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Simuler les impacts des tempêtes de verglas sur les écosystèmes forestiers

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

Les tempêtes de verglas sont des événements météorologiques importants qui sont difficiles à étudier en raison des difficultés à prévoir leur occurrence. Ici, nous décrivons une nouvelle méthode pour simuler des tempêtes de verglas qui consiste à pulvériser de l’eau sur une canopée forestière dans des conditions de sous-congélation.

Abstract

Les tempêtes de verglas peuvent avoir des effets profonds et durables sur la structure et la fonction des écosystèmes forestiers dans les régions qui connaissent des conditions de gel. Les modèles actuels suggèrent que la fréquence et l’intensité des tempêtes de verglas pourraient augmenter au cours des prochaines décennies en réponse aux changements climatiques, ce qui accroîtrait l’intérêt pour la compréhension de leurs impacts. En raison de la nature stochastique des tempêtes de verglas et des difficultés à prédire quand et où elles se produiront, la plupart des enquêtes antérieures sur les effets écologiques des tempêtes de verglas ont été fondées sur des études de cas à la suite de tempêtes majeures. Étant donné que les tempêtes de verglas intenses sont des événements extrêmement rares, il est impossible de les étudier en attendant leur apparition naturelle. Nous présentons ici une nouvelle approche expérimentale alternative, impliquant la simulation d’événements de glace de glaçure sur des parcelles forestières dans des conditions de terrain. Grâce à cette méthode, l’eau est pompée à partir d’un ruisseau ou d’un lac et pulvérisée au-dessus de la canopée de la forêt lorsque la température de l’air est inférieure au point de congélation. L’eau pleut et gèle au contact des surfaces froides. Comme la glace s’accumule sur les arbres, les boles et les branches se plient et se brisent; dommages qui peuvent être quantifiés par des comparaisons avec des peuplements de référence non traités. L’approche expérimentale décrite est avantageuse parce qu’elle permet de contrôler le moment et la quantité de glace appliquée. La création de tempêtes de glace de différentes fréquences et intensités permet d’identifier les seuils écologiques critiques nécessaires à la prévision et à la préparation des impacts des tempêtes de verglas.

Introduction

Les tempêtes de verglas sont une perturbation naturelle importante qui peut avoir des répercussions à court et à long terme sur l’environnement et la société. Les tempêtes de verglas intenses sont problématiques parce qu’elles endommagent les arbres et les cultures, perturbent les services publics et nuisent aux routes et à d’autres infrastructures1,2. Les conditions dangereuses que créent les tempêtes de verglas peuvent causer des accidents entraînant des blessures et des décès2. Les tempêtes de verglas sont coûteuses; les pertes financières moyennes de 313 millions de dollars par an aux États-Unis (US)3, avec quelques tempêtes individuelles dépassant 1 milliard de dollars4. Dans les écosystèmes forestiers, les tempêtes de verglas peuvent avoir des conséquences négatives, notamment une réduction de la croissance et de la mortalité des arbres5,,6,7, un risque accru d’incendie et la prolifération des ravageurs et des agents pathogènes8,9,10. Ils peuvent également avoir des effets positifs sur les forêts, tels que la croissance accrue des arbres survivants5 et l’augmentation de la biodiversité11. L’amélioration de notre capacité de prévoir les impacts des tempêtes de verglas nous permettra de mieux nous préparer à ces événements et d’y réagir.

Les tempêtes de verglas se produisent lorsqu’une couche d’air humide, qui est au-dessus du point de congélation, remplace une couche d’air sous-gelé plus près du sol. La pluie tombant de la couche plus chaude d’air supercools comme il passe à travers la couche froide, formant de la glace de glaçure lorsqu’il est déposé sur les surfaces de congélation. Aux États-Unis, cette stratification thermique peut résulter de conditions météorologiques synoptiques caractéristiques de régions spécifiques12,13. La pluie verglaçante est le plus souvent causée par les fronts arctiques qui se déplacent vers le sud-est à travers les États-Unis devant les anticyclonesforts 13. Dans certaines régions, la topographie contribue aux conditions atmosphériques nécessaires aux tempêtes de verglas par le barrage d’air froid, un phénomène météorologique qui se produit lorsque l’air chaud d’une tempête entrante l’emporte sur l’air froid qui s’enracine le long d’une chaîne de montagnes14,15.

Aux États-Unis, les tempêtes de verglas sont les plus fréquentes dans la « ceinture de glace » qui s’étend du Maine à l’ouest du Texas16,17. Des tempêtes de verglas se produisent également dans une région relativement petite du Nord-Ouest du Pacifique, en particulier autour du bassin du fleuve Columbia, dans l’État de Washington et en Oregon. Une grande partie des États-Unis connaît au moins une certaine pluie verglaçante, avec les plus grandes quantités dans le Nord-Est où les zones les plus sujettes aux glaces ont une médiane de sept jours de pluie verglaçante ou plus (jours au cours desquels au moins une observation horaire de la pluie verglaçante s’est produite) chaque année16. Bon nombre de ces tempêtes sont relativement mineures, bien que des tempêtes de verglas plus intenses se produisent, bien qu’avec des intervalles de récurrence beaucoup plus longs. Par exemple, en Nouvelle-Angleterre, l’aire de répartition de l’épaisseur de la glace radiale est de 19 à 32 mm pour les tempêtes dont l’intervalle de récurrence de 50 ansest de 18. Les données empiriques indiquent que les tempêtes de verglas sont de plus en plus fréquentes aux latitudes nordiques et moins fréquentes au sud19,20,21. Cette tendance devrait se poursuivre sur la base de simulations informatiques utilisant les futures projections sur le changement climatique22,23. Toutefois, le manque de données et de compréhension physique rendent plus difficile la détection et la projection des tendances des tempêtes de verglas que d’autres types d’événements extrêmes24.

Comme les tempêtes de verglas majeures sont relativement rares, elles sont difficiles à étudier. Il est difficile de prédire quand et où elles se produiront, et il est généralement peu pratique de « chasser » les tempêtes à des fins de recherche. Par conséquent, la plupart des études sur les tempêtes de verglas ont été des évaluations post hoc non planifiées à la suite de tempêtes majeures. Cette approche de recherche n’est pas idéale en raison de l’incapacité de recueillir des données de base avant une tempête. De plus, il peut être difficile de trouver des zones non affectées pour la comparaison avec les zones endommagées lorsque les tempêtes de verglas couvrent une grande étendue géographique. Plutôt que d’attendre que des tempêtes naturelles se produisent, les approches expérimentales peuvent offrir des avantages parce qu’elles permettent un contrôle étroit sur le moment et l’intensité des événements givrage et permettent des conditions de référence appropriées pour évaluer clairement les effets.

Les approches expérimentales posent également des défis, en particulier dans les écosystèmes forestiers. La hauteur et la largeur des arbres et de la canopée les rend difficiles à manipuler expérimentalement, par rapport aux prairies ou arbustes de taille inférieure. De plus, les perturbations causées par les tempêtes de verglas sont diffuses, à la fois verticalement à travers la canopée de la forêt et à travers le paysage, ce qui est difficile à simuler. Nous ne connaissons qu’une seule autre étude qui a tenté de simuler les impacts des tempêtes de verglas dans un écosystème forestier25. Dans ce cas, un fusil a été utilisé pour enlever jusqu’à 52% de la couronne dans un stand de pin loblolly en Oklahoma. Bien que cette méthode ait produit des résultats caractéristiques des tempêtes de verglas, elle n’est pas efficace pour enlever les grandes branches et ne fait pas plier les arbres, ce qui est commun avec les tempêtes de verglas naturelles. Bien qu’aucune autre méthode expérimentale n’ait été utilisée pour étudier spécifiquement les tempêtes de verglas, il existe des parallèles entre notre approche et d’autres types de manipulations des perturbations forestières. Par exemple, la dynamique des écarts a été étudiée par l’abattage d’arbres individuels26,les invasions de ravageurs forestiers par les arbresgirling 27, et les ouragans par l’élagage28 ou en tirant vers le bas des arbres entiers avec un treuil et câble29. Parmi ces approches, l’élagage imite le plus étroitement les impacts des tempêtes de verglas, mais est exigeant en main-d’œuvre et coûteux. Les autres approches causent la mortalité des arbres entiers, plutôt que la rupture partielle des membres et des branches qui est typique des tempêtes de glace naturelles.

Le protocole décrit dans cet article est utile pour imiter étroitement les tempêtes de glace naturelles et consiste à pulvériser de l’eau sur la canopée de la forêt dans des conditions de sous-congélation pour simuler des événements de glace de glaçure. La méthode offre des avantages par rapport à d’autres moyens parce que les dommages peuvent être répartis relativement uniformément dans les forêts sur une grande surface avec moins d’effort que l’élagage ou l’écrasement d’arbres entiers. De plus, la quantité d’accumulation de glace peut être régulée par le volume d’eau appliqué et en choisissant un temps de pulvérisation lorsque les conditions météorologiques sont propices à une formation optimale de glace. Cette approche expérimentale nouvelle et relativement peu coûteuse permet de contrôler l’intensité et la fréquence du givrage, ce qui est essentiel pour identifier les seuils écologiques critiques dans les écosystèmes forestiers.

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Protocol

1. Développer la conception expérimentale

  1. Déterminer l’intensité et la fréquence du givrage en fonction de valeurs réalistes.
  2. Déterminez la taille et la forme des parcelles.
    1. Si l’objectif est d’évaluer les réponses des arbres, sélectionnez une taille de parcelle suffisamment grande pour inclure plusieurs arbres et la plupart de leurs systèmes racinaires, qui varie selon des facteurs tels que les espèces d’arbres et l’âge.
    2. Pour des raisons de sécurité, concevez les parcelles de sorte que toute la zone de la parcelle puisse être pulvérisée de l’extérieur de la limite.
    3. L’espace trace assez loin l’un de l’autre (p. ex., 10 m) de sorte qu’un traitement dans une parcelle n’affecte pas une autre.
    4. Établir une zone tampon (p. ex., 5 m) autour des parcelles afin de réduire les effets des bords et d’assurer une répartition plus uniforme de la couverture de glace.
    5. Établir des sous-intrigues dans les grandes parcelles pour des besoins spécifiques d’échantillonnage.
  3. Décidez du nombre de parcelles de réplique.

2. Sélectionner et établir un lieu d’étude

  1. Choisissez un peuplement forestier homogène avec des caractéristiques similaires, telles que la composition des espèces d’arbres, les sols, la lithologie et l’hydrologie.
  2. Sélectionnez un emplacement pour l’application dans une zone où il y a accès à une source d’eau pendant l’hiver.
  3. Assurez-vous que l’approvisionnement en eau est adéquat pour l’application de la glace en fonction du taux de pompage et d’autres facteurs tels que le diamètre du tuyau, la longueur du tuyau, la buse utilisée et la pression de l’eau.
  4. Marquez la limite des parcelles, de la zone tampon et des sous-intrigues.
  5. Effectuer un inventaire complet des forêts avec des descriptions des conditions de santé des arbres, y compris des évaluations des arbres morts, mourants et endommagés. De plus, consignez tous les facteurs de stress potentiels (p. ex., les preuves de dommages causés par les insectes ou la maladie) pour aider à interpréter la réponse au traitement de la glace.
  6. Si vous utilisez des VÉHICULES ÉLECTRIQUES pour pulvériser de l’eau, créez des sentiers praticables le long des flancs des parcelles tout en prenant soin de minimiser les perturbations.
  7. Une fois les parcelles établies, assigner au hasard un traitement à chaque parcelle et type d’échantillonnage qui sera effectué dans chaque sous-parcelle (p. ex., débris ligneux grossiers, litière fine, échantillons de sol).

3. Le moment de la demande

  1. Sélectionnez une fenêtre de temps appropriée pour effectuer la pulvérisation.
  2. Effectuer l’expérience lorsque les conditions météorologiques sont propices (p. ex., lorsque la température de l’air est inférieure à -4 °C et que la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s).
  3. Si vous pulvérisez la nuit, déployez des lumières à haute puissance autour du bord des parcelles et exécutez-les sur des générateurs si l’électricité n’est pas disponible.

4. Mettre en place l’approvisionnement en eau

  1. Installez une pompe d’alimentation à la source d’eau et connectez un tuyau d’aspiration.
  2. Connectez une passoire à l’extrémité du tuyau d’aspiration pour empêcher les débris d’entrer dans les lignes.
  3. Percer toute glace de surface et submerger complètement la passoire. La profondeur minimale de l’approvisionnement en eau doit être d’environ 20 cm.
  4. Placez une pompe d’appoint dans le lit d’un UTV pour améliorer la pression de l’eau. Dans certains cas, une pompe d’appoint peut ne pas être nécessaire, en particulier pour la végétation de faible taille.
  5. Exécutez un tuyau de lutte contre l’incendie de la pompe d’alimentation à la pompe d’appoint.
  6. Utilisez un moniteur de lutte contre l’incendie pour permettre un contrôle manuel et sécuritaire sur le tuyau à haute pression. Le moniteur peut être debout ou monté à l’arrière d’un UTV.
  7. Évitez les situations qui peuvent interrompre l’écoulement de l’eau comme les plis dans le tuyau, le prélèvement d’eau à la source d’alimentation et le fait de manquer d’essence pour les pompes.

5. Création de la glace

  1. Créez de la glace en pulvérisant de l’eau verticalement à travers les trous dans la canopée. Assurez-vous que l’eau s’étend au-dessus de la hauteur de la canopée afin qu’elle soit déposée verticalement et gèle au contact des surfaces de congélation. Évitez de décaper les branches et d’écorcer des arbres lorsque l’eau est pulvérisée vers le haut.
  2. Répartir uniformément le jet sur la canopée de la forêt en conduisant lentement l’UTV va-et-vient le long du bord de la zone d’application. Si des moniteurs autonomes sont utilisés, déplacez-les manuellement pour vous assurer que la couverture est uniforme.
  3. Gardez une trace du moment de l’application pour aider à déterminer des facteurs tels que les conditions météorologiques pendant l’application et le volume d’eau pulvérisée.

6. Mesurer l’accrétion de glace

  1. Effectuer des mesures d’étrier au sol de l’épaisseur de la glace radiale sur des branches ou des brindilles de niveau inférieur près du bord de la zone d’application pour surveiller l’accumulation de glace pendant l’application et déterminer quand l’épaisseur cible a été atteinte.
  2. Obtenir des estimations plus précises de l’accumulation de glace avec les collecteurs de glace passifs après l’application (figure 1).
    1. Avant l’application, construisez des collecteurs de glace passifs avec deux goujons orientés sur trois axes cardinaux30 pour créer des collecteurs avec six bras de composant.
    2. Couper 2,54 cm de douves à une longueur de 30 cm.
    3. Joignez-vous aux douves avec un connecteur en acier à 6 voies.
    4. Utilisez un arboriculteur lancer du poids pour enfiler le cordon de parachute sur des branches robustes qui peuvent résister à la charge de glace.
    5. Attachez les collecteurs de glace passifs au cordon et soulevez-les dans la canopée.
    6. Une fois l’application terminée, abaissez les collecteurs au sol, en prenant soin de ne pas perdre de glace du collecteur.
    7. Effectuer des mesures verticales et horizontales de l’épaisseur de la glace avec des étriers à plusieurs endroits sur le collecteur (p. ex., trois mesures verticales et trois mesures horizontales à trois endroits le long de chaque bras) avant et immédiatement après l’application de la glace.
    8. Calculer l’épaisseur de la glace sur chaque collecteur comme la différence entre les mesures avant et après l’application.
    9. Pour déterminer l’épaisseur de la glace avec la méthode du volume d’eau, utilisez une scie réciproque pour couper chaque goujon.
    10. Apportez les douves dans un bâtiment chauffé, placez-les dans des seaux et laissez fondre la glace à température ambiante.
    11. Mesurer le volume d’eau de fonte à l’aide d’un cylindre gradué.
    12. Calculer l’épaisseur de la glace en fonction du volume d’eau et de la densité de la glace31.

7. Considérations relatives à la sécurité

  1. Restez bien à l’extérieur de la zone de traitement de la glace pendant la pulvérisation parce que les charges de glace peuvent causer des branches et des membres à briser et à tomber.
  2. Portez des casques ou des casques pour assurer la protection pendant l’application de la glace et lors de tout échantillonnage qui se produit dans la zone traitée après l’application.
  3. Utilisez un moniteur pour stabiliser le tuyau pendant la pulvérisation.
  4. Habillez-vous convenablement pour des conditions dangereuses et un temps de gel. Portez des vêtements lumineux et visibles. Soyez prêt à passer de longues périodes dans des conditions humides et froides en portant des vêtements de pluie et des couches de vêtements chauds. Apportez de multiples changements de vêtements, en particulier pour le personnel qui est désigné pour pulvériser.
  5. Si vous travaillez dans un endroit éloigné, installez une tente chauffante temporaire équipée d’un chauffe-eau portatif.
  6. Permettre au personnel d’avoir suffisamment de temps pour les pauses, le changement de vêtements mouillés, et de résoudre les problèmes qui se posent avec l’équipement, etc.
  7. Utilisez des radios pour communiquer entre le personnel pendant l’expérience. Maintenir le contact avec le personnel d’une station de base.
  8. Élaborer un plan de sécurité en cas d’urgence médicale. Avoir du personnel médical (p. ex., techniciens médicaux d’urgence) et de l’équipement et des fournitures d’urgence sur place pendant l’expérience.

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Representative Results

Une simulation de tempête de verglas a été effectuée dans une forêt de feuillus du nord vieille de 70\u20100 ans à la forêt expérimentale de Hubbard Brook, dans le centre du New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′O). La hauteur du peuplement est d’environ 20 m et les espèces d’arbres dominantes dans la zone de l’application de glace sont le hêtre américain (Fagus grandifolia),l’érable à sucre (Acer saccharum), l’érable rouge (Acer rubrum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Dix parcelles de 20 m x 30 m ont été établies et assignées au hasard à un traitement. La plupart de l’échantillonnage s’est produit dans une parcelle intérieure de 10 m x 20 m pour permettre un tampon de 5 m. La parcelle intérieure a été divisée en huit sous-intrigues de 5 m x 5 m destinées à différents types d’échantillonnage. Il y avait deux parcelles de réplique pour chacun des cinq traitements, qui consistaient en un contrôle (pas de glace) et trois niveaux cibles d’accrétion de glace radiale : faible (6,4 mm), milieu (12,7 mm) et élevé (19,0 mm). Deux des parcelles de traitement de niveau intermédiaire (midx2) ont été glacées au cours des années consécutives afin d’évaluer les impacts des tempêtes consécutives. La pulvérisation s’est produite pendant les hivers 2016 (18 janvier, 27\u201228 et 11 février) et 2017 (14 janvier). L’eau était pompée de la branche principale du ruisseau Hubbard, qui était recouverte de glace et avait des températures de cours d’eau proches du point de congélation. La température de l’air de surface au moment des applications variait de -13 à -4 °C et la vitesse du vent était inférieure à 2 m/s.

L’accumulation de glace a été mesurée sur des collecteurs de glace passifs (quatre par parcelle) à l’aide des méthodes d’étrier et de volume d’eau décrites ci-dessus (section 6 du protocole; Figure 1). L’épaisseur moyenne de la glace était inférieure aux valeurs cibles des traitements de glace moyen et élevé (4,3 mm et 5,8 mm de moins, respectivement). L’épaisseur de la glace dans les traitements bas, midx2 y1 et midx2 y2 se trouvait à moins de 2 mm des valeurs cibles (tableau 1). Malgré certaines différences par entre les valeurs cibles, les traitements ont fourni une gamme d’épaisseur de glace radiale (0\u201216,4 mm) pour évaluer les effets de l’écosystème. Cette plage était comparable aux 0\u201214,4 mm de glace radiale enregistrés dans la forêt expérimentale de Hubbard Brook après la tempête de verglas de 199832. L’accumulation moyenne de glace sur les collecteurs individuels a indiqué une forte relation positive entre les méthodes de mesure du volume d’étrier et de l’eau (R2 = 0,95; p < 0,01; Figure 2). Les mesures utilisant la méthode du volume d’eau ont dépassé les mesures effectuées avec la méthode de l’étrier lorsqu’il y avait plus d’environ 8 mm de glace (figure 2). Cette différence est due à la présence de glaçons, qui se forment à mesure que la glace s’accumule, et est capturée plus efficacement avec la méthode du volume d’eau. Lorsque l’accrétion de glace était inférieure à 8 mm, les mesures de la méthode du volume d’eau étaient légèrement inférieures aux mesures de la méthode de l’étrier, qui est attribuée à la densité de la glace. Nous avons calculé l’épaisseur de la glace avec la méthode du volume d’eau en utilisant la densité de glace de glaçure (0,92 g/cm3); cependant, la glace dans le traitement avait des bulles d’air et avait probablement une densité inférieure à cette valeur théorique.

Les temps totaux de pulvérisation (heures/tuyau) étaient en moyenne de 2 h 20 min pour les basses, de 4 h 50 min pour le milieu et de 8 h pour les traitements à haute glace. Le temps réel passé à pulvériser sur le terrain était d’environ la moitié de ces temps totaux, puisque deux tuyaux ont été utilisés simultanément pour pulvériser chaque parcelle. Il y avait une relation positive significative entre le temps de pulvérisation et l’accumulation de glace mesurée avec la méthode du volume d’eau (R2 = 0,46 ; p = 0,03; Figure 3a) et la méthode de l’étrier (R2 = 0,56; p = 0,01). Le taux moyen d’accrétion de glace variait de 1,4 à 4,2 mm/h sur l’ensemble des parcelles. Il y avait une relation inverse légèrement significative entre la température de l’air et l’accumulation de glace mesurée avec la méthode du volume d’eau (R2 = 0,40; p = 0,05; Figure 3b) et aucune relation significative avec la méthode de l’étrier (R2 = 0,15; p = 0,27).

Des évaluations rapides de la couverture de la canopée ont été effectuées au cours des étés précédant (2015) et après l’application de la glace (2016). Les données n’ont pas été recueillies la deuxième année suivant le traitement (2017); par conséquent, le traitement midx2 n’a été évalué qu’après avoir été initialement pulvérisé. Un tube oculaire a été utilisé pour enregistrer la présence ou l’absence de couverture de la canopée directement au-dessus le long des transects dans les parcelles33. Bien que cette méthode soit efficace pour estimer la couverture de la canopée, elle nécessite un échantillonnage intensif, ce qui peut être long et coûteux. Les mesures au sol avec une plus grande surface de vue, telles que les densiomètres de canopée34,fournissent une mesure de la fermeture de la canopée et nécessitent moins d’échantillonnage et ont une variabilité inférieure au niveau des peuplements35,36. Toutefois, il faut veiller à ce que l’angle de vue ne capture pas la végétation à l’extérieur de la parcelle traitée.

Les données de couverture de canopée ont été analysées à l’aide d’un modèle linéaire généralisé mixte avec une distribution binomiale. Le traitement de la glace a été inclus comme effet fixe et parcelle comme effet aléatoire. Les résultats n’ont montré aucune différence significative entre les 10 parcelles des relevés pré-traitement (figure 4A), alors que les relevés post-traitement indiquent des diminutions significatives de la couverture de la canopée dans les traitements de la glace moyen, moyen et élevé par rapport à la commande (figure 4B). Ces baisses générales de la couverture de la canopée et l’augmentation de l’accumulation de glace résultent d’une analyse plus rigoureuse effectuée par Fahey et coll.37, qui a montré des changements structurels importants dans la canopée forestière qui étaient proportionnels à la quantité de glace appliquée.

Les effets des tempêtes de verglas simulées sur les températures du sol en surface ont été évalués lors de l’échantillonnage en août 2017 (c.-à-d. deux saisons de croissance après que toutes les parcelles aient été glacées une fois, et la saison de croissance après les parcelles midx2 avait été glacée deux fois). Les mesures ont été effectuées dans l’après-midi entre 12 h 30 et 14 h. Les températures du sol ont été mesurées manuellement à l’aide de sondes de température du sol d’Oakton (précision de 0,5 °C) qui ont été insérées dans le sol à 2 cm et 5 cm de profondeur. Des mesures ont été effectuées sur une grille de 2,5 m simultanément dans une parcelle de traitement et une parcelle de contrôle jumelée. Aucune mesure n’a été effectuée dans les parcelles à faible traitement puisqu’elles ont montré un impact minimal de la glace sur la végétation. Les résultats de la température du sol ont montré que les sols des parcelles traitées étaient significativement plus chauds que les parcelles témoins aux deux profondeurs (2 cm et 5 cm) pour les trois niveaux évalués (moyen, midx2, élevé; Figure 5A,B). Les températures étaient légèrement plus chaudes dans le sol moins profond que dans le sol plus profond, et les effets du traitement étaient plus importants. Les parcelles traitées étaient 0,4–1,5 °C plus chaudes que les commandes pour la profondeur de 2 cm et 0,2 à 0,5 °C plus chaudes pour la profondeur de 5 cm. Les traitements ont clairement ouvert la canopée de la forêt, ce qui a causé plus de lumière pour atteindre le sol de la forêt, ce qui a entraîné des températures du sol plus élevées.

Figure 1
Figure 1 : Collecteur de glace passif pour mesurer l’accrétion de glace radiale. (A) Vue du collecteur de glace dans la canopée de la forêt avant l’application de glace. (B) Faire des mesures d’étrier de l’accrétion de glace sur les collecteurs après les avoir abaissés de la canopée. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Comparaison de deux méthodes de mesure de l’accrétion de la glace radiale. La méthode de l’étrier implique des mesures de la glace sur les douves. La méthode du volume d’eau consiste à mesurer le volume d’eau de fonte des douves et à calculer l’épaisseur de la glace radiale à l’aide d’une densité de glace présumée. Trois niveaux cibles d’accrétion de glace sont indiqués (bas = 6,4 mm, milieu = 12,7 mm, haut = 19 mm) et la ligne pointillée est la ligne 1:1. Chaque point représente un collecteur de glace passif et est la moyenne de six mesures sur chacun des six bras de composant (c.-à-d. 36 mesures par collecteur). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Taux d’accrétion de glace. (A) La relation entre le temps de pulvérisation et l’accumulation totale de glace. BB) La relation entre la température moyenne de l’air pendant l’application et le taux d’accrétion de glace. Trois niveaux cibles d’accrétion de glace sont indiqués (bas = 6,4 mm, milieu = 12,7 mm, haut = 19 mm). Les valeurs d’accrétion de glace indiquées ont été déterminées avec la méthode du volume d’eau. Chaque point représente une parcelle, avec des points différents pour chaque année du traitement midx2. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Couverture de canopée estimée avec des tubes oculaires. (A) Couverture de canopée de prétraitement pour les différents traitements de glace. (B) Valeurs de couverture de canopée obtenues au cours de la première saison de croissance après l’application de la glace. Les données ont été analysées à l’aide d’un modèle linéaire généralisé mixte avec une distribution binomiale. Les barres d’erreur indiquent que l’intervalle de confiance de 95 % et les minuscules indiquent des différences significatives à α = 0,05. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Effets du traitement des glaces sur la température du sol. (A) Température du sol mesurée à 2 cm de profondeur. (B) Température du sol mesurée à 5 cm de profondeur. Les données ont été analysées à l’aide d’un modèle linéaire général. Les barres d’erreur indiquent l’intervalle de confiance de 95 % et les astérisques indiquent des différences significatives entre le contrôle et le traitement à α = 0,05. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Méthode Faible Milieu Mi x 2 y1 Mi x 2 y2 Haute
Cible 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Volume d’eau 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
Étrier 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

Tableau 1 : Valeurs d’accrétion de glace cibles par rapport aux valeurs réelles mesurées sur les collecteurs passifs à l’aide des méthodes du volume d’eau et de l’étrier. Les unités sont millimétriques et l’erreur standard est indiquée entre parenthèses. Les lettres de superscript indiquent des différences significatives entre les traitements tels que déterminés avec un modèle mixte linéaire généralisé.

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Discussion

Il est essentiel d’effectuer des simulations expérimentales des tempêtes de verglas dans des conditions météorologiques appropriées afin d’assurer leur succès. Dans une étude précédente30, nous avons constaté que les conditions optimales pour la pulvérisation sont lorsque les températures de l’air sont inférieures à -4 °C et que la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s. Les tempêtes de verglas naturelles se produisent le plus souvent lorsque les températures de l’air sont légèrement inférieures au point de congélation (-1 à 0 °C), et bien que les températures idéales pour les simulations de tempête de verglas soient plus froides, elles se situent toujours dans la plage de température des épisodes observés de pluie verglaçante -15 à0°C. Étant donné que des températures inférieures au point de congélation sont nécessaires, cette approche expérimentale est limitée à des endroits plus au nord, et peut être difficile à effectuer même à des endroits relativement froids comme la forêt expérimentale de Hubbard Brook, où la température moyenne mensuelle basse de l’air est de -9 °C en janvier, mais fluctue régulièrement au-dessus du point de congélation. La pulvérisation la nuit peut être avantageuse car c’est lorsque la température de l’air est généralement la plus froide, et les effets du rayonnement solaire sont négligeables.

Il y a plusieurs défis avec les expériences de simulation de tempête de verglas. Dans les forêts avec de grandes verrières, il peut être difficile de pulvériser les sommets des arbres. De nombreux facteurs influent sur la hauteur de la pulvérisation, y compris le taux de pompage et la distance entre la source d’eau et la zone d’application. Étant donné que les calculs de la hauteur des pulvérisations sont complexes et spécifiques au site et à l’équipement utilisés, il est utile d’effectuer des tests de pulvérisation avant l’expérience afin que des ajustements appropriés puissent être effectués. Un autre défi consiste à déterminer quand arrêter la pulvérisation parce que les mesures de l’épaisseur de la glace sont difficiles à obtenir au cours de la simulation. Les collecteurs de glace passifs peuvent être utilisés à cette fin, mais nécessitent des branches robustes à l’intérieur des parcelles pour le soutien. Plusieurs des collecteurs que nous avons installés ont été endommagés ou sont tombés au cours de l’expérience. Pour des raisons de sécurité, nous avons placé les collecteurs près du bord des parcelles pour éviter d’avoir à entrer dans la zone expérimentale, ce qui peut avoir contribué à la sous-estimation de l’accumulation de glace dans certaines parcelles (Tableau 1). Il peut être long et difficile de réduire les collecteurs et de faire des mesures pendant l’application. Les mesures au sol peuvent aider à cet égard, mais ne représentent peut-être pas mieux l’accumulation de glace dans la canopée supérieure. La densité de glace dans la simulation de tempête de verglas était un peu inférieure à celle de la glace qui se forme lors d’une tempête de verglas naturelle. Cette différence a été étayée par des mesures de glace sur les collecteurs et était visuellement apparente, en ce que la glace était plus opaque que la glace de glaçure qui se forme dans les tempêtes naturelles. Malgré ces différences de densité de glace, la tempête de verglas simulée a entraîné une perturbation diffuse et a causé la flexion et la rupture des arbres et des membres, un peu comme une tempête de verglas naturelle. Ainsi, cette méthode reflète plus étroitement les impacts des tempêtes de verglas par rapport à d’autres méthodes potentielles, comme le tir, la ceinture, l’élagage ou l’arrachant des arbres.

Bien que les parcelles aient été relativement grandes pour une expérience manipulatrice (20 m x 30 m), l’augmentation de la taille des parcelles réduirait l’influence des arbres non affectés à l’extérieur des parcelles. Même avec un tampon, les grands arbres entourant les parcelles pourraient avoir un impact sur des réactions telles que la chute de litière, la disponibilité de la lumière et la température du sol. De plus, les parcelles contenaient sans aucun doute des racines de l’extérieur de la frontière qui auraient pu modifier les processus souterrains. La biomasse et l’activité microbiennes, l’azote du sol, la minéralisation de l’azote et la nitrification, et les pertes de solutés dans l’eau du sol n’ont pas montré d’effets significatifs des applications de glace38 malgré une perturbation majeure en surface37. L’absence de réponse sous terre était inattendue, en particulier pour la lixiviation des nitrates, qui s’est avérée sensible aux perturbations causées par la tempête de verglas à la suite de la tempête de verglas naturelle qui a touché le ruisseau Hubbard en 1998. D’importantes pertes de nitrates dans la solution du sol ont été observées à la suite de cette tempête et attribuées à une absorption réduite due à des couronnes d’arbres endommagées39. L’absence de réponse à l’azote dans la simulation de tempête de verglas pourrait être le résultat de l’absorption des racines provenant d’arbres sains à l’extérieur des parcelles; toutefois, les dommages et les lacunes dans la canopée étaient suffisamment importants pour qu’on s’attende à une réponse. Une explication plus probable de l’absence de réponse souterraine est la baisse à long terme de l’azote disponible qui ont été observées sur le site, ce qui a entraîné un resserrement global du cycle de l’azote, avec une lixiviation minimale des nitrates38,40.

La méthode de simulation des tempêtes de verglas s’est avérée efficace dans la forêt de feuillus du nord de la forêt expérimentale de Hubbard Brook et a permis de quantifier les réponses de l’écosystème et d’identifier les seuils critiques37,38. Dans les études futures, il serait utile d’appliquer cette approche dans d’autres types de forêts et dans des conditions différentes. Par exemple, l’impact du vent sur les arbres chargés de glace pourrait intensifier les effets et n’a pas encore été évalué dans le cas d’une expérience contrôlée. De plus, cette méthode offre une occasion idéale de quantifier les impacts des facteurs de stress composés qui sont communs dans les écosystèmes forestiers (p. ex., éclosions d’insectes, agents pathogènes, sécheresse, polluants, gel des sols). L’application de cette méthode dans une conception multifactorielle permettrait une approche statistiquement rigoureuse pour évaluer les effets interactifs qui n’émergeraient pas en évaluant les seuls impacts des tempêtes de verglas et qui ressembleraient plus étroitement aux conditions naturelles. Bien que nous n’ayons évalué les réponses que dans les premières années suivant les demandes, il sera utile de suivre le déclin ou le rétablissement des forêts à long terme. Bien que nos simulations de tempête de verglas aient porté principalement sur les écosystèmes forestiers, la méthode pourrait être appliquée d’autres façons, par exemple pour évaluer les impacts des charges de glace sur les lignes de services publics et d’autres infrastructures. Malgré certaines limites, l’approche est très efficace pour simuler les tempêtes de verglas naturelles et constitue une amélioration par rapport aux méthodes alternatives.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer. La référence en l’espèce à des produits commerciaux, procédés ou services spécifiques par nom commercial, marque, fabricant ou autre, ne constitue pas nécessairement ou n’implique pas son approbation, recommandation ou faveur du gouvernement des États-Unis. Les opinions et opinions des auteurs exprimées dans les présents ne sont pas nécessairement énoncent ou reflètent celles du gouvernement des États-Unis et ne sont pas utilisées à des fins publicitaires ou d’approbation de produits.

Acknowledgments

Le financement de cette recherche a été fourni par la National Science Foundation (DEB-1457675). Nous remercions les nombreux participants à l’Expérience des tempêtes de verglas (ISE) qui ont contribué à l’application de la glace et aux travaux de terrain et de laboratoire qui y sont associés, en particulier Geoff Schwaner, Gabe Winant et Brendan Leonardi. Ce manuscrit est une contribution de l’Étude sur l’écosystème de Hubbard Brook. Hubbard Brook fait partie du réseau de recherche écologique à long terme (LTER), qui est soutenu par la National Science Foundation (DEB-1633026). La forêt expérimentale de Hubbard Brook est exploitée et entretenue par le Service des forêts de l’USDA, Northern Research Station, Madison, WI. La vidéo et les images sont de Jim Surette et Joe Klementovich, gracieuseté de la 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

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