Waiting
Login processing...

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

Environment

הדמיית השפעות על סופות קרח ביער מערכות אקולוגיות

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

סערות קרח הן אירועי מזג אוויר חשובים המאתגרים את הלמידה בגלל קשיים בניבוי התרחשותן. כאן אנו מתארים שיטה מקורית להדמיית סופות קרח המערבת התזת מים על חופה ביער במהלך הקפאת התנאים.

Abstract

סופות קרח יכולות להיות השפעות מעמיקות ומתמשך על המבנה והתפקוד של מערכות אקולוגיות ביער באזורים שחווים הקפאת תנאים. הדגמים הנוכחיים מראים כי התדירות והאינטנסיביות של סופות הקרח יכולות להגדיל את העשורים הבאים בתגובה לשינויים באקלים, לשפר את העניין בהבנת ההשפעות שלהם. בגלל האופי הסטוכסטי של סופות הקרח והקשיים בניבוי מתי ואיפה הם יתרחשו, החקירות האחרונות של ההשפעות האקולוגיות של סופות הקרח התבססו על מקרים שלאחר סופות גדולות. מאז סופות קרח אינטנסיבי הם אירועים נדירים ביותר זה לא מעשי ללמוד אותם על ידי מחכה להתרחשות הטבעית שלהם. כאן אנו מציגים הגישה החדשנית הניסיונית הפתרון, מעורבים סימולציה של גלקוניה קרח אירועים על חלקות יער תחת תנאי שדה. עם שיטה זו, מים נשאבים מנחל או אגם וריסס מעל החופה היער כאשר טמפרטורות האוויר מתחת לקיפאון. המים מגשמים וקופא עם מגע עם משטחים קרים. כאשר הקרח מצטבר על העצים, הבולס והענפים מכופפים ונשברים; נזק שניתן לכמת באמצעות השוואות עם דוכני התייחסות לא מטופלות. הגישה הניסיונית שתוארה היא יתרון משום שהיא מאפשרת שליטה על התזמון ועל כמות הקרח שהוחלה. יצירת סערות קרח בתדר ובאינטנסיביות שונים מאפשרת לזהות ספי אקולוגיה קריטיים הנחוצים לניבוי והכנה לפגיעות בסופת הקרח.

Introduction

סופות קרח הן הפרעה טבעית חשובה, כי יכול להיות הן השפעות קצרות לטווח ארוך על הסביבה והחברה. סופות קרח אינטנסיביות הן בעייתיות משום שהן פוגעות בעצים וביבולים, משבשים את כלי השירות ופוגעות בכבישים ובתשתיות אחרות1,2. התנאים המסוכנים שסופות הקרח יוצרות עלולים לגרום לתאונות הנובעות מפציעות ומהרוגים2. סופות הקרח יקרות; הפסדים כספיים בממוצע $313,000,000 לשנה בארצות הברית (ארה ב)3, עם כמה סופות בודדות מעל $1,000,000,0004. ביער מערכות אקולוגיות, סופות קרח יכולות להיות השלכות שליליות כולל צמיחה מופחתת ותמותת עצים5,6,7, סיכון מוגבר של אש, התפשטות של מזיקים ופתוגנים8,9,10. הם יכולים גם להיות בעלי השפעה חיובית על יערות, כגון צמיחה משופרת של עצים ששרדו5 ולהגדיל את המגוון הביולוגי11. שיפור היכולת שלנו לנבא השפעות מסופות קרח יאפשר לנו להתכונן ולהגיב לאירועים אלה.

סופות קרח מתרחשות כאשר שכבה של אוויר לח, כי הוא מעל לקפוא, עוקפת שכבה של אוויר תת-הקפאה קרוב יותר לקרקע. גשם נופל מן השכבה החמה של האוויר מתקרר כפי שהוא עובר דרך השכבה הקר, ויוצרים קרח זיגוג כאשר הופקד על משטחים הקפאה משנית. בארה ב, ריבוד תרמית זה יכול לנבוע מפה סינופטית דפוסי מזג האוויר האופייניים לאזורים ספציפיים12,13. הגשם המקפיא נגרם בדרך כלל על-ידי חזיתות הקוטב הצפוני, העוברים ברחבי ארה ב לפני האנטיבוטים החזקים13. באזורים מסוימים, הטופוגרפיה תורמת לתנאים האטמוספריים הנחוצים לסופות קרח באמצעות דאמינג אוויר קר, תופעה מטאורולוגית המתרחשת כאשר אוויר חם מסערה נכנסת עוקף אוויר קר שמבצר לצד רכס הרים14,15.

בארה ב, סופות קרח נפוצות ביותר ב "חגורת קרח" המשתרע ממיין לטקסס16,17. סופות קרח מתרחשות גם באזור קטן יחסית של מערב האוקיינוס השקט, במיוחד באזור אגן הנהר קולומביה של וושינגטון ואורגון. חלק גדול מארה ב חווה לפחות מעט גשם קפוא, עם הכמויות הגדולות ביותר בצפון-מזרח המקום שבו מרבית האזורים בעלי הקרח הם בעלי חציון של שבעה או יותר ימי גשם קפואים (ימים שבהם התרחש לפחות שעה אחת של גשם קפוא) שנתי16. רבים מסופות אלה הם קלים יחסית, למרות שסערות קרח אינטנסיביות יותר מתרחשות, אם כי עם מרווחי זמן ארוכים יותר. לדוגמה, בניו אינגלנד, הטווח בעובי קרח רדיאלי הוא 19 עד 32 מ"מ עבור סערות עם מרווח זמן של 50 שנים להישנות18. ראיות אמפיריים עולה כי סופות קרח הופכים תכופים יותר בצפון הרוחב ופחות תכופים לדרום19,20,21. מגמה זו צפויה להמשיך בהתבסס על סימולציות מחשב באמצעות התחזיות העתידיות שינוי22האקלים 22,23. עם זאת, חוסר נתונים והבנה גופנית להקשות יותר לזהות מגמות הפרויקט בסערות קרח מאשר סוגים אחרים של אירועים קיצוניים24.

מכיוון שסופות הקרח הגדולות נדירות יחסית, הן מאתגרות ללמידה. קשה לנבא מתי והיכן הם יתרחשו, ובדרך כלל לא מעשי "לרדוף" סופות למטרות מחקר. כתוצאה מכך, רוב מחקרי סופת הקרח לא היו מתוכננים בהתאם להערכות המתרחשות בעקבות סערות גדולות. גישת מחקר זו אינה אידיאלית בשל חוסר היכולת לאסוף נתונים בסיסיים לפני סופה. בנוסף, זה יכול להיות קשה למצוא אזורים מושפעים להשוואה עם אזורים פגומים כאשר סופות קרח לכסות במידה גיאוגרפית גדולה. במקום לחכות לסופות טבעיות שיתרחשו, גישות נסיוניות עשויות להציע יתרונות משום שהם מאפשרים שליטה מקרוב על התזמון והאינטנסיביות של אירועי הציפוי ומאפשרים תנאי התייחסות מתאימים כדי להעריך בבירור את ההשפעות.

גישות נסיוניות גם להציב אתגרים, במיוחד בתוך האקולוגית מיוער. הגובה והרוחב של העצים והחופה הופכים אותם לקשים לטיפול בניסויים, בהשוואה לגראסלאנדס בעלי מעמד נמוך או בתות. בנוסף, הפרעה מסופות קרח מפוזר, במאונך דרך החופה היער וברחבי הנוף, אשר קשה לדמות. אנחנו יודעים רק עוד מחקר אחד שניסה לדמות השפעות סערת קרח במערכת אקולוגית ביער25. במקרה זה, השתמשו ברובה כדי להסיר עד 52% מהכתר בדוכן אורן מלוי באוקלהומה. למרות ששיטה זו יצרה תוצאות האופייניות לסופות קרח, היא אינה יעילה בהסרת ענפים גדולים יותר ואינה גורמת לעצים להתכופף, הנפוצים בסופות קרח טבעיות. בעוד שיטות נסיוניות אחרות שימשו לחקר סופות קרח במיוחד, יש כמה הקבלות בין הגישה שלנו וסוגים אחרים של מניפולציות יער הפרעה. לדוגמה, הדינמיקה של הפערים נחקרו על-ידי כריתת עצים בודדים26, הדברה ביער על ידי שריפת עצים27, ו הוריקנים על ידי גיזום28 או משיכת עצים שלמים עם המנוף כבל29. מתוך גישות אלה, גיזום הקרוב ביותר מחקה השפעות קרח, אבל היא עבודה אינטנסיבית ויקרה. הגישות האחרות גורמות לתמותה של עצים שלמים, ולא לשבר החלקי של הגפיים והענפים האופייניים לסופות קרח טבעיות.

הפרוטוקול המתואר במאמר זה שימושי לחיקוי מקרוב של סופות קרח טבעיות וכרוך התזת מים על החופה ביער במהלך הקפאת התנאים להדמיית אירועי קרח קוניה. השיטה מציעה יתרונות על פני אמצעים אחרים מכיוון שהנזק יכול להיות מופץ יחסית באופן יחסי ברחבי היערות על שטח גדול עם פחות מאמץ מאשר גיזום או עצים שלמים. בנוסף, כמות דיסקת ספיחה קרח יכול להיות מוסדר באמצעות נפח של מים להחיל על ידי בחירת זמן כדי לרסס כאשר מזג האוויר מסיע היווצרות קרח אופטימלי. זה רומן וגישה ניסיוני זול יחסית מאפשר לשלוט על העוצמה ואת תדירות הציפוי, אשר חיוני לזיהוי סף אקולוגי קריטי בתוך הסביבה ביער.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. לפתח את העיצוב הניסיוני

  1. קביעת עוצמת הציפוי והתדירות המבוססת על ערכים ריאליסטיים.
  2. קביעת הגודל והצורה של החלקות.
    1. אם המטרה היא להעריך תגובות עץ, בחר גודל התוויה גדול מספיק כדי לכלול מספר רב של עצים ומרבית מערכות השורש שלהם, אשר משתנה בהתאם לגורמים כגון מיני עץ וגיל.
    2. למטרות בטיחות, תכנן את המגרשים כך שניתן יהיה לרסס את כל אזור ההתוויה מחוץ לגבול.
    3. שטח מגרשים מספיק רחוק (למשל, 10 מ ') כך טיפול בעלילה אחת לא משפיעה על אחר.
    4. הקמת אזור מאגר (למשל, 5 מטר) סביב מגרשים כדי להפחית את השפעות הקצה ולהבטיח הפצה אפילו יותר של כיסוי הקרח.
    5. בסס מגרשים בתוך החלקות הגדולות יותר עבור צורכי דגימה ספציפיים.
  3. החלט על מספר חלקות השכפול.

2. בחר וקבע מיקום מחקר

  1. בחר במעמד יער אחיד עם תכונות דומות, כגון קומפוזיציה של מיני עץ, קרקעות, ליתולוגיה והידרולוגיה.
  2. בחר מיקום עבור היישום באזור שבו יש גישה למקור מים במהלך החורף.
  3. ודא שאספקת המים מספיקה ליישום הקרח המבוסס על שיעור המשאבה וגורמים אחרים כגון קוטר הצינור, אורך הצינור, החרירים בשימוש ולחץ המים.
  4. סמן את גבולות החלקות, אזור המאגר ומחלקות המשנה.
  5. היערכו מלאי יער מלא עם תיאורים של מצבי בריאות עץ כולל הערכות של עצים מתים, גוססים ופגועים. בנוסף, הקלט את כל הפגמים הפוטנציאליים (למשל, הוכחה לנזק לחרקים או למחלות) כדי לסייע בפענוח התגובה לטיפול בקרח.
  6. אם באמצעות UTVs לרסס מים, ליצור שבילים סבירים לאורך צדי המגרשים תוך הקפדה למזער את ההפרעה.
  7. לאחר הקמת מגרשים, באופן אקראי להקצות טיפול כל עלילה וסוג של דגימה שייערך בכל subplot (למשל, פסולת גסה וודי, המלטה משובח, דגימות אדמה).

3. תזמון האפליקציה

  1. בחרו חלון זמן מתאים לביצוע הריסוס.
  2. בצע את הניסוי כאשר תנאי מזג האוויר מסייעות (למשל, כאשר טמפרטורת האוויר היא פחות מ -4 ° c ומהירות הרוח היא פחות מ -5 מעלות לשנייה).
  3. אם הריסוס בלילה, לפרוס אורות מופעל גבוה סביב הקצה של מגרשים ולהפעיל אותם על גנרטורים אם החשמל אינו זמין.

4. הגדר את אספקת המים

  1. הגדר משאבת אספקה במקור המים וחבר צינור יניקה.
  2. לחבר מסננת לסוף צינור היניקה כדי לשמור על השרידים מתוך הקווים.
  3. לפרוץ כל קרח פני השטח ולהטביע במלואו את הסננת. העומק המינימלי של אספקת המים צריך להיות בערך 20 ס מ.
  4. מניחים משאבת המאיץ במיטה של UTV כדי לשפר את לחץ המים. במקרים מסוימים, ייתכן שמשאבת האצה לא תהיה נחוצה, במיוחד עבור צמחייה בעלת קומתו הנמוכה.
  5. תריץ צינור כיבוי ממשאבת האספקה. למשאבת המאיץ
  6. השתמש בצג לחימה כדי לאפשר בטוח, ידני שליטה על צינור הלחץ הגבוה. הצג יכול להיות בחינם עומד או רכוב על גבו של UTV.
  7. הימנע ממצבים שעלולים להפריע לזרימת המים כגון סטיות בצינור, מים זורמים במקור האספקה, ואוזל להם הדלק למשאבות.

5. יצירת הקרח

  1. צור קרח על ידי ריסוס מים אנכית באמצעות פערים החופה. ודא כי המים משתרע מעל גובה החופה כך שהוא הופקד אנכית קופא על קשר עם משטחים התת מקפיא. הימנעו מענפים ונביחות מעצים כאשר המים מרוססים כלפי מעלה.
  2. באופן שווה לפזר ריסוס מעל החופה יער על ידי נהיגה איטית UTV הלוך ושוב לאורך קצה אזור היישום. אם נעשה שימוש בצגים בעלי מעמד חופשי, הזז אותם באופן ידני כדי להבטיח שהכיסוי יהיה שווה.
  3. עקוב אחר התזמון של היישום כדי לסייע בקביעת גורמים כגון תנאי מזג האוויר במהלך היישום וכמות המים שרוססו.

6. מדדי מדידת קרח

  1. הפוך מדידות מבוססות על הקרקע של עובי קרח רדיאלי על ענפים ברמה נמוכה יותר או זרדים ליד קצה אזור היישום כדי לנטר דיסקת ספיחה קרח במהלך היישום ולקבוע מתי עובי היעד הושג.
  2. השג הערכות מדויקות יותר של דיסקת ספיחה קרח עם אספני קרח פסיבי לאחר היישום (איור 1).
    1. לפני היישום, לבנות אספנים קרח פסיבי עם שני דובלים מונחה על שלושה צירים הקרדינל30 כדי ליצור אספנים עם שישה זרועות רכיב.
    2. חותכים 2.54 ס מ באורך של 30 ס מ.
    3. הצטרפו לדובלים עם מחבר 6-כיוון פלדה.
    4. השתמש משקל לזרוק arborist לחבל מצנח מחרוזת על ענפים חסון שיכולים לעמוד בעומס הקרח.
    5. חברו את אספני הקרח הפסיבי לחוט השדרה והרימו אותם לתוך החופה.
    6. לאחר השלמת היישום, להוריד את האספנים על הקרקע, להיות זהירים לא לאבד את כל הקרח מן האספן.
    7. הפוך את המידות האנכיות והאופקיות של עובי הקרח עם מחוגות במיקומים מרובים על האספן (למשל, שלושה אנכיים ושלוש מדידות אופקיות בשלושה מיקומים לאורך כל זרוע) לפני ומייד אחרי השימוש בקרח.
    8. חישוב עובי קרח על כל אספן כהפרש בין המידות לפני ואחרי היישום.
    9. כדי לקבוע עובי קרח עם שיטת נפח המים, להשתמש מסור חרב לחתוך כל dowel.
    10. הביאו את הדובלים לבניין מחומם, הניחו אותם בדליים, והניחו לקרח להתמוסס בטמפרטורת החדר.
    11. למדוד את נפח הmeltwater עם גליל סיים.
    12. חישוב עובי קרח על בסיס נפח המים וצפיפות הקרח31.

7. שיקולי בטיחות

  1. הישארו היטב מחוץ לאזור הטיפול בקרח במהלך הריסוס משום שטעינת קרח עלולה לגרום לענפים ולגפיים להישבר וליפול.
  2. ללבוש כובעים קשיחים או קסדות כדי לספק הגנה בעוד הקרח מוחל במהלך כל דגימה המתרחשת באזור המטופל לאחר היישום.
  3. השתמש בצג כדי לייצב את הצינור במהלך הריסוס.
  4. התלבשו כראוי לתנאים מסוכנים ולמזג אוויר תת-מקפיא. לבשו בגדים בהירים וגלויים. היו מוכנים לבלות תקופות ארוכות בתנאים רטובים וקרים על ידי לבישת ציוד גשם ושכבות של בגדים חמים. להביא שינויים מרובים של בגדים, במיוחד עבור אנשים המיועדים ריסוס.
  5. אם אתם עובדים במיקום מרוחק, הציבו אוהל מחמם זמני המצויד בתנור חימום נייד.
  6. אפשר לאנשים לקבל זמן מספיק עבור הפסקות, שינוי מתוך בגדים רטובים, וטיפול בבעיות העולות עם ציוד, וכו '.
  7. השתמש במכשירי רדיו כדי לתקשר בין אנשי הצוות במהלך הניסוי. שמור על קשר עם. אנשי צוות בתחנת בסיס
  8. לפתח תוכנית בטיחות במקרה חירום רפואי. יש לצוותים רפואיים (לדוגמה, טכנאים רפואיים) וציוד חירום ואספקה באתר במהלך הניסוי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הדמיית סופת הקרח בוצעה ביער בשנת 70 \ u2012100 בן עץ הצפון הצפוני ב יער הניסוי ברוק האברד במרכז ניו המפשייר (43 ° 56 ′ N, 71 ° 45 ′ W). גובה המעמד הוא כ 20 מ' והמינים הדומיננטיים של העץ באזור של יישום הקרח הם אשור אמריקאי (Fagus שיגעון), סוכר מייפל (acer סכנום), אדר אדום (acer rubrum) ו צהוב ליבנה (betula אלע'אנסיס). 10 20 m x 30 m מגרשים הוקמו באופן אקראי טיפול. רוב הדגימה התרחשה בתוך 10 m x 20 m העלילה הפנימית כדי לאפשר מאגר 5 מטר. העלילה הפנימית חולקה לשמונה מגרשים של 5 מ' בגובה 5 מ' המיועדים לסוגים שונים של דגימה. היו שני מגרשים שכפול עבור כל אחד חמישה טיפולים, אשר כללה שליטה (אין קרח) ושלוש רמות היעד של accretion קרח רדיאלי: נמוך (6.4 מ"מ), באמצע (12.7 מ"מ), גבוה (19.0 מ"מ). שתיים מחלקות הטיפול באמצע הרמה (midx2) היו מתים בשנים האחרונות על מנת להעריך השפעות של סערות עוקבות. הריסוס אירע במהלך החורף של 2016 (18 בינואר, 27 \ u201228 ו -11 בפברואר) ו2017 (14 בינואר). המים הואבו מהסניף הראשי של האברד ברוק, שהיה מכוסה בקרח והטמפרטורה הייתה כמעט קפואה. הטמפרטורות האוויריות של פני השטח בזמן היישומים נעו מ- -13 עד 4 ° צ' ומהירות הרוח היתה פחות מ-2 מטרים לשנייה.

הקרח היה נמדד על אספנים קרח פסיבי (ארבע לכל החלקה) באמצעות שיטות נפח המים הקליבר כמתואר לעיל (פרוטוקול סעיף 6; איור 1). עובי הקרח הממוצע היה קטן יותר מאשר ערכי היעד באמצע הטיפול בקרח גבוה (4.3 מ"מ ו 5.8 מ"מ פחות, בהתאמה). עובי הקרח בmidx2 y1, והטיפולים בmidx2 יו במרחק 2 מ"מ מערכי היעד (שולחן 1). למרות כמה הבדלים מערכי היעד, הטיפולים סיפק מגוון של עובי קרח רדיאלי (0 \ u 201216.4 mm) להערכת אפקטים של המערכת האקולוגית. טווח זה היה דומה 0 \ u 201214.4 mm של קרח רדיאלי הוקלט ביער הנסיוני ברוק האברד לאחר סופת הקרח של 199832. ממוצע הקרח דיסקת ספיחה על אספנים בודדים הצביעו על קשר חיובי חזק בין קליבר והמים שיטות מדידה אמצעי המדידה (R2 = 0.95; p < 0.01; איור 2). מדידות שמשתמשות בשיטת נפח המים חרגו ממדידות עם השיטה הקליבר כאשר היה יותר מ-8 מ"מ של קרח (איור 2). הבדל זה נובע מנוכחות של נטיפי קרח, אשר הטופס כמו קרח מצטבר, והוא נלכד ביעילות רבה יותר עם שיטת נפח המים. כאשר הגלידה היתה פחות מ 8 מ"מ, מדידות משיטת נפח המים היו מעט פחות מדידות מן השיטה קליבר, אשר מיוחסת צפיפות של קרח. מחשב עובי קרח עם שיטת נפח המים באמצעות צפיפות קרח קוניה (0.92 g/cm3); עם זאת, הקרח בטיפול היו בועות אוויר וסביר להניח שהיה לו צפיפות פחות מערך תיאורטי זה.

סה כ ספריי זמני (שעות/צינור) בממוצע 2 h 20 דקות עבור נמוך, 4 h 50 דקות עבור האמצע, ו 8 h עבור הטיפולים קרח גבוה. הזמן הממשי המושקע בריסוס בשטח היה בערך חצי מהמקרים הללו, מאחר שנעשה שימוש בשני צינורות בו לריסוס כל מזימה. היתה מערכת יחסים חיובית משמעותית בין הזמן תרסיס הקרח נמדד עם שיטת נפח המים (R2 = 0.46; p = 0.03; איור 3a) והשיטה הקליבר (R2 = 0.56; p = 0.01). השיעור הממוצע של דיסקת ספיחה קרח נע בין 1.4 ל 4.2 מ"מ/h על פני מגרשים. היה קשר הפוך משמעותי ביותר בין טמפרטורת האוויר לבין הקרח הנמדד עם שיטת נפח המים (R2 = 0.40; p = 0.05; איור 3b) ואין קשר משמעותי עם השיטה הקליבר (R2 = 0.15; p = 0.27).

הערכות מהירות של כיסוי החופה נעשו במהלך הקיץ לפני (2015) ואחרי הקרח הוחל (2016). הנתונים לא נאספו בשנה השנייה לאחר הטיפול (2017); לפיכך, הטיפול midx2 הוערך רק לאחר שריסס בתחילה. שפופרת עינית השתמשו כדי להקליט את הנוכחות או העדר של מכסה החופה ישירות לאורך הטרנסתות במגרשים33. בעוד שיטה זו יעילה בהערכת כיסוי החופה, זה דורש דגימה אינטנסיבית, אשר יכול להיות זמן רב ויקר. מדידות קרקע מבוסס עם אזור גדול יותר של השקפה, כגון החופה densiometers34, לספק מידה של סגירת החופה ודורשים פחות דגימה יש נמוכה יותר ברמה המעמד35,36. עם זאת, הטיפול חייב להילקח כדי להבטיח את זווית התצוגה לא ללכוד צמחייה מחוץ העלילה המטופלת.

נתונים כיסוי לחופה נותחו באמצעות דגם מעורב ליניארי מוכללת עם התפלגות בינומית. הטיפול בקרח נכלל כאפקט קבוע והעלילה כתוצאה אקראית. תוצאות המחקר לא הראו הבדלים משמעותיים בין 10 מגרשים בסקרים טרום טיפול (איור 4A), בעוד שלאחר הטיפול סקרים מצביעים על ירידה משמעותית במכסה החופה באמצע, midx2, והקרח גבוה טיפולים ביחס לפקד (איור 4a). אלה ירידות כללי במכסה החופה עם הגדלת דיסקת ספיחה הקרח התוצאות מניתוח קפדני יותר של פאיאט אל.37 שהראה שינויים מבניים משמעותיים בחופה יער כי היו הרבה עם כמות של קרח מוחל.

ההשפעות של סופות קרח מדומה על הקרקע טמפרטורות קרקע הוערכו במהלך הדגימה באוגוסט 2017 (כלומר, שתי עונות הגוברת אחרי כל המגרשים היה קר פעם אחת, ואת העונה גדל לאחר החלקות midx2 היה קר פעמיים). המדידות נעשו בשעות אחר הצהריים בין 12:30 לבין השעה 2:00. טמפרטורות הקרקע נמדדות באופן ידני באמצעות הבדיקות בטמפרטורת הקרקע של אוקטון (0.5 מעלות צלזיוס) שנוספו לקרקע בעומק 2 ס"מ ו -5 ס מ. מדידות נעשו על רשת 2.5 m בו בתוך העלילה הטיפול לזווג העלילה השליטה. לא נעשו מדידות במגרשים לטיפול נמוך מאז הם הראו השפעות מינימליות של קרח על צמחייה. תוצאות טמפרטורת הקרקע הראו כי קרקעות בחלקות שטופלו היו חמות באופן משמעותי מאשר מגרשים בשתי העומקים (2 ס"מ ו 5 ס"מ) עבור כל שלושת הרמות הוערכו (באמצע, midx2, גבוה; איור 5א, ב). הטמפרטורות היו מאוד חמות יותר באדמת שראפשר בהשוואה לאדמה עמוקה יותר, וההשפעות של הטיפול היו גדולות יותר. החלקות שטופלו היו 0.4 – 1.5 מעלות צלזיוס חם יותר מאשר ההגאים עבור עומק 2 ס"מ ו 0.2-0.5 ° צ' חם עבור עומק 5 ס"מ. הטיפולים פתחו בבירור את החופה ביער, שגרמה ליותר אור להגיע לרצפת היער, וכתוצאה מכך טמפרטורות קרקע גבוהות יותר.

Figure 1
איור 1: מלקט קרח פסיבי למדידת accretion קרח רדיאלי. (א) השקפה של אספן הקרח בחופה היער לפני השימוש בקרח. (ב) ביצוע קליבר מדידות של הקרח דיסקת ספיחה על אספנים לאחר הנמכת אותם מן החופה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: השוואה בין שתי שיטות למדידת ספיחה קרח רדיאלי. השיטה מערבת מדידות של קרח על דובלים. שיטת נפח המים כרוכה במדידת נפח הmeltwater מהדובלים וחישוב עובי הקרח הרדיאלי באמצעות צפיפות הקרח המשוערת. שלוש רמות דיסקת ספיחה קרח היעד מוצגים (נמוך = 6.4 מ"מ, באמצע = 12.7 mm, גבוה = 19 מ"מ) ואת הקו מקווקו הוא קו 1:1. כל נקודה מייצגת מלקט קרח פסיבי אחד והוא הממוצע של שש מדידות על כל אחת משש זרועות מרכיב (כלומר, 36 מדידות לכל אספן). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: שיעורי הקרח. (א) הקשר בין הזמן תרסיס לבין הקרח הכולל. (ב) הקשר בין טמפרטורת אוויר ממוצע במהלך היישום ושיעור הקרח. שלוש רמות דיסקת ספיחה קרח היעד מוצגים (נמוך = 6.4 מ"מ, באמצע = 12.7 מ"מ, גבוה = 19 מ"מ). ערכי הקרח המוצגים נקבעו בשיטת עוצמת המים. כל נקודה מייצגת עלילה אחת, עם נקודות שונות עבור כל שנה בטיפול midx2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: כיסוי חופה מוערך עם צינורות העינית. (א) מכסה של החופה טרום טיפול לטיפולי קרח שונים. (ב) כיסוי לחופה ערכים שהושגו בעונת הגידול הראשונה לאחר החלת הקרח. הנתונים נותחו באמצעות מודל משולב ליניארי מוכלל עם התפלגות בינומית. קווי השגיאה מציינים את מרווח הביטחון 95% והאותיות הקטנות מייצגות הבדלים משמעותיים ב-α = 0.05. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: השפעות הטיפול בקרח על טמפרטורת הקרקע. (א) טמפרטורת הקרקענמדדת בעומק של 2 ס מ. (ב) טמפרטורת הקרקע נמדדת בעומק של 5 ס מ. הנתונים נותחו באמצעות מודל ליניארי כללי. קווי השגיאה מציינים את מרווח הביטחון 95% והכוכביות מציינות הבדלים משמעותיים בין הפקד לבין הטיפול ב-α = 0.05. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

שיטה נמוך אמצע Mid x 2 y1 באמצע x 2 יו ' גבוהה
יעד 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
נפח מים 5.7 (0.2)c 8.5לפנה ס (1.3) 14.6 (2.2)מ 13.2 (0.1)ab 16.4 (1.1)מ
קליבר 6.3 (0.3)c 8.4לפנה ס (1.1) 11.0 (1.6)ab 11.3 (0.2)ab 13.3 (1.2)מ

טבלה 1: ערכי היעד ice לעומת הערכים בפועל שנמדדו על אספנים פסיבי באמצעות נפח המים ו קליבר שיטות. היחידות הן מילימטר והשגיאה הסטנדרטית מסומנת בסוגריים. אותיות בכתב עילי מעידות על הבדלים משמעותיים בין הטיפולים כנחושים בדגם מעורב ליניארי מוכלל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

חשוב לבצע הדמיות נסיוניות של סופות קרח בתנאי מזג אוויר מתאימים כדי להבטיח את הצלחתם. במחקר הקודם30, גילינו כי התנאים האופטימליים לריסוס הם כאשר טמפרטורות האוויר הן מתחת ל-4 ° צ' ומהירויות הרוח הם פחות מ 5-m. סופות הקרח הטבעיות מתרחשות בדרך כלל כאשר טמפרטורות האוויר מעט פחות מקפיאה ( -1 עד 0 ° c), ולמרות שהטמפרטורות האידיאליות לסימולציות סופת הקרח קרות, הן עדיין בטווח הטמפרטורה של הצפות באירועי גשם מוקפאים-15 עד 0 ° צ'16. בגלל הטמפרטורות שמתחת להקפאה נדרשות, גישה ניסיונית זו מוגבלת למיקומים צפוניים יותר, ויכולה להיות מאתגרת לבצע אפילו במקומות קרים יחסית כמו יער הניסוי של ברוק האברד, שבו טמפרטורת האוויר הנמוכה הממוצעת החודשית היא-9 ° c בינואר, אך משתנה באופן קבוע מעל הקיפאון. התזת בלילה יכולה להיות יתרון מאחר שהיא כאשר הטמפרטורות האוויריות הן בדרך כלל קרים, והשפעות של קרינת השמש הם זניחים.

ישנם מספר אתגרים עם ניסויים סימולציה סופת קרח. ביערות עם חופות גבוהות, זה יכול להיות קשה לרסס את צמרות העצים. גורמים רבים משפיעים על גובה התרסיס, כולל שיעור המשאבה והמרחק בין מקור המים לאזור היישום. מאחר שחישובי גובה ספריי הם מורכבים וספציפיים לשימוש באתר ובציוד, מומלץ לבצע בדיקות ריסוס לפני הניסוי כך שניתן יהיה לבצע את ההתאמות המתאימות. אתגר נוסף הוא לקבוע מתי להפסיק לרסס כי מדידות של עובי קרח קשה להשיג במהלך הסימולציה. אספני קרח פסיבי יכול לשמש למטרה זו, אך דורשים ענפים חסון בתוך המגרשים לתמיכה. כמה מהאספנים שהתקנתי נפגעו או נפלו במהלך הניסוי. למען הבטיחות, העברנו את האספנים קרוב לקצה המגרשים כדי להימנע מהצורך להיכנס לאזור הניסיוני, שאולי תרמו להערכת הקרח בכמה מגרשים (שולחן 1). זה יכול להיות זמן רב וקשה להוריד אספנים ולבצע מדידות במהלך היישום. מדידות מבוססות קרקע יכול לסייע בהקשר זה, אך אולי לא הטוב ביותר לייצג את דיסקת ספיחה קרח בחופה העליון. צפיפות הקרח בסימולצית סופת הקרח הייתה פחות מקרח שנוצר במהלך סופת קרח טבעית. הבדל זה היה נתמך על ידי מדידות קרח על אספנים היה ברור באופן חזותי, כי הקרח היה אטום יותר מאשר קרח קוניה שנוצר בסערות טבעיות. למרות ההבדלים האלה בצפיפות הקרח, סופת הקרח הדומה הביאה להפרעה שהיתה מפוזרת וגרמה עצים וגפיים להתכופף ולהישבר, בדומה לסופת קרח טבעית. לפיכך, שיטה זו מקרוב יותר את המראות הסערות קרח בהשוואה לשיטות פוטנציאליות אחרות, כגון: ירי, גילינג, גיזום או משיכת עצים.

למרות שהעלילות היו גדולות יחסית לניסוי מניפולטיבי (20 מ' x 30 מ'), הגדלת גודל המגרשים תפחית את ההשפעה של עצים שאינם מושפעים מחוץ לחלקות. אפילו עם מאגר, עצים גבוהים המקיפים את החלקות יכול להשפיע על תגובות כגון כריסתו, זמינות אור וטמפרטורת הקרקע. בנוסף, המגרשים ללא ספק הכילו שורשים מחוץ לגבול שיכלו לשנות תהליכים בלאוגראונד. ביומסה ופעילות, חנקן קרקע, מינרליזציה חנקן ו ניטריפיקציה, והפסדים של מסיסות במים הקרקע כל הראו השפעות משמעותיות מיישומי קרח38 למרות הפרעה הקרקע הגדולה37. היעדר תגובת הקרקע היה בלתי צפוי, במיוחד עבור חנקת החנקן, אשר הוכח להיות רגיש להפרעה סופת הקרח בעקבות סופת הקרח הטבעית ההשפעה על ברוק האברד ב 1998. הפסדים גדולים של חנקה בתמיסה הקרקע נצפו בעקבות הסערה ומיוחסים לספיגה מופחתת עקב כתרי עץ פגומים39. העדר תגובת חנקן בסימולציה סופת הקרח יכול להיות תוצאה של ספיגת שורש מעצים בריאים מחוץ למגרשים; עם זאת, הנזק והפערים בחופה היו גדולים מספיק כדי שתגובה מסוימת צפויה. הסבר סביר יותר להיעדר תגובה וחזק הוא ירידות לטווח ארוך בחנקן זמין אשר נצפו באתר, וכתוצאה מכך הידוק כולל של מחזור החנקן, עם חנקתי מינימלי טיפת38,40.

שיטת הסימולציה של סופת הקרח הוכיחה בהצלחה ביער העץ הצפוני ביער הניסיוני של ברוק האברד וסייעה לכמת את התגובות למערכת האקולוגית ולזהות את ספיה37,38. במחקרים עתידיים, יהיה זה שימושי ליישם גישה זו בסוגי יער אחרים ובתנאים שונים. למשל, ההשפעה של הרוח על עצים לאדן הקרח יכול להעצים את ההשפעות ועדיין לא הוערך בניסוי מבוקר. בנוסף, שיטה זו מאפשרת הזדמנות אידיאלית לגבי השפעות בכמת מפני מזיקים מורכבים הנפוצים ביותר ביער מערכות אקולוגיות (למשל, התפרצויות של חרקים, פתוגנים, בצורת, מזהמים, הקפאת אדמה). החלת שיטה זו בעיצוב רב-עצרת תאפשר גישה קפדנית מבחינה סטטיסטית להערכת אפקטים אינטראקטיביים שאינם מופיעים על-ידי הערכת השפעות סערת קרח בלבד, ודומה יותר לתנאים המתרחשים באופן טבעי. למרות שיש לנו רק העריכו תגובות בשנים הראשונות לאחר היישומים, זה יהיה שימושי כדי לעקוב אחר ירידה ביער או שחזור לטווח ארוך. בעוד המיקוד של הסימולציות סופת הקרח שלנו היה בעיקר על מערכות אקולוגיות ביער, השיטה יכולה להיות מיושמת בדרכים אחרות, כגון הערכת השפעות של טעינת קרח על קווי השירות ותשתיות אחרות. למרות מספר מגבלות, הגישה יעילה מאוד להדמיית סופות קרח טבעיות והיא שיפור בשיטות חלופיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות מפנה לכאן לכל מוצר, תהליך או שירות מסחריים מסוימים לפי שם מסחר, סימן מסחרי, יצרן או אחרת, אינו בהכרח מהווה או רומז על הסבה, ההמלצה או העדפה של ממשלת ארצות הברית. השקפות ודעות של סופרים הביעו בזאת לא בהכרח מדינה או משקפים את ממשלת ארצות הברית, ולא ישמשו לצורכי פרסום או מוצרים.

Acknowledgments

המימון למחקר זה סופק על ידי הקרן הלאומית למדע (דאב-1457675). אנו מודים למשתתפים הרבים בניסוי סופת הקרח (ISE) שסייעו ביישום הקרח ובעבודת המעבדה המשויכת לתחום, במיוחד ג'ף שואנור, גייב וינאנט, וברנדן לאונרדי. כתב היד הזה הוא תרומה של. מחקר המערכת האקולוגית של האברד האברד ברוק הוא חלק מרשת המחקר האקולוגי לטווח ארוך (LTER), הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (דאב-1633026). היער הניסיוני של ברוק האברד מופעל ומתוחזק על ידי שירות יער משרד החקלאות, תחנת המחקר הצפונית, מדיסון, WI. וידאו ותמונות הם על ידי ג'ים בילט וג קליינטוביץ ', באדיבות קרן המחקר של ברוק האברד.

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

החודש ביופיטר סוגיה 160 שינוי האקלים הפרעה אקולוגיה אקולוגית אירוע קיצוני יער גשם קפוא יער הניסוי של האברד ברוק סופת קרח משקעים
הדמיית השפעות על סופות קרח ביער מערכות אקולוגיות
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