Waiting
Login processing...

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

Environment

Simulere virkningene av isstormer på skogsøkosystemer

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

Isstormer er viktige værhendelser som er utfordrende å studere på grunn av vanskeligheter med å forutsi deres forekomst. Her beskriver vi en ny metode for å simulere isstormer som innebærer å sprøyte vann over en skogseil under underfrysende forhold.

Abstract

Isstormer kan ha dype og varige effekter på strukturen og funksjonen til skogøkosystemer i regioner som opplever fryseforhold. Nåværende modeller tyder på at hyppigheten og intensiteten av isstormer kan øke i løpet av de kommende tiårene som svar på endringer i klimaet, noe som øker interessen for å forstå deres konsekvenser. På grunn av isstormens stokastiske natur og vanskeligheter med å forutsi når og hvor de vil skje, har de fleste tidligere undersøkelser av de økologiske effektene av isstormer vært basert på case-studier etter store stormer. Siden intense isstormer er svært sjeldne hendelser, er det upraktisk å studere dem ved å vente på deres naturlige forekomst. Her presenterer vi en ny alternativ eksperimentell tilnærming, som involverer simulering av glasurishendelser på skogtomter under feltforhold. Med denne metoden pumpes vann fra en bekk eller innsjø og sprøytes over skogsseilet når lufttemperaturen er under frysepunktet. Vannet regner ned og fryser ved kontakt med kalde overflater. Etter hvert som isen samler seg på trær, bøyer og brekker bolene og grenene; som kan kvantifiseres gjennom sammenligninger med ubehandlede referansestativer. Den eksperimentelle tilnærmingen som er beskrevet er en fordel fordi den gir kontroll over timingen og mengden is som påføres. Å skape isstormer med forskjellig frekvens og intensitet gjør det mulig å identifisere kritiske økologiske terskler som er nødvendige for å forutsi og forberede seg på isstormeffekter.

Introduction

Isstormer er en viktig naturlig forstyrrelse som kan ha både kortsiktige og langsiktige konsekvenser for miljøet og samfunnet. Intense isstormer er problematiske fordi de skader trær og avlinger, forstyrrer verktøy og svekker veier og annen infrastruktur1,,2. De farlige forholdene som isstormer skaper kan føre til ulykker som resulterer i skader og dødsfall2. Isstormer er kostbare; økonomiske tap gjennomsnitt $ 313 millioner per år i USA (US)3, med noen individuelle stormer overstiger $ 1 milliard4. I skogøkosystemer kan isstormer få negative konsekvenser, inkludert redusert vekst og tredødelighet5,6,7, økt risiko for brann og spredning av og patogener8,9,10. De kan også ha positive effekter på skoger, som økt vekst av overlevende trær5 og økt biologisk mangfold11. Å forbedre vår evne til å forutsi konsekvenser fra isstormer vil gjøre oss i stand til bedre å forberede oss på og svare på disse hendelsene.

Isstormer oppstår når et lag med fuktig luft, som er over frysepunktet, overstyrer et lag med underfrysende luft nærmere bakken. Regn som faller fra det varmere laget av luft supercools som det passerer gjennom det kalde laget, danner glasur is når deponert på sub-frysing overflater. I USA kan denne termiske stratifiseringen skyldes synoptiske værmønstre som er karakteristiske for bestemte regioner12,,13. Iskaldt regn er oftest forårsaket av arktiske fronter som beveger seg sørøstover over USA foran sterke anticyclones13. I noen regioner bidrar topografi til de atmosfæriske forholdene som er nødvendige for isstormer gjennom kald luftdeming, et meteorologisk fenomen som oppstår når varm luft fra en innkommende storm overstyrer kald luft som blir forankret sammen med en fjellkjede14,15.

I USA er isstormer mest vanlig i "isbeltet" som strekker seg fra Maine til vestlige Texas16,17. Isstormer forekommer også i en relativt liten region i Nordvest-Stillehavet, spesielt rundt Columbia Basin i Washington og Oregon. Mye av USA opplever minst noe iskaldt regn, med de største mengdene i nordøst hvor de mest isutsatte områdene har en median på syv eller flere frysende regndager (dager der minst en time observasjon av frysende regn skjedde) årlig16. Mange av disse stormene er relativt små, selv om mer intense isstormer oppstår, om enn med mye lengre tilbakefallsintervaller. For eksempel, i New England, er området i radial istykkelse 19 til 32 mm for stormer med et 50-års gjentakelsesintervall18. Empiriske bevis tyder på at isstormer blir hyppigere på nordlige breddegrader og mindre hyppig i sør19,20,21. Denne trenden forventes å fortsette basert på datasimuleringer ved hjelp av fremtidige klimaprognoser22,,23. Mangelen på data og fysisk forståelse gjør det imidlertid vanskeligere å oppdage og projisere trender i isstormer enn andre typer ekstreme hendelser24.

Siden store isstormer er relativt sjeldne, er de utfordrende å studere. Det er vanskelig å forutsi når og hvor de vil skje, og det er generelt upraktisk å "jage" stormer for forskningsformål. Følgelig har de fleste isstormstudier vært ikke planlagte post hoc-vurderinger som skjer i kjølvannet av store stormer. Denne forskningstilnærmingen er ikke ideell på grunn av manglende evne til å samle inn grunnlinjedata før en storm. I tillegg kan det være vanskelig å finne upåvirkede områder for sammenligning med skadede områder når isstormer dekker et stort geografisk omfang. I stedet for å vente på at naturlige stormer skal skje, kan eksperimentelle tilnærminger gi fordeler fordi de muliggjør nær kontroll over tidspunktet og intensiteten av ising hendelser og tillate passende referanseforhold for å tydelig vurdere effekter.

Eksperimentelle tilnærminger byr også på utfordringer, spesielt i skogkledde økosystemer. Høyden og bredden på trær og baldakinen gjør dem vanskelige å eksperimentelt manipulere, sammenlignet med lavere vekst gressletter eller busker. I tillegg er forstyrrelsen fra isstormer diffus, både vertikalt gjennom skogstaket og over landskapet, noe som er vanskelig å simulere. Vi vet om bare en annen studie som forsøkte å simulere isstormeffekter i et skogøkosystem25. I dette tilfellet ble en rifle brukt til å fjerne opptil 52% av kronen i en loblolly furu stand i Oklahoma. Selv om denne metoden produserte resultater som er karakteristiske for isstormer, er det ikke effektivt å fjerne større grener og ikke føre til at trærne bøyer seg over, noe som er vanlig med naturlige isstormer. Selv om ingen andre eksperimentelle metoder har blitt brukt til å studere isstormer spesielt, er det noen paralleller mellom vår tilnærming og andre typer skogforstyrrelser manipulasjoner. For eksempel har gapdynamikk blitt studert ved å felle individuelle trær26, skog skadedyrinvasjoner ved å girdling trær27, og orkaner ved å beskjære28 eller trekke ned hele trær med vinsj og kabel29. Av disse tilnærmingene etterligner beskjæring tetteste isstormeffekter, men er arbeidskrevende og kostbart. De andre tilnærmingene forårsaker dødelighet av hele trær, i stedet for delvis brudd på lemmer og grener som er typiske for naturlige isstormer.

Protokollen som er beskrevet i dette papiret er nyttig for tett etterligne naturlige isstormer og innebærer å sprøyte vann over skogstaket under underfrysende forhold for å simulere glasur ishendelser. Metoden gir fordeler over andre midler fordi skaden kan fordeles relativt jevnt gjennom skoger over et stort område med mindre innsats enn beskjæring eller nedbeskjæring av hele trær. I tillegg kan mengden is accretion reguleres gjennom volumet av vann som påføres og ved å velge en tid til å sprøyte når værforholdene bidrar til optimal isdannelse. Denne romanen og relativt billig eksperimentell tilnærming muliggjør kontroll over intensiteten og frekvensen av ising, noe som er avgjørende for å identifisere kritiske økologiske terskler i skogøkosystemer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Utvikle eksperimentell design

  1. Bestem intensiteten og frekvensen av ising basert på realistiske verdier.
  2. Bestem størrelsen og formen på plottene.
    1. Hvis målet er å evaluere tresvar, velger du en plottstørrelse som er stor nok til å inkludere flere trær og de fleste av rotsystemene deres, som varierer avhengig av faktorer som treslag og alder.
    2. For sikkerhetshensyn, design tomtene slik at hele tomten området kan sprøytes fra utenfor grensen.
    3. Plass tomter langt nok fra hverandre (f.eks 10 m) slik at en behandling i ett plott ikke påvirker en annen.
    4. Etablere en buffersone (f.eks. 5 m) rundt tomter for å redusere kanteffekter og sikre en jevnere fordeling av isdekningen.
    5. Etablere delplott innenfor de større tomtene for spesifikke utvalgsbehov.
  3. Bestem hvor mange replikere tomter.

2. Velg og opprett et studiested

  1. Velg et homogent skogsstativ med lignende egenskaper, for eksempel treslagsammensetning, jord, litologi og hydrologi.
  2. Velg et sted for programmet i et område der det er tilgang til en vannkilde om vinteren.
  3. Sørg for at tilførselen av vann er tilstrekkelig for ispåføringen basert på pumpehastigheten og andre faktorer som slangens diameter, slangelengde, dyse som brukes og vanntrykk.
  4. Merk grensen for plottene, buffersonen og delplottene.
  5. Gjennomføre en komplett skog inventar med beskrivelser av treet helsemessige forhold inkludert vurderinger av døde, døende og skadede trær. I tillegg registrerer du potensielle stressfaktorer (f.eks. tegn på insektskader eller sykdom) for å bidra til å tolke responsen på isbehandlingen.
  6. Hvis du bruker UTVs til å sprøyte vann, kan du lage farbare stier langs sidene av tomtene mens du er forsiktig med å minimere forstyrrelser.
  7. Når tomtene er etablert, tilfeldig tildele en behandling til hver tomt og type prøvetaking som vil bli utført i hver subplot (f.eks grov treaktig rusk, fint søppel, jordprøver).

3. Tidspunktet for søknaden

  1. Velg et passende tidsvindu for å utføre sprøytingen.
  2. Utfør eksperimentet når værforholdene bidrar (f.eks. når lufttemperaturen er mindre enn -4 °C og vindhastigheten er mindre enn 5 m/s).
  3. Hvis sprøyting om natten, distribuere høyeffekts lys rundt kanten av tomter og kjøre dem på generatorer hvis elektrisitet ikke er tilgjengelig.

4. Sett opp vannforsyningen

  1. Sett opp en forsyningspumpe ved vannkilden og koble til en sugeslange.
  2. Koble en sil til enden av sugeslangen for å holde rusk ute av linjene.
  3. Bryte gjennom overflateis og fullstendig senke silen. Den minste dybden av vannforsyningen bør være ca 20 cm.
  4. Plasser en boosterpumpe i sengen til en UTV for å forbedre vanntrykket. I noen tilfeller kan en boosterpumpe ikke være nødvendig, spesielt for lavvokste vegetasjon.
  5. Kjør en brannslukkingsslange fra tilførselspumpen til boosterpumpen.
  6. Bruk en brannslukkingsmonitor for å muliggjøre sikker manuell kontroll over høytrykksslangen. Skjermen kan stå fritt eller monteres på baksiden av en UTV.
  7. Unngå situasjoner som kan forstyrre vannstrømmen, for eksempel knekk i slangen, vanntrekking ved forsyningskilden og tom for bensin for pumpene.

5. Opprette isen

  1. Lag is ved å sprøyte vann vertikalt gjennom hull i kalesjen. Pass på at vannet strekker seg over høyden på kalesjen slik at det er avsatt vertikalt og fryser ved kontakt med underfrysende overflater. Unngå å strippe grener og bjeffe fra trær som vann sprøytes oppover.
  2. Fordel sprayen jevnt over skogsseilet ved å sakte kjøre UTV frem og tilbake langs kanten av applikasjonsområdet. Hvis frittstående skjermer brukes, flytter du disse manuelt for å sikre at dekningen er jevn.
  3. Hold oversikt over tidspunktet for søknaden for å bidra til å bestemme faktorer som værforhold under påføring og volumet av vann sprayet.

6. Mål isankresjon

  1. Lag bakkebaserte kalipermålinger av radial istykkelse på grener på lavere nivå eller kvister nær kanten av applikasjonsområdet for å overvåke iskromkresjon under påføring og avgjør når måltykkelsen er oppnådd.
  2. Få mer nøyaktige estimater av isansamling med passive issamlere etter påføringen (figur 1).
    1. Før søknaden konstruerer du passive issamlere med to plugger orientert på tre kardinaløker30 for å lage samlere med seks komponentarmer.
    2. Klipp 2,54 cm plugger i en lengde på 30 cm.
    3. Bli med pluggene med en 6-veis stålkontakt.
    4. Bruk en arborist kaste vekt å streng fallskjermledning over solide grener som tåler isbelastningen.
    5. Fest de passive issamlerne til ledningen og løft dem opp i kalesjen.
    6. Når søknaden er fullført, senk samlerne til bakken, vær forsiktig så du ikke mister is fra samleren.
    7. Foreta vertikale og horisontale målinger av istykkelse med kalipere på flere steder på oppsamleren (f.eks. tre vertikale og tre horisontale målinger på tre steder langs hver arm) før og umiddelbart etter ispåføring.
    8. Beregn istykkelsen på hver samler som forskjellen mellom målene før og etter påføringen.
    9. For å bestemme istykkelsen med vannvolummetoden, bruk en stempelsag til å kutte hver plugg.
    10. Ta pluggene til en oppvarmet bygning, legg dem i bøtter, og la isen smelte av ved romtemperatur.
    11. Mål volumet av smeltevann med en gradert sylinder.
    12. Beregn istykkelse basert på vannvolum og tettheten av is31.

7. Sikkerhetshensyn

  1. Hold deg godt utenfor isbehandlingsområdet under sprøyting fordi islaster kan føre til at grener og lemmer bryter og faller.
  2. Bruk hjelmer eller hjelmer for å gi beskyttelse mens isen påføres og under enhver prøvetaking som oppstår i det behandlede området etter påføring.
  3. Bruk en skjerm til å stabilisere slangen under sprøyting.
  4. Kle deg riktig for farlige forhold og underfrysende vær. Bruk lyse, synlige klær. Vær forberedt på å tilbringe lange perioder i våte, kalde forhold ved å bruke regnutstyr og lag med varme klær. Ta med flere endringer av klær, spesielt for personell som er utpekt til å sprøyte.
  5. Hvis du arbeider på et avsidesliggende sted, må du sette opp et midlertidig oppvarmingeltelt utstyrt med en bærbar varmeovn.
  6. La personell ha tilstrekkelig tid til pauser, bytte ut av våte klær og løse problemer som oppstår med utstyr, etc.
  7. Bruk radioer til å kommunisere blant personell under forsøket. Oppretthold kontakt med personell på en basestasjon.
  8. Utvikle en sikkerhetsplan i tilfelle medisinske nødstilfeller. Ha medisinsk personell (f.eks. akuttmedisinske teknikere) og nødutstyr og forsyninger på stedet under forsøket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En isstormsimulering ble utført i en 70\u2012100 år gammel nordlig løvtreskog ved Hubbard Brook Experimental Forest i sentrale New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′ W). Stativhøyden er ca. 20 m og de dominerende treartene i isområdet er amerikansk bøk (Fagus grandifolia), sukkerfrir (Acer saccharum), rød lønn (Acer rubrum) og gul bjørk (Betula alleghaniensis). Ti 20 m x 30 m tomter ble etablert og tilfeldig tildelt en behandling. Mesteparten av prøvetakingen skjedde innenfor en 10 m x 20 m indre tomt for å tillate en 5 m buffer. Den indre tomten ble delt inn i åtte 5 m x 5 m subplots utpekt for ulike typer prøvetaking. Det var to replikere tomter for hver av fem behandlinger, som besto av en kontroll (ingen is) og tre målnivåer av radial isakkresjon: lav (6,4 mm), mid (12,7 mm) og høy (19,0 mm). To av de mellomnivå behandlingsplottene (midx2) ble iset i back-to-back år for å evaluere virkningene av påfølgende stormer. Sprøytingen skjedde i løpet av vintrene i 2016 (18. januar 27\u201228 og 11. februar) og 2017 (14. januar). Vann ble pumpet fra hovedgrenen av Hubbard Brook, som var dekket av is og hadde bekketemperaturer nær frysepunktet. Overflatelufttemperaturen på tidspunktet for applikasjonene varierte fra -13 til -4 °C og vindhastigheten var mindre enn 2 m/s.

Isankresjon ble målt på passive issamlere (fire per tomt) ved hjelp av både kaliper- og vannvolummetodene som beskrevet ovenfor (protokollseksjon 6; Figur 1). Gjennomsnittlig istykkelse var mindre enn målverdiene i mellom- og høyisbehandlinger (henholdsvis 4,3 mm og 5,8 mm mindre). Istykkelsen i de lave, midx2 y1- og midx2 y2-behandlingene var innenfor 2 mm fra målverdiene (Tabell 1). Til tross for noen forskjeller fra målverdier, ga behandlingene en rekke radiale istykkelser (0\u201216,4 mm) for vurdering av økosystemeffekter. Dette området var sammenlignbart med 0\u201214.4 mm radial is registrert på Hubbard Brook Experimental Forest etter isstormen i 199832. Gjennomsnittlig isankresjon på individuelle samlere indikerte en sterk positiv sammenheng mellom kaliper og vannvolummålingsmetoder (R2 = 0,95; p < 0,01; Figur 2). Målinger ved hjelp av vannvolummetoden overgikk målinger med kalipermetoden når det var mer enn ca. 8 mm is (figur 2). Denne forskjellen skyldes tilstedeværelsen av istapper, som dannes som is akkumuleres, og fanges mer effektivt med vannvolummetoden. Når isen var mindre enn 8 mm, var målinger fra vannvolummetoden litt mindre enn målinger fra kalippermetoden, som tilskrives tettheten av is. Vi beregnet istykkelse med vannvolummetoden ved hjelp av tettheten av glasuris (0,92 g/cm3); Imidlertid hadde isen i behandlingen luftbobler og hadde sannsynligvis en tetthet mindre enn denne teoretiske verdien.

Totalt antall spraytider (timer/slange) i gjennomsnitt 2 t 20 min for lav, 4 t 50 min for midten, og 8 timer for de høye isbehandlinger. Den faktiske tiden som ble brukt til sprøyting i feltet var omtrent halvparten av disse totale tidene, siden to slanger ble brukt samtidig for sprøyting av hver tomt. Det var en betydelig positiv sammenheng mellom sprøytetid og isakkresjon målt med vannvolummetoden (R2 = 0,46 ; p = 0,03; Figur 3a) og kalipermetoden (R2 = 0,56; p = 0,01). Gjennomsnittlig ispris var fra 1,4 til 4,2 mm/t på tvers av tomter. Det var et marginalt signifikant inverst forhold mellom lufttemperatur og isankresjon målt med vannvolummetoden (R2 = 0,40; p = 0,05; Figur 3b) og ingen signifikant forhold til kalipermetoden (R2 = 0,15; p = 0,27).

Det ble gjort raske vurderinger av baldakindekke om sommeren før (2015) og etter at is ble påført (2016). Data ble ikke samlet inn i det andre året etter behandling (2017); Midx2-behandlingen ble derfor først vurdert etter at den først hadde blitt sprayet. Et okulært rør ble brukt til å registrere tilstedeværelse eller fravær av baldakindeksel direkte overhead langs transects i tomtene33. Selv om denne metoden er effektiv til å estimere baldakindeksel, krever det intensiv prøvetaking, noe som kan være tidkrevende og kostbart. Bakkebaserte målinger med et større synsområde, for eksempel baldakintetthet34,gir et mål på baldakinlukking og krever mindre prøvetaking og har lavere variasjon påstativnivå 35,36. Det må imidlertid utvises forsiktighet for å sikre at utsiktsvinkelen ikke fanger opp vegetasjon utenfor den behandlede tomten.

Kalesjedekkedata ble analysert ved hjelp av en generalisert lineær blandet modell med en binomial distribusjon. Isbehandling ble inkludert som en fast effekt og plott som en tilfeldig effekt. Resultatene viste ingen signifikante forskjeller mellom de 10 tomtene i pre-behandlingsundersøkelser (figur 4A), mens undersøkelser etter behandling indikerer signifikant reduksjon i baldakindekning i midten, midx2 og høye isbehandlinger i forhold til kontrollen (Figur 4B). Disse generelle nedgangene i baldakindekke med økende isakkresjonsstøtte skyldes en strengere analyse av Fahey et al.37 som viste betydelige strukturelle endringer i skogstaket som var i samsvar med mengden is som ble påført.

Effektene av de simulerte isstormene på overflatejordtemperaturer ble evaluert under prøvetaking i august 2017 (dvs. to vekstsesonger etter at alle tomtene hadde blitt iset en gang, og vekstsesongen etter midx2-tomtene hadde blitt iset to ganger). Målingene ble gjort på ettermiddagen mellom 12:30 og 14:00. Jordtemperaturer ble målt manuelt med Oakton jordtemperaturprober (0,5 ° C nøyaktighet) som ble satt inn i bakken på 2 cm og 5 cm dybder. Målinger ble gjort på et 2,5 m rutenett samtidig i en behandlingstomt og paret kontrollplott. Ingen målinger ble gjort i de lave behandlingsplottene siden de viste minimale virkninger av is på vegetasjon. Jordtemperaturresultater viste at jordsmonnet i de behandlede tomtene var betydelig varmere enn kontrollplottene på begge dypene (2 cm og 5 cm) for alle tre nivåer som ble evaluert (midten, midx2, høy; Figur 5A,B). Temperaturene var litt varmere i grunnere jord sammenlignet med dypere jord, og effekten av behandlingen var større. De behandlede tomtene var 0,4–1,5 °C varmere enn kontrollene for 2 cm dybde og 0,2 til 0,5 °C varmere for 5 cm dybde. Behandlingene åpnet tydelig skogsseilet, noe som førte til mer lys for å nå skogbunnen, noe som resulterte i høyere jordtemperaturer.

Figure 1
Figur 1: Passiv issamler for måling av radial iskvern. (A)Utsikt over issamleren i skogsseilet før ispåføringen. (B)Foreta kalipermålinger av isen på samlerne etter å ha senket dem ned fra kalesjen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Sammenligning av to metoder for måling av radial isakkresjon. Kalipermetoden innebærer målinger av is på plugger. Vannvolummetoden innebærer å måle volumet av smeltevann fra pluggene og beregne radial istykkelse ved hjelp av en antatt istetthet. Tre målis accretion nivåer er vist (lav = 6,4 mm, mid = 12,7 mm, høy = 19 mm) og den stiplede linjen er 1:1 linje. Hvert punkt representerer en passiv issamler og er gjennomsnittet av seks målinger på hver av seks komponentarmer (dvs. 36 målinger per samler). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Priser på isavkrysning. (A)Forholdet mellom sprøytetid og total isakkresjon. (B) Forholdet mellom gjennomsnittlig lufttemperatur under påføring og frekvensen av isakkresjon. Tre målis accretion nivåer er vist (lav = 6,4 mm, mid = 12,7 mm, høy = 19 mm). Viste isoverføringsverdier ble bestemt med vannvolummetoden. Hvert punkt representerer en tomt, med forskjellige punkter for hvert år av midx2-behandlingen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Baldakindeksel beregnet med okulære rør. (A) Pre-behandling baldakin dekke for de ulike isbehandlinger. (B) Baldakin dekker verdier oppnådd i den første vekstsesongen etter at isen ble påført. Data ble analysert ved hjelp av en generalisert lineær blandet modell med en binomial distribusjon. Feilfeltene angir 95 % konfidensintervall og små bokstaver representerer signifikante forskjeller ved α = 0,05. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Isbehandlingseffekter på jordtemperatur. (A) Jordtemperatur målt ved 2 cm dybde. (B) Jordtemperatur målt ved 5 cm dybde. Data ble analysert ved hjelp av en generell lineær modell. Feilfeltene indikerer 95 % konfidensintervallet og stjernene indikerer signifikante forskjeller mellom kontroll og behandling ved α = 0,05. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Metoden Lav Midt Midten x 2 år Midten x 2 y2 Høy
Målet 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Vannvolum 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
Caliper 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

Tabell 1: Målisavsetningsverdier sammenlignet med faktiske verdier målt på passive samlere ved hjelp av både vannvolum og kalipermetoder. Enhetene er millimeter og standardfeilen er angitt i parentes. Hevet skrift bokstaver indikerer betydelige forskjeller mellom behandlinger som bestemmes med en generalisert lineær blandet modell.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det er avgjørende å utføre eksperimentelle simuleringer av isstormer under passende værforhold for å sikre deres suksess. I en tidligere studie30fant vi at de optimale forholdene for sprøyting er når lufttemperaturen er under -4 °C og vindhastigheter er mindre enn 5 m/s. Naturlige isstormer forekommer oftest når lufttemperaturen er litt mindre enn frysing (-1 til 0 °C), og selv om de ideelle temperaturene for isstormsimuleringer er kaldere, er de fortsatt innenfor temperaturområdet for observerte frysehendelser -15 til 0°C. Fordi vedvarende temperaturer under frysepunktet er nødvendig, er denne eksperimentelle tilnærmingen begrenset til mer nordlige steder, og kan være utfordrende å utføre selv på relativt kalde steder som Hubbard Brook Experimental Forest, hvor den gjennomsnittlige månedlige lave lufttemperaturen er -9 ° C i januar, men svinger regelmessig over frysepunktet. Sprøyting om natten kan være en fordel siden det er når lufttemperaturer er vanligvis kaldeste, og effekten av solstråling er ubetydelige.

Det er flere utfordringer med isstormsimuleringseksperimenter. I skoger med høye kalesje kan det være vanskelig å sprøyte toppen av trær. Mange faktorer påvirker høyden på sprøyten, inkludert pumpehastigheten og avstanden mellom vannkilden og applikasjonsområdet. Siden sprayhøydeberegninger er komplekse og spesifikke for stedet og utstyret som brukes, er det nyttig å gjennomføre sprøytetester før eksperimentet, slik at passende justeringer kan gjøres. En annen utfordring er å avgjøre når man skal slutte å sprøyte fordi målinger av istykkelse er vanskelig å oppnå under simuleringen. Passive issamlere kan brukes til dette formålet, men krever solide grener innenfor tomtene for støtte. Flere av samlerne vi installerte ble skadet eller falt under eksperimentet. For sikkerhet plasserte vi samlerne nær kanten av tomtene for å unngå å måtte gå inn i det eksperimentelle området, noe som kan ha bidratt til undervurdering av isakkresjon i noen tomter (Tabell 1). Det kan være tidkrevende og vanskelig å senke samlere og gjøre målinger under programmet. Bakkebaserte målinger kan hjelpe i denne forbindelse, men representerer kanskje ikke isankresjon i øvre baldakin. Tettheten av is i isstormsimuleringen var noe mindre enn is som dannes under en naturlig isstorm. Denne forskjellen ble støttet av ismålinger på samlere og var visuelt tydelig, ved at isen var mer ugjennomsiktig enn glasurisen som dannes i naturlige stormer. Til tross for disse forskjellene i istetthet, resulterte den simulerte isstormen i en forstyrrelse som var diffus og forårsaket trær og lemmer å bøye og bryte, mye som en naturlig isstorm. Dermed speiler denne metoden nærmere isstormeffekter sammenlignet med andre potensielle metoder, for eksempel skyting, girdling, beskjæring eller å trekke ned trær.

Selv om tomtene var relativt store for et manipulerende eksperiment (20 m x 30 m), ville det å øke størrelsen på tomtene redusere påvirkningen av upåvirkede trær utenfor tomtene. Selv med en buffer kan høye trær rundt tomtene potensielt påvirke reaksjoner som forsøpling, lystilgjengelighet og jordtemperatur. I tillegg inneholdt plottene utvilsomt røtter fra utenfor grensen som kunne ha endret undergrunnsprosesser. Mikrobiell biomasse og aktivitet, jord nitrogen, nitrogen mineralisering og nitrifisering, og tap av solutes i jordvann alle viste ingen signifikante effekter fra isapplikasjoner38 til tross for store overjordisk forstyrrelse37. Mangelen på respons under bakken var uventet, spesielt for nitratutvasking, som viste seg å være følsom for isstormforstyrrelser etter den naturlige isstormen som påvirket Hubbard Brook i 1998. Store tap av nitrat i jordløsning ble observert etter at stormen og tilskrives redusert opptak på grunn av skadede trekroner39. Mangelen på nitrogenrespons i isstormsimuleringen kan være et resultat av rotopptak fra friske trær utenfor tomtene; Men skadene og hullene i kalesjen var store nok til at noe svar ville forventes. En mer sannsynlig forklaring på mangelen på undergrunnsrespons er de langsiktige nedgangene i tilgjengelig nitrogen som er observert på stedet, noe som resulterer i en generell innstramming av nitrogensyklusen, med minimal nitratutvasking38,40.

Isstormsimuleringsmetoden har vist seg å være vellykket i den nordlige løvskogen ved Hubbard Brook Experimental Forest og har bidratt til å kvantifisere økosystemresponser og identifisere kritisketerskler 37,38. I fremtidige studier vil det være nyttig å anvende denne tilnærmingen i andre skogstyper og under forskjellige forhold. For eksempel kan virkningen av vind på isfylte trær intensivere effekter og har ennå ikke blitt evaluert i et kontrollert eksperiment. I tillegg gir denne metoden en ideell mulighet til å kvantifisere virkninger fra sammensatte stressfaktorer som er vanlige i skogøkosystemer (f.eks. insektutbrudd, patogener, tørke, forurensende stoffer, jordfrysing). Bruk av denne metoden i en multifaktoriell design ville muliggjøre en statistisk streng tilnærming til å evaluere interaktive effekter som ikke ville dukke opp ved å vurdere isstormeffekter alene, og ligner mer på naturlig forekommende forhold. Selv om vi bare har vurdert svar i de første årene etter søknader, vil det være nyttig å spore skognedgang eller utvinning på lang sikt. Mens fokuset på våre isstormsimuleringer først og fremst har vært på skogøkosystemer, kan metoden brukes på andre måter, for eksempel å evaluere virkningene av isbelastninger på kraftledninger og annen infrastruktur. Til tross for noen begrensninger er tilnærmingen svært effektiv til å simulere naturlige isstormer og er en forbedring over alternative metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre. Referanse heri til noen spesifikke kommersielle produkter, prosesser eller tjenester ved handelsnavn, varemerke, produsent, eller på annen måte, utgjør eller innebærer ikke nødvendigvis sin godkjenning, anbefaling eller tjeneste av USAs regjering. Synspunktene og meningene til forfattere uttrykt her er ikke nødvendigvis oppgi eller reflekterer de av USAs regjering, og skal ikke brukes til reklame eller produktpåtegning.

Acknowledgments

Midler til denne forskningen ble gitt av National Science Foundation (DEB-1457675). Vi takker de mange deltakerne i Ice Storm Experiment (ISE) som hjalp til med issøknaden og tilhørende felt- og laboratoriearbeid, spesielt Geoff Schwaner, Gabe Winant og Brendan Leonardi. Dette manuskriptet er et bidrag fra Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook er en del av det langsiktige økologiske forskningsnettverket (LTER), som støttes av National Science Foundation (DEB-1633026). Hubbard Brook Experimental Forest drives og vedlikeholdes av USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video og bilder er av Jim Surette og Joe Klementovich, gjengitt med tillatelse fra 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 måneden i JoVE klimaendringer forstyrrelser økosystemøkologi ekstrem hendelse skog iskaldt regn Hubbard Brook Experimental Forest isstorm nedbør
Simulere virkningene av isstormer på skogsøkosystemer
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