheid minder dan deze theoretische waarde.

Totale spuittijden (uren/slang) gemiddeld 2 h 20 min voor de lage, 4 h 50 min voor het midden, en 8 uur voor de hoge ijsbehandelingen. De werkelijke tijd besteed aan het spuiten in het veld was ongeveer de helft van deze totale tijden, omdat twee slangen werden gelijktijdig gebruikt voor het spuiten van elk perceel. Er was een significant positief verband tussen de sproeitijd en de ijsversnelling gemeten met de watervolumemethode (R2 = 0,46 ; p = 0,03; Figuur 3 bis) en de remklauwmethode (R2 = 0,56; p = 0,01). De gemiddelde ijsinvloed varieerde van 1,4 tot 4,2 mm/h over percelen. Er was een marginaal significant omgekeerd verband tussen luchttemperatuur en ijsversnelling gemeten met de watervolumemethode (R2 = 0,40; p = 0,05; Figuur 3b) en geen significante relatie met de remklauwmethode (R2 = 0,15; p = 0,27).

In de zomers vóór (2015) en na de toepassing van ijs (2016) werden in de zomers snelle beoordelingen van de bewolking beoordeeld. Gegevens werden niet verzameld in het tweede jaar na de behandeling (2017); daarom werd de midx2-behandeling pas beoordeeld nadat deze in eerste instantie was bespoten. Een oculaire buis werd gebruikt om de aanwezigheid of afwezigheid van overkapping direct overhead langs transecten in de percelen33te registreren. Hoewel deze methode effectief is bij het schatten van luifelbedekking, vereist het intensieve bemonstering, wat tijdrovend en kostbaar kan zijn. Metingen op de grond met een groter gezichtsveld, zoals canopy densiometers34, bieden een maat voor de sluiting van de overkapping en vereisen minder bemonstering en hebben een lagere stand-level variabiliteit35,36. Er moet echter voor worden gezorgd dat de gezichtshoek vegetatie buiten het behandelde perceel niet vastlegt.

Canopy cover gegevens werden geanalyseerd met behulp van een gegeneraliseerde lineaire gemengde model met een binomiale distributie. IJsbehandeling werd opgenomen als een vast effect en plot als een willekeurig effect. De resultaten toonden geen significante verschillen tussen de 10 percelen in pre-behandelingsenquêtes(figuur 4A),terwijl na behandelingsenquêtes wijzen op aanzienlijke dalingen van de bewolking in het midden, midx2 en hoge ijsbehandelingen ten opzichte van de controle(figuur 4B). Deze algemene dalingen in overkapping met toenemende ondersteuning van ijstoeval zijn het resultaat van een strengere analyse door Fahey et al.37 die significante structurele veranderingen in de boskap vertoonden die in verhouding stonden tot de hoeveelheid toegepaste ijs.

De effecten van de gesimuleerde ijsstormen op de bodemtemperaturen op het oppervlak werden geëvalueerd tijdens de bemonstering in augustus 2017 (d.w.z. twee groeiseizoenen nadat alle percelen één keer waren bevroren en het groeiseizoen na de midx2-percelen twee keer was bevroren). De metingen werden gedaan in de middag tussen 12:30 uur en 14:00 uur. De bodemtemperaturen werden handmatig gemeten met Oakton bodemtemperatuur sondes (0,5 °C nauwkeurigheid) die werden ingevoegd in de grond op 2 cm en 5 cm diepten. Metingen werden gedaan op een raster van 2,5 m tegelijk in een behandelperceel en gekoppeld controleperceel. Er werden geen metingen verricht in de lage behandelingspercelen, omdat ze minimale effecten van ijs op de vegetatie vertoonden. Uit de bodemtemperatuurresultaten bleek dat de bodems in de behandelde percelen aanzienlijk warmer waren dan de controlepercelen op beide diepten (2 cm en 5 cm) voor alle drie de geëvalueerde niveaus (midden, midden, middenx2, hoog; Figuur 5A,B). De temperaturen waren iets warmer in de ondiepere bodem in vergelijking met diepere bodem, en de effecten van de behandeling waren groter. De behandelde percelen waren 0,4–1,5 °C warmer dan de bedieningselementen voor de 2 cm diepte en 0,2 tot 0,5 °C warmer voor de 5 cm diepte. De behandelingen openden duidelijk de bosluifel, die meer licht veroorzaakte om de bosbodem te bereiken, resulterend in hogere grondtemperaturen.

Figure 1
Figuur 1: Passieve ijscollector voor het meten van radiale ijsversnelling. (A) Uitzicht op de ijscollector in de bosluifel vóór de ijstoepassing. (B) Het maken van remklauw metingen van ijs accretie op de verzamelaars na het verlagen van hen naar beneden van de luifel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Vergelijking van twee methoden voor het meten van radiale ijsversnelling. De remklauwmethode omvat metingen van ijs op deuvels. De watervolumemethode omvat het meten van het volume van smeltwater uit de deuvels en het berekenen van de radiale ijsdikte met behulp van een veronderstelde ijsdichtheid. Er worden drie doelijsaangroeiingsniveaus weergegeven (laag = 6,4 mm, midden = 12,7 mm, hoog = 19 mm) en de stippellijn is de 1:1-lijn. Elk punt vertegenwoordigt één passieve ijscollector en is het gemiddelde van zes metingen op elk van de zes componentenarmen (d.w.z. 36 metingen per collector). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Tarieven van ijsversnelling. (A) De relatie tussen spuittijd en totale ijsversnelling. (B) Het verband tussen de gemiddelde luchttemperatuur tijdens de toepassing en de snelheid van ijsversnelling. Er worden drie doelijsaangroeiingsniveaus weergegeven (laag = 6,4 mm, midden = 12,7 mm, hoog = 19 mm). De getoonde ijsaanpassingswaarden werden bepaald met de watervolumemethode. Elk punt vertegenwoordigt een perceel, met verschillende punten voor elk jaar van de midx2 behandeling. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Luifelbedekking geschat met oculaire buizen. (A) Voorbehandeling kappen voor de verschillende ijsbehandelingen. (B) Canopy cover waarden verkregen tijdens het eerste groeiseizoen na het aanbrengen van ijs. Gegevens werden geanalyseerd met behulp van een gegeneraliseerd lineair gemengd model met een binomiale verdeling. De foutbalken geven het betrouwbaarheidsinterval van 95% aan en kleine letters vertegenwoordigen significante verschillen bij α = 0,05. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: IJsbehandelingseffecten op de bodemtemperatuur. (A) Bodemtemperatuur gemeten op 2 cm diepte. (B) Bodemtemperatuur gemeten op 5 cm diepte. Gegevens werden geanalyseerd met behulp van een algemeen lineair model. De foutbalken geven het betrouwbaarheidsinterval van 95% aan en de sterretjes wijzen op significante verschillen tussen de controle en de behandeling bij α = 0,05. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Methode Lage Midden Midden x 2 y1 Midden x 2 y2 Hoge
Doel 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Watervolume 5.7 (0.2)c 8,5 (1,3)bc 14.6 (2.2)a 13.2 (0.1)ab 16.4 (1.1)a
Remklauw 6.3 (0.3)c 8,4 (1,1)bc 11.0 (1.6)ab 11.3 (0.2)ab 13.3 (1.2)a

Tabel 1: Doelijsaanbrelingen in vergelijking met werkelijke waarden gemeten op passieve collectoren met behulp van zowel het watervolume als de remklauwmethoden. De units zijn millimeter en de standaardfout wordt tussen haakjes aangegeven. Superscriptletters geven significante verschillen aan tussen behandelingen zoals bepaald met een gegeneraliseerd lineair gemengd model.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het is van cruciaal belang om experimentele simulaties van ijsstormen uit te voeren onder de juiste weersomstandigheden om hun succes te garanderen. In een eerdere studie30, vonden we dat de optimale omstandigheden voor het spuiten zijn wanneer de luchttemperaturen lager zijn dan -4 °C en windsnelheden zijn minder dan 5 m / s. Natuurijs stormen meestal optreden wanneer luchttemperaturen zijn iets minder dan het vriespunt (-1 tot 0 °C), en hoewel de ideale temperaturen voor ijsstorm simulaties zijn kouder, ze zijn nog steeds binnen het temperatuurbereik van waargenomen ijzel gebeurtenissen -15 tot 0 °C16. Omdat aanhoudende temperaturen onder het vriespunt vereist zijn, is deze experimentele benadering beperkt tot meer noordelijke locaties en kan het een uitdaging zijn om zelfs op relatief koude locaties zoals het Hubbard Brook Experimental Forest te presteren, waar de gemiddelde maandelijkse lage luchttemperatuur -9 °C is in januari, maar regelmatig boven het vriespunt fluctueert. Spuiten 's nachts kan voordelig zijn, omdat het is wanneer de luchttemperaturen zijn meestal koudste, en effecten van zonnestraling zijn te verwaarlozen.

Er zijn verschillende uitdagingen met ijsstorm simulatie experimenten. In bossen met hoge luifels kan het moeilijk zijn om de toppen van bomen te besproeien. Veel factoren beïnvloeden de hoogte van de spray, waaronder de pompsnelheid en de afstand tussen de waterbron en het toepassingsgebied. Aangezien de bespoteningsberekeningen complex en specifiek zijn voor de gebruikte locatie en apparatuur, is het handig om spuittests uit te voeren voor het experiment, zodat passende aanpassingen kunnen worden aangebracht. Een andere uitdaging is het bepalen wanneer te stoppen met spuiten, omdat metingen van ijsdikte zijn moeilijk te verkrijgen tijdens de simulatie. Passieve ijscollectoren kunnen hiervoor worden gebruikt, maar vereisen stevige takken binnen de percelen voor ondersteuning. Verschillende van de verzamelaars die we installeerden waren beschadigd of viel tijdens het experiment. Voor de veiligheid plaatsten we de verzamelaars dicht bij de rand van de percelen om te voorkomen dat we het experimentele gebied moeten betreden, wat kan hebben bijgedragen aan de onderschatting van ijsversnelling op sommige percelen(tabel 1). Het kan tijdrovend en moeilijk zijn om verzamelaars te verlagen en metingen te doen tijdens de toepassing. Metingen op de grond kunnen daarbij helpen, maar vertegenwoordigen misschien niet het beste ijsversnelling in de bovenste luifel. De dichtheid van ijs in de simulatie van de ijsstorm was enigszins minder dan ijs dat zich vormt tijdens een natuurijsstorm. Dit verschil werd ondersteund door ijsmetingen op verzamelaars en was visueel duidelijk, omdat het ijs ondoorzichtiger was dan het glazuurijs dat zich vormt in natuurlijke stormen. Ondanks deze verschillen in ijsdichtheid, resulteerde de gesimuleerde ijsstorm in een storing die diffuus was en ervoor zorgde dat bomen en ledematen buigen en breken, net als een natuurijsstorm. Dus, deze methode meer spiegels ijs storm effecten in vergelijking met andere potentiële methoden, zoals schieten, omgorden, snoeien of het trekken van bomen.

Hoewel de percelen voor een manipulatief experiment (20 m x 30 m) relatief groot waren, zou het vergroten van de omvang van de percelen de invloed van onaangetaste bomen buiten de percelen verminderen. Zelfs met een buffer kunnen hoge bomen rondom de percelen mogelijk invloed hebben op reacties zoals zwerfafval, lichtbeschikbaarheid en bodemtemperatuur. Bovendien bevatten de percelen ongetwijfeld wortels van buiten de grens die ondergrondse processen hadden kunnen veranderen. Microbiële biomassa en activiteit, bodemstikstof, stikstofminerisatie en nitrificatie, en verliezen van oplosmiddel in bodemwater vertoonden allemaal geen significante effecten van ijstoepassingen38 ondanks grote bovengrondse verstoring37. Het gebrek aan ondergrondse respons was onverwacht, vooral voor nitraatuitspoeling, waarvan bleek dat het gevoelig was voor ijsstormverstoring na de natuurijsstorm die Hubbard Brook in 1998 beïnvloedde. Grote verliezen van nitraat in bodemoplossing werden waargenomen na die storm en toegeschreven aan verminderde opname als gevolg van beschadigde boomkronen39. Het gebrek aan stikstofrespons in de ijsstormsimulatie zou het gevolg kunnen zijn van wortelopname van gezonde bomen buiten de percelen; de schade en de gaten in de luifel waren echter groot genoeg om enige respons te verwachten. Een meer waarschijnlijke verklaring voor het gebrek aan ondergrondse respons is de langdurige daling van de beschikbare stikstof die op de locatie is waargenomen , wat resulteert in een algehele aanscherping van de stikstofcyclus, met minimale nitraatuitloging38,40.

De ijsstorm simulatie methode is succesvol gebleken in het noordelijke hardhout bos in het Hubbard Brook Experimental Forest en heeft geholpen om ecosysteemreacties te kwantificeren en kritische drempels37,38te identificeren . In toekomstige studies zou het nuttig zijn om deze aanpak toe te passen in andere bossoorten en onder verschillende omstandigheden. Zo kan de impact van wind op met ijs beladen bomen de effecten versterken en is het nog niet geëvalueerd in een gecontroleerd experiment. Bovendien biedt deze methode een ideale gelegenheid om effecten te kwantificeren van samengestelde stressoren die gebruikelijk zijn in bosecosystemen (bijvoorbeeld insectenuitbraken, ziekteverwekkers, droogte, verontreinigende stoffen, bevriezing van de bodem). De toepassing van deze methode in een multifactorieel ontwerp zou een statistisch rigoureuze aanpak mogelijk maken om interactieve effecten te evalueren die niet zouden ontstaan door alleen de effecten van ijsstormen te beoordelen en meer op natuurlijk voorkomende omstandigheden te lijken. Hoewel we de antwoorden pas in de eerste paar jaar na de aanvragen hebben beoordeeld, zal het nuttig zijn om de achteruitgang of het herstel van bossen op de lange termijn te volgen. Hoewel de focus van onze ijsstormsimulaties voornamelijk op bosecosystemen lag, kan de methode op andere manieren worden toegepast, zoals het evalueren van de effecten van ijsbelastingen op nutsleidingen en andere infrastructuur. Ondanks enkele beperkingen is de aanpak zeer effectief in het simuleren van natuurijsstormen en is het een verbetering ten opzichte van alternatieve methoden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen. Verwijzingen hierin naar specifieke commerciële producten, processen of diensten op handelsnaam, handelsmerk, fabrikant, of anderszins, niet noodzakelijkerwijs vormen of impliceren de goedkeuring, aanbeveling, of begunstiging door de Regering van de Verenigde Staten. De meningen en meningen van auteurs die hierin worden geuit, geven niet noodzakelijkerwijs die van de regering van de Verenigde Staten aan en mogen niet worden gebruikt voor reclame- of productgoedkeuringsdoeleinden.

Acknowledgments

De financiering van dit onderzoek werd verstrekt door de National Science Foundation (DEB-1457675). Wij danken de vele deelnemers aan het Ice Storm Experiment (ISE) die hebben geholpen met de ijstoepassing en bijbehorend veld- en laboratoriumwerk, met name Geoff Schwaner, Gabe Winant en Brendan Leonardi. Dit manuscript is een bijdrage van de Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook maakt deel uit van het Long-Term Ecological Research (LTER) netwerk, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation (DEB-1633026). Het Hubbard Brook Experimental Forest wordt beheerd en onderhouden door de USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video en beelden zijn van Jim Surette en Joe Klementovich, met dank aan de 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

Deze maand in JoVE klimaatverandering verstoring ecosysteem ecologie extreme gebeurtenis bos ijzel Hubbard Brook Experimental Forest ijsstorm neerslag
Het simuleren van effecten van ijsstormen op bosecosystemen
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