Waiting
Login processing...

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

Environment

Simulazione degli impatti delle tempeste di ghiaccio sugli ecosistemi forestali

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

Le tempeste di ghiaccio sono eventi meteorologici importanti che sono difficili da studiare a causa delle difficoltà nel prevedere il loro verificarsi. Qui, descriviamo un nuovo metodo per simulare tempeste di ghiaccio che comporta l'spruzzo di acqua su un baldacchino della foresta durante le condizioni di sottocongelamento.

Abstract

Le tempeste di ghiaccio possono avere effetti profondi e duraturi sulla struttura e sulla funzione degli ecosistemi forestali nelle regioni che sorprendono condizioni di congelamento. I modelli attuali suggeriscono che la frequenza e l'intensità delle tempeste di ghiaccio potrebbero aumentare nei prossimi decenni in risposta ai cambiamenti climatici, aumentando l'interesse per la comprensione del loro impatto. A causa della natura stocastica delle tempeste di ghiaccio e delle difficoltà nel prevedere quando e dove si verificheranno, la maggior parte delle indagini passate sugli effetti ecologici delle tempeste di ghiaccio si sono basate su studi di casi a seguito di forti tempeste. Poiché le intense tempeste di ghiaccio sono eventi estremamente rari, è poco pratico studiarli in attesa del loro verificarsi naturale. Qui presentiamo un nuovo approccio sperimentale alternativo, che coinvolge la simulazione di eventi di ghiaccio smalto su appezzamenti forestali in condizioni di campo. Con questo metodo, l'acqua viene pompata da un ruscello o da un lago e spruzzata sopra il baldacchino della foresta quando le temperature dell'aria sono al di sotto dello zero. L'acqua piove e congela a contatto con superfici fredde. Mentre il ghiaccio si accumula sugli alberi, i boli e i rami si piegano e si rompono; che possono essere quantificati attraverso confronti con supporti di riferimento non trattati. L'approccio sperimentale descritto è vantaggioso perché consente il controllo sulla tempistica e la quantità di ghiaccio applicato. La creazione di tempeste di ghiaccio di diversa frequenza e intensità consente di identificare le soglie ecologiche critiche necessarie per prevedere e preparare gli impatti delle tempeste di ghiaccio.

Introduction

Le tempeste di ghiaccio sono un importante disturbo naturale che può avere un impatto sia a breve che a lungo termine sull'ambiente e sulla società. Le intense tempeste di ghiaccio sono problematiche perché danneggiano alberi e colture, interrompono le utenze e danneggiano le strade e altre infrastrutture1,,2. Le condizioni pericolose che le tempeste di ghiaccio creano possono causare incidenti con conseguenti lesioni e morti2. Le tempeste di ghiaccio sono costose; perdite finanziarie in media 313 milioni di dollari all'anno negli Stati Uniti (USA)3, con alcune tempeste individuali superiori a 1 miliardo di dollari4. Negli ecosistemi forestali, le tempeste di ghiaccio possono avere conseguenze negative, tra cui la riduzione della crescita e la mortalità degli alberi5,6,7, aumento del rischio di incendio e la proliferazione di parassiti e patogeni8,9,10. Possono anche avere effetti positivi sulle foreste, come una maggiore crescita degli alberi sopravvissuti5 e una maggiore biodiversità11. Migliorare la nostra capacità di prevedere gli impatti delle tempeste di ghiaccio ci permetterà di prepararci e rispondere meglio a questi eventi.

Le tempeste di ghiaccio si verificano quando uno strato di aria umida, che è al di sopra del congelamento, prevale su uno strato di aria sottogelante più vicina al suolo. La pioggia che cade dallo strato più caldo di aria supercools come passa attraverso lo strato freddo, formando ghiaccio smalto quando depositato su superfici sub-congelamento. Negli Stati Uniti, questa stratificazione termica può derivare da modelli meteorologici sinottici che sono caratteristici di regioni specifiche12,13. Il congelamento della pioggia è più comunemente causato dai fronti artici che si muovono verso sud-est attraverso gli Stati Uniti davanti ai forti anticicloni13. In alcune regioni, la topografia contribuisce alle condizioni atmosferiche necessarie per le tempeste di ghiaccio attraverso la diga dell'aria fredda, un fenomeno meteorologico che si verifica quando l'aria calda di una tempesta in arrivo prevale sull'aria fredda che si radica lungo una catena montuosa14,15.

Negli Stati Uniti, le tempeste di ghiaccio sono più comuni nella "cintura di ghiaccio" che si estende dal Maine al Texas occidentale16,17. Tempeste di ghiaccio si verificano anche in una regione relativamente piccola del Pacifico nord-occidentale, specialmente intorno al bacino del fiume Columbia di Washington e Oregon. Gran parte degli Stati Uniti sperimenta almeno qualche pioggia gelida, con la maggior quantità nel nord-est dove la maggior parte delle aree soggette a ghiaccio hanno una mediana di sette o più giorni di pioggia gelata (giorni durante i quali si è verificata almeno un'osservazione oraria della pioggia gelata) ogni anno16. Molte di queste tempeste sono relativamente minori, anche se si verificano tempeste di ghiaccio più intense, anche se con intervalli di recidiva molto più lunghi. Ad esempio, nel New England, l'intervallo nello spessore del ghiaccio radiale è compreso tra 19 e 32 mm per le tempeste con un intervallo di ricorrenza di 50 anni18. Le prove empiriche indicano che le tempeste di ghiaccio stanno diventando più frequenti alle latitudini settentrionali e meno frequenti a sud19,20,21. Questa tendenza dovrebbe continuare sulla base di simulazioni al computer utilizzando le future proiezioni sui cambiamenti climatici22,23. Tuttavia, la mancanza di dati e la comprensione fisica rendono più difficile individuare e proiettare le tendenze nelle tempeste di ghiaccio rispetto ad altri tipi di eventi estremi24.

Poiché le grandi tempeste di ghiaccio sono relativamente rare, sono difficili da studiare. È difficile prevedere quando e dove si verificheranno, ed è generalmente impraticabile "inseguire" le tempeste per scopi di ricerca. Di conseguenza, la maggior parte degli studi sulle tempeste di ghiaccio sono state valutazioni post-hoc non pianificate che si sono verificate in seguito a grandi tempeste. Questo approccio di ricerca non è ideale a causa dell'incapacità di raccogliere dati di base prima di una tempesta. Inoltre, può essere difficile trovare aree non interessate per il confronto con le aree danneggiate quando le tempeste di ghiaccio coprono una grande estensione geografica. Invece di aspettare che si verifichino tempeste naturali, gli approcci sperimentali possono offrire vantaggi perché consentono uno stretto controllo sulla tempistica e l'intensità degli eventi di ghiaccio e consentono condizioni di riferimento adeguate per valutare chiaramente gli effetti.

Anche gli approcci sperimentali pongono sfide, soprattutto negli ecosistemi forestali. L'altezza e la larghezza degli alberi e del baldacchino li rende difficili da manipolare sperimentalmente, rispetto alle praterie o agli arbusti di bassa statura. Inoltre, il disturbo da tempeste di ghiaccio è diffuso, sia verticalmente attraverso il baldacchino della foresta e attraverso il paesaggio, che è difficile da simulare. Conosciamo solo un altro studio che ha tentato di simulare gli impatti delle tempeste di ghiaccio in un ecosistemaforestale 25. In questo caso, un fucile è stato utilizzato per rimuovere fino al 52% della corona in un chiosco di pino loblolly in Oklahoma. Anche se questo metodo ha prodotto risultati che sono caratteristici delle tempeste di ghiaccio, non è efficace a rimuovere rami più grandi e non causa gli alberi a piegarsi, che è comune con le tempeste di ghiaccio naturali. Anche se non sono stati utilizzati altri metodi sperimentali per studiare specificamente le tempeste di ghiaccio, ci sono alcuni parallelismi tra il nostro approccio e altri tipi di manipolazioni per disturbo forestale. Ad esempio, le dinamiche di gap sono state studiate abbattendo singoli alberi26, invasioni di parassiti forestali da alberi cintura27, e gli uragani da potatura28 o tirando giù interi alberi con un verricello e cavo29. Di questi approcci, la potatura imita più da vicino gli impatti delle tempeste di ghiaccio, ma è laboriosa e costosa. Gli altri approcci causano la mortalità di alberi interi, piuttosto che la rottura parziale di arti e rami che è tipica delle tempeste di ghiaccio naturali.

Il protocollo descritto in questo documento è utile per imitare da vicino le tempeste di ghiaccio naturali e prevede l'spruzzo di acqua sul baldacchino della foresta durante le condizioni di sub-congelamento per simulare gli eventi di ghiaccio smaltato. Il metodo offre vantaggi rispetto ad altri mezzi perché i danni possono essere distribuiti in modo relativamente uniforme in tutte le foreste su una vasta area con meno sforzo rispetto alla potatura o all'abbattimento di alberi interi. Inoltre, la quantità di accrescimento del ghiaccio può essere regolata attraverso il volume di acqua applicata e selezionando un tempo per spruzzare quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli per la formazione ottimale del ghiaccio. Questo nuovo e relativamente poco costoso approccio sperimentale consente di controllare l'intensità e la frequenza della formazione di ghiaccio, che è essenziale per identificare le soglie ecologiche critiche negli ecosistemi forestali.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Sviluppare il progetto sperimentale

  1. Determinare l'intensità e la frequenza della glassa in base a valori realistici.
  2. Determinare le dimensioni e la forma dei grafici.
    1. Se l'obiettivo è valutare le risposte degli alberi, selezionare una dimensione del tracciato sufficientemente grande da includere più alberi e la maggior parte dei loro sistemi di radici, che varia a seconda di fattori come le specie di alberi e l'età.
    2. Per motivi di sicurezza, progettare i lotti in modo che l'intera area del tracciato possa essere spruzzata dall'esterno del contorno.
    3. Lo spazio trame abbastanza distanti tra loro (ad esempio, 10 m) in modo che un trattamento in un grafico non influisca su un altro.
    4. Stabilire una zona cuscinetto (ad esempio, 5 m) intorno ai terreni per ridurre gli effetti del bordo e garantire una distribuzione più uniforme della copertura del ghiaccio.
    5. Stabilire sottotrame all'interno dei grafici più grandi per esigenze di campionamento specifiche.
  3. Decidere il numero di grafici replicati.

2. Selezionare e stabilire un luogo di studio

  1. Selezionare un supporto forestale omogeneo con caratteristiche simili, come la composizione delle specie arboree, terreni, litologia e idrologia.
  2. Selezionare una posizione per l'applicazione in un'area in cui è possibile accedere a una fonte d'acqua durante l'inverno.
  3. Assicurarsi che l'approvvigionamento idrico sia adeguato per l'applicazione del ghiaccio in base al tasso di pompaggio e ad altri fattori quali il diametro del tubo flessibile, la lunghezza del tubo, l'ugello utilizzato e la pressione dell'acqua.
  4. Contrassegnare il limite dei grafici, della zona cuscinetto e delle sottotrame.
  5. Conduci un inventario completo della foresta con descrizioni delle condizioni di salute degli alberi, incluse le valutazioni degli alberi morti, morenti e danneggiati. Inoltre, registrare eventuali fattori di stress potenziali (ad esempio, prove di danni da insetti o malattie) per aiutare a interpretare la risposta al trattamento del ghiaccio.
  6. Se si utilizzano UTV per spruzzare acqua, creare sentieri percorribili lungo i lati dei lotti, facendo attenzione a ridurre al minimo i disturbi.
  7. Una volta che i lotti sono stabiliti, assegnare casualmente un trattamento a ogni trama e tipo di campionamento che sarà condotto in ogni sottotrama (ad esempio, detriti di legno grossolano, lettiera fine, campioni di suolo).

3. Tempistica dell'applicazione

  1. Selezionare un intervallo di tempo appropriato per eseguire l'irrorazione.
  2. Eseguire l'esperimento quando le condizioni atmosferiche sono favorevoli (ad esempio, quando la temperatura dell'aria è inferiore a -4 gradi centigradi e la velocità del vento è inferiore a 5 m/s).
  3. Se si spruzza di notte, distribuire luci ad alta potenza intorno al bordo dei terreni ed eseguirle sui generatori se l'elettricità non è disponibile.

4. Impostare l'approvvigionamento idrico

  1. Impostare una pompa di alimentazione presso la fonte d'acqua e collegare un tubo di aspirazione.
  2. Collegare un colino alla fine del tubo di aspirazione per tenere i detriti fuori dalle linee.
  3. Sfondare qualsiasi ghiaccio di superficie e sommergere completamente il colino. La profondità minima dell'approvvigionamento idrico deve essere di circa 20 cm.
  4. Posizionare una pompa di richiamo nel letto di un UTV per migliorare la pressione dell'acqua. In alcuni casi, una pompa di richiamo potrebbe non essere necessario, soprattutto per la vegetazione a bassa statura.
  5. Eseguire un tubo antincendio dalla pompa di alimentazione alla pompa di richiamo.
  6. Utilizzare un monitor antincendio per consentire un controllo sicuro e manuale sul tubo ad alta pressione. Il monitor può essere libero in piedi o montato sul retro di un UTV.
  7. Evitare situazioni che possono interrompere il flusso di acqua come pieghe nel tubo, prelievo di acqua alla fonte di alimentazione, e l'esaurimento della benzina per le pompe.

5. Creare il ghiaccio

  1. Creare ghiaccio spruzzando acqua verticalmente attraverso le fessure del baldacchino. Assicurarsi che l'acqua si estenda sopra l'altezza del baldacchino in modo che si depositi verticalmente e si congeli a contatto con superfici sub-congelanti. Evitare di rimuovere rami e corteccia dagli alberi come l'acqua viene spruzzata verso l'alto.
  2. Distribuisci uniformemente lo spray sul baldacchino della foresta guidando lentamente l'UTV avanti e indietro lungo il bordo dell'area di applicazione. Se si utilizzano monitor indipendenti, spostarli manualmente per assicurarsi che la copertura sia uniforme.
  3. Tenere traccia dei tempi dell'applicazione per aiutare a determinare fattori come le condizioni meteorologiche durante l'applicazione e il volume di acqua spruzzata.

6. Misurare l'accrescimento del ghiaccio

  1. Effettuare misurazioni di calibro a terra dello spessore del ghiaccio radiale su rami o ramoscelli di livello inferiore vicino al bordo dell'area di applicazione per monitorare l'accrescimento del ghiaccio durante l'applicazione e determinare quando lo spessore di destinazione è stato raggiunto.
  2. Ottenere stime più accurate dell'accrescimento del ghiaccio con i raccoglitori di ghiaccio passivi dopo l'applicazione (Figura 1).
    1. Prima dell'applicazione, costruire raccoglitori di ghiaccio passivi con due tasselle orientati su tre assi cardinali30 per creare collettori con sei bracci componenti.
    2. Tagliare 2,54 cm dowels ad una lunghezza di 30 cm.
    3. Unire gli wels con un connettore in acciaio a 6 vie.
    4. Utilizzare un arborista gettare peso per corda cavo paracadute su rami robusti che possono sopportare il carico di ghiaccio.
    5. Attaccare i raccoglitori di ghiaccio passivi al cavo e sollevarli nel baldacchino.
    6. Una volta completata l'applicazione, abbassare i collettori a terra, facendo attenzione a non perdere ghiaccio dal collettore.
    7. Effettuare misurazioni verticali e orizzontali dello spessore del ghiaccio con pinze in più posizioni sul collettore (ad esempio, tre misure verticali e tre orizzontali in tre posizioni lungo ciascun braccio) prima e subito dopo l'applicazione del ghiaccio.
    8. Calcolare lo spessore del ghiaccio su ogni collettore come differenza tra le misurazioni prima e dopo l'applicazione.
    9. Per determinare lo spessore del ghiaccio con il metodo del volume d'acqua, utilizzare una sega reciproca per tagliare ogni wel.
    10. Portare gli orditi in un edificio riscaldato, metterli in secchi e lasciare che il ghiaccio si sciolga a temperatura ambiente.
    11. Misurare il volume dell'acqua di disgelo con un cilindro graduato.
    12. Calcolare lo spessore del ghiaccio in base al volume dell'acqua e alla densità del ghiaccio31.

7. Considerazioni sulla sicurezza

  1. Rimanere ben al di fuori dell'area di trattamento del ghiaccio durante l'irrorazione perché i carichi di ghiaccio possono causare la rottura e la caduta di rami e arti.
  2. Indossare cappelli duri o caschi per fornire protezione durante l'applicazione del ghiaccio e durante qualsiasi campionamento che si verifica nell'area trattata dopo l'applicazione.
  3. Utilizzare un monitor per stabilizzare il tubo durante l'irrorazione.
  4. Vestirsi in modo appropriato per condizioni pericolose e condizioni congelanti. Indossare abiti luminosi e visibili. Preparatevi a trascorrere lunghi periodi in condizioni umide e fredde indossando attrezzi da pioggia e strati di vestiti caldi. Portare più cambi di vestiti, soprattutto per il personale che sono designati per spruzzare.
  5. Se si lavora in una posizione remota, impostare una tenda riscaldante temporanea dotata di un riscaldatore portatile.
  6. Consentire al personale di avere un tempo adeguato per le pause, il cambio di vestiti bagnati, e affrontare i problemi che sorgono con le attrezzature, ecc.
  7. Utilizzare le radio per comunicare tra il personale durante l'esperimento. Mantenere il contatto con il personale di una stazione base.
  8. Sviluppare un piano di sicurezza in caso di emergenze mediche. Disporre di personale medico (ad esempio, tecnici medici di emergenza) e attrezzature e forniture di emergenza in loco durante l'esperimento.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Una simulazione di tempesta di ghiaccio è stata eseguita in una foresta di boscheggi settentrionali di 70-u2012100 anni presso l'Hubbard Brook Experimental Forest nel new hampshire centrale (43'56'56'N', 71'45'W). L'altezza del supporto è di circa 20 m e le specie arboree dominanti nell'area dell'applicazione del ghiaccio sono faggio americano (Fagusfoli grandia), acero di zucchero (Acer saccharum), acero rosso (Acer rubrum) e betulla gialla (Betula alleghaniensis). Sono stati stabiliti dieci appezzamenti di 20 m x 30 m a cui è stato assegnato un trattamento. La maggior parte del campionamento si è verificato all'interno di un grafico interno di 10 m x 20 m per consentire un buffer di 5 m. Il grafico interno è stato diviso in otto sottotrame da 5 m x 5 m designate per diversi tipi di campionamento. C'erano due allevamenti di replica per ciascuno dei cinque trattamenti, che consistevano in un controllo (senza ghiaccio) e tre livelli bersaglio di accrescimento del ghiaccio radiale: basso (6,4 mm), medio (12,7 mm) e alto (19,0 mm). Due degli appezzamenti di trattamento di medio livello (midx2) sono stati ghiacciati negli anni consecutivi per valutare gli impatti delle tempeste consecutive. L'irrorazione si è verificata durante gli inverni del 2016 (18 gennaio, 27,u201228 e 11 febbraio) e 2017 (14 gennaio). L'acqua veniva pompata dal ramo principale di Hubbard Brook, che era coperto di ghiaccio e aveva temperature del flusso quasi gelido. Le temperature dell'aria di superficie al momento delle applicazioni variavano da -13 a -4 gradi centigradi e la velocità del vento era inferiore a 2 m/s.

L'accrescimento del ghiaccio è stato misurato su raccoglitori di ghiaccio passivi (quattro per trama) utilizzando sia i metodi di calibro che i metodi di volume dell'acqua come descritto sopra (sezione protocollo 6; Figura 1). Lo spessore medio del ghiaccio era inferiore ai valori target nei trattamenti di ghiaccio medi e alti (rispettivamente 4,3 e 5,8 mm in meno). Lo spessore del ghiaccio nei trattamenti low, midx2 y1 e midx2 y2 era compreso tra 2 mm dai valori target (Tabella 1). Nonostante alcune differenze rispetto ai valori target, i trattamenti hanno fornito una gamma di spessore del ghiaccio radiale (0,u201216,4 mm) per valutare gli effetti dell'ecosistema. Questa gamma era paragonabile allo 0-u201214.4 mm di ghiaccio radiale registrato presso l'Hubbard Brook Experimental Forest dopo la tempesta di ghiaccio del 199832. L'accrescimento medio del ghiaccio sui singoli collettori ha indicato una forte relazione positiva tra i metodi di misurazione del calibro e del volume dell'acqua (R2 - 0,95; p < 0,01; figura 2). Le misurazioni con il metodo del volume dell'acqua superavano le misurazioni con il metodo della pinza quando c'erano più di 8 mm di ghiaccio (Figura 2). Questa differenza è dovuta alla presenza di ghiaccioli, che si formano quando il ghiaccio si accumula, e viene catturato in modo più efficace con il metodo del volume dell'acqua. Quando l'accrescimento del ghiaccio era inferiore a 8 mm, le misurazioni dal metodo del volume dell'acqua erano leggermente inferiori alle misurazioni del metodo della pinza, che è attribuito alla densità del ghiaccio. Abbiamo calcolato lo spessore del ghiaccio con il metodo del volume dell'acqua utilizzando la densità del ghiaccio smaltato (0,92 g/cm3); tuttavia, il ghiaccio nel trattamento aveva bolle d'aria e probabilmente aveva una densità inferiore a questo valore teorico.

I tempi totali di spruzzo (ore/tubo) hanno una media di 2 h 20 min per il basso, 4 h 50 min per la metà e 8 h per i trattamenti di ghiaccio alto. Il tempo effettivo impiegato per spruzzare sul campo era circa la metà di questi tempi totali, dal momento che due tubi sono stati utilizzati contemporaneamente per spruzzare ogni trama. C'è stata una relazione positiva significativa tra il tempo di spruzzo e l'accrescimento del ghiaccio misurato con il metodo del volume d'acqua (R2 - 0,46 ; p - 0,03; Figura 3a) e il metodo di caliper (R2 - 0,56; p - 0,01). Il tasso medio di accrescimento del ghiaccio variava da 1,4 a 4,2 mm/h su più appezzamenti. C'era una relazione inversa marginalmente significativa tra la temperatura dell'aria e l'accrescimento del ghiaccio misurato con il metodo del volume dell'acqua (R2 - 0,40; p - 0,05; Figura 3b) e nessuna relazione significativa con il metodo di calibro (R2 - 0,15; p - 0,27).

Sono state effettuate valutazioni rapide della copertura del baldacchino durante le estati precedenti (2015) e dopo l'applicazione del ghiaccio (2016). I dati non sono stati raccolti nel secondo anno dopo il trattamento (2017); pertanto, il trattamento midx2 è stato valutato solo dopo che è stato inizialmente spruzzato. Un tubo oculare è stato utilizzato per registrare la presenza o l'assenza di copertura a baldacchino direttamente sopra la testa lungo i transetti nelle trame33. Sebbene questo metodo sia efficace nella stima della copertura del baldacchino, richiede un campionamento intensivo, che può richiedere molto tempo e denaro. Le misurazioni a terra con un'area di vista più ampia, come i densiometri a baldacchino34,forniscono una misura della chiusura del baldacchino e richiedono meno campionamento e hanno una variabilità inferiore del livello di stand35,36. Tuttavia, è necessario prestare attenzione per garantire che l'angolo di visualizzazione non catturi la vegetazione al di fuori del terreno trattato.

I dati di copertura del baldacchino sono stati analizzati utilizzando un modello misto lineare generalizzato con una distribuzione binomiale. Il trattamento del ghiaccio è stato incluso come effetto fisso e trama come effetto casuale. I risultati non hanno mostrato differenze significative tra i 10 appezzamenti nelle indagini pre-trattamento (Figura 4A), mentre le indagini post-trattamento indicano una diminuzione significativa della copertura del baldacchino a metà, metà2 e di trattamenti di ghiaccio elevati rispetto al controllo (Figura 4B). Questi cali generali della copertura del baldacchino con l'aumento del sostegno all'accrescimento del ghiaccio derivano da un'analisi più rigorosa di Fahey et al.37 che ha mostrato significativi cambiamenti strutturali nel baldacchino della foresta che sono stati commisurati alla quantità di ghiaccio applicata.

Gli effetti delle tempeste di ghiaccio simulate sulle temperature del suolo superficiale sono stati valutati durante il campionamento nell'agosto 2017 (cioè due stagioni di crescita dopo che tutti i complotti erano stati ghiacciati una volta e la stagione di crescita dopo che i complotti intermedi era stata ghiacciata due volte). Le misurazioni sono state effettuate nel pomeriggio tra le 12:30 e le 14:00. Le temperature del suolo sono state misurate manualmente con le sonde a temperatura del suolo di Oakton (precisione di 0,5 gradi centigradi) che sono state inserite nel terreno a 2 cm e 5 cm di profondità. Le misurazioni sono state effettuate contemporaneamente su una griglia di 2,5 m in un plot di trattamento e in un grafico di controllo accoppiato. Non sono state effettuate misurazioni nei grafici a basso trattamento poiché hanno mostrato impatti minimi del ghiaccio sulla vegetazione. I risultati della temperatura del suolo hanno mostrato che i suoli nei terreni trattati erano significativamente più caldi dei grafici di controllo a entrambe le profondità (2 cm e 5 cm) per tutti e tre i livelli valutati (medio, metà2, alto; Figura 5A,B). Le temperature erano leggermente più calde nel suolo più basso rispetto al suolo più profondo, e gli effetti del trattamento erano maggiori. Le trame trattate erano da 0,4 a 1,5 gradi centigradi più calde rispetto ai controlli per la profondità di 2 cm e da 0,2 a 0,5 gradi più calde per la profondità di 5 cm. I trattamenti aprirono chiaramente il baldacchino della foresta, che causò più luce per raggiungere il pavimento della foresta, con conseguente aumento delle temperature del suolo.

Figure 1
Figura 1: Raccoglitore passivo di ghiaccio per la misurazione dell'accrescimento radiale del ghiaccio. (A) Vista del raccoglitore di ghiaccio nella foresta baldacchino prima dell'applicazione del ghiaccio. (B) Effettuare misurazioni di pinzadelli di accrescimento di ghiaccio sui collettori dopo averli abbassati dal baldacchino. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Confronto tra due metodi per misurare l'accrescimento radiale del ghiaccio. Il metodo della pinza prevede misurazioni del ghiaccio sugli orditi. Il metodo del volume dell'acqua prevede la misurazione del volume dell'acqua di disgelo dai wels e il calcolo dello spessore radiale del ghiaccio utilizzando una densità di ghiaccio presunta. Vengono mostrati tre livelli di accrescimento del ghiaccio di destinazione (basso di 6,4 mm, metà , 12,7 mm, alto e 19 mm) e la linea tratteggiata è la linea 1:1. Ogni punto rappresenta un collettore passivo di ghiaccio ed è la media di sei misurazioni su ciascuno dei sei bracci componenti (cioè 36 misurazioni per collettore). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Tassi di accrescimento del ghiaccio. (A) Il rapporto tra il tempo di spruzzo e l'accrescimento totale del ghiaccio. (B) Il rapporto tra la temperatura media dell'aria durante l'applicazione e la velocità di accrescimento del ghiaccio. Sono mostrati tre livelli di accrescimento del ghiaccio bersaglio (basso: 6,4 mm, metà, 12,7 mm, alto 19 mm). I valori di accrescimento del ghiaccio mostrati sono stati determinati con il metodo del volume dell'acqua. Ogni punto rappresenta un grafico, con punti diversi per ogni anno del trattamento midx2. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Copertura a baldacchino stimata con tubi oculari. (A) Copertura del baldacchino pre-trattamento per i vari trattamenti di ghiaccio. (B) I valori di copertura della chiopia ottenuti durante la prima stagione di crescita dopo l'applicazione del ghiaccio. I dati sono stati analizzati utilizzando un modello misto lineare generalizzato con una distribuzione binomiale. Le barre di errore indicano l'intervallo di confidenza del 95% e le lettere minuscole rappresentano differenze significative a 0,05. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Effetti del trattamento del ghiaccio sulla temperatura del suolo. (A) Temperatura del suolo misurata a 2 cm di profondità. (B) Temperatura del suolo misurata a 5 cm di profondità. I dati sono stati analizzati utilizzando un modello lineare generale. Le barre di errore indicano l'intervallo di confidenza del 95% e gli asterischi indicano differenze significative tra il controllo e il trattamento a 0,05. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Metodo Basso Metà Metà x 2 y1 Metà x 2 y2 alto
bersaglio 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Volume dell'acqua 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
Pinza 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

Tabella 1: valori di accrescimento del ghiaccio target rispetto ai valori effettivi misurati sui collettori passivi utilizzando sia il volume dell'acqua che i metodi di calibro. Le unità sono millimetri e l'errore standard è indicato tra parentesi. Le lettere in apice indicano differenze significative tra i trattamenti determinati con un modello misto lineare generalizzato.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

È fondamentale eseguire simulazioni sperimentali di tempeste di ghiaccio in condizioni meteorologiche appropriate per garantirne il successo. In uno studio precedente30, abbiamo scoperto che le condizioni ottimali per l'irrorazione sono quando le temperature dell'aria sono inferiori a -4 gradi centigradi e le velocità del vento sono inferiori a 5 m/s. Le tempeste di ghiaccio naturali si verificano più comunemente quando le temperature dell'aria sono leggermente inferiori al congelamento (-1 a 0 gradi centigradi), e anche se le temperature ideali per le simulazioni di tempeste di ghiaccio sono più fredde, sono ancora all'interno della gamma di temperature di eventi di pioggia gelida osservati -15-0 .16 Poiché sono necessarie temperature sotto il congelamento, questo approccio sperimentale è limitato a luoghi più settentrionali e può essere difficile da eseguire anche in luoghi relativamente freddi come la Hubbard Brook Experimental Forest, dove la temperatura media mensile della bassa aria è di -9 gradi centigradi a gennaio, ma fluttua regolarmente sopra lo zero. Spruzzare di notte può essere vantaggioso poiché è quando le temperature dell'aria sono tipicamente più fredde e gli effetti della radiazione solare sono trascurabili.

Ci sono diverse sfide con esperimenti di simulazione di tempesta di ghiaccio. Nelle foreste con alte tettoie, può essere difficile spruzzare le cime degli alberi. Molti fattori influenzano l'altezza dello spruzzo, tra cui la velocità della pompa e la distanza tra la fonte d'acqua e l'area di applicazione. Poiché i calcoli dell'altezza dello spruzzo sono complessi e specifici per il sito e le attrezzature utilizzate, è utile condurre test di irrorazione prima dell'esperimento in modo da poter effettuare le opportune regolazioni. Un'altra sfida consiste nel determinare quando interrompere l'irrorazione perché le misurazioni dello spessore del ghiaccio sono difficili da ottenere durante la simulazione. I raccoglitori di ghiaccio passivi possono essere utilizzati per questo scopo, ma richiedono rami robusti all'interno delle trame per il supporto. Molti dei collezionisti che abbiamo installato sono stati danneggiati o sono caduti durante l'esperimento. Per sicurezza, abbiamo posizionato i collettori vicino al bordo delle trame per evitare di dover entrare nell'area sperimentale, che potrebbe aver contribuito alla sottovalutazione dell'accrescimento del ghiaccio in alcuni appezzamenti (Tabella 1). Può richiedere molto tempo e difficile abbassare i collezionisti ed effettuare misurazioni durante l'applicazione. Le misurazioni a terra possono aiutare a questo proposito, ma potrebbero non rappresentare al meglio l'accrescimento del ghiaccio nel baldacchino superiore. La densità di ghiaccio nella simulazione della tempesta di ghiaccio era un po' inferiore al ghiaccio che si forma durante una tempesta di ghiaccio naturale. Questa differenza era supportata dalle misurazioni del ghiaccio sui collettori ed era visivamente evidente, in quanto il ghiaccio era più opaco del ghiaccio smalto che si forma nelle tempeste naturali. Nonostante queste differenze nella densità del ghiaccio, la tempesta di ghiaccio simulata ha provocato un disturbo diffuso e ha causato la piega e la rottura di alberi e arti, proprio come una tempesta di ghiaccio naturale. Pertanto, questo metodo rispecchia più da vicino gli impatti della tempesta di ghiaccio rispetto ad altri metodi potenziali, come sparare, cintonare, potare o abbattere gli alberi.

Anche se i grafici erano relativamente grandi per un esperimento manipolativo (20 m x 30 m), l'aumento delle dimensioni dei grafici ridurrebbe l'influenza di alberi non interessati al di fuori dei lotti. Anche con un buffer, alberi alti che circondano i lotti potrebbero potenzialmente influenzare le risposte come la lettiera, la disponibilità di luce e la temperatura del suolo. Inoltre, le trame contenevano senza dubbio radici esterne al confine che avrebbero potuto alterare i processi sotterranei. La biomassa e l'attività microbiche, l'azoto del suolo, la mineralizzazione e la nitrificazione dell'azoto e le perdite di soluti nell'acqua del suolo non hanno tutti mostrato effetti significativi delle applicazioni glaciali38 nonostante i principali disturbi fuori terra37. La mancanza di risposta al di sotto del suolo è stata inaspettata, soprattutto per l'lisciviazione dei nitrati, che si è dimostrata sensibile ai disturbi delle tempeste di ghiaccio a seguito della tempesta di ghiaccio naturale che ha colpito Hubbard Brook nel 1998. Sono state osservate grandi perdite di nitrato nella soluzione del suolo a seguito di quella tempesta e attribuite alla riduzione dell'assorbimento a causa delle corone di alberi danneggiati39. La mancanza di risposta dell'azoto nella simulazione della tempesta di ghiaccio potrebbe essere il risultato dell'assorbimento delle radici da alberi sani al di fuori dei terreni; tuttavia, i danni e le lacune nel baldacchino erano abbastanza grandi che ci si aspetterebbe una risposta. Una spiegazione più probabile per la mancanza di risposta sotterranea è il declino a lungo termine dell'azoto disponibile che sono stati osservati nel sito, con conseguente un restringimento generale del ciclo dell'azoto, con minima lisciviazione del nitrato38,40.

Il metodo di simulazione della tempesta di ghiaccio si è dimostrato efficace nella foresta di legni duri settentrionali della foresta sperimentale di Hubbard Brook e ha contribuito a quantificare le risposte dell'ecosistema e identificare le soglie critiche37,38. In studi futuri, sarebbe utile applicare questo approccio in altri tipi di foreste e in condizioni diverse. Ad esempio, l'impatto del vento sugli alberi carichi di ghiaccio potrebbe intensificare gli effetti e non è ancora stato valutato in un esperimento controllato. Inoltre, questo metodo offre un'opportunità ideale per quantificare gli impatti provenienti da fattori di stress composti comuni negli ecosistemi forestali (ad esempio, focolai di insetti, agenti patogeni, siccità, inquinanti, congelamento del suolo). L'applicazione di questo metodo in un progetto multifattoriale consentirebbe un approccio statisticamente rigoroso per valutare gli effetti interattivi che non emergerebbero valutando da solo gli impatti delle tempeste di ghiaccio e assomigliano più da vicino alle condizioni naturali. Anche se abbiamo valutato le risposte solo nei primi anni dopo le applicazioni, sarà utile tenere traccia del declino o del recupero delle foreste nel lungo termine. Mentre l'attenzione delle nostre simulazioni di tempesta di ghiaccio è stata principalmente sugli ecosistemi forestali, il metodo potrebbe essere applicato in altri modi, ad esempio per valutare l'impatto dei carichi di ghiaccio sulle linee di servizio e altre infrastrutture. Nonostante alcune limitazioni, l'approccio è altamente efficace nel simulare tempeste di ghiaccio naturali ed è un miglioramento rispetto ai metodi alternativi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare. Il presente riferimento a qualsiasi prodotto commerciale, processo o servizio specifico per nome commerciale, marchio, produttore o altro, non costituisce necessariamente o implica la sua approvazione, raccomandazione o favore da parte del governo degli Stati Uniti. Le opinioni e le opinioni degli autori qui espresse non indicano necessariamente o riflettono quelle del governo degli Stati Uniti e non devono essere utilizzate a fini pubblicitari o di approvazione dei prodotti.

Acknowledgments

I finanziamenti per questa ricerca sono stati forniti dalla National Science Foundation (DEB-1457675). Ringraziamo i molti partecipanti all'Ice Storm Experiment (ISE) che hanno contribuito con l'applicazione del ghiaccio e il lavoro sul campo e in laboratorio associato, in particolare Geoff Schwaner, Gabe Winant e Brendan Leonardi. Questo manoscritto è un contributo dell'Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook fa parte della rete di ricerca ecologica a lungo termine (LTER), supportata dalla National Science Foundation (DEB-1633026). L'Hubbard Brook Experimental Forest è gestita e gestita dall'USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video e immagini sono di Jim Surette e Joe Klementovich, per gentile concessione della 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

Questo mese in JoVE numero 160 cambiamento climatico disturbo ecologia dell'ecosistema evento estremo foresta pioggia gelida Hubbard Brook Experimental Forest tempesta di ghiaccio precipitazioni
Simulazione degli impatti delle tempeste di ghiaccio sugli ecosistemi forestali
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