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Simulación de impactos de tormentas de hielo en los ecosistemas forestales

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

Las tormentas de hielo son eventos meteorológicos importantes que son difíciles de estudiar debido a las dificultades para predecir su ocurrencia. Aquí, describimos un método novedoso para simular tormentas de hielo que consiste en rociar agua sobre un dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación.

Abstract

Las tormentas de hielo pueden tener efectos profundos y duraderos en la estructura y función de los ecosistemas forestales en regiones que experimentan condiciones de congelación. Los modelos actuales sugieren que la frecuencia y la intensidad de las tormentas de hielo podrían aumentar en las próximas décadas en respuesta a los cambios climáticos, lo que aumenta el interés en comprender sus impactos. Debido a la naturaleza estocástica de las tormentas de hielo y las dificultades para predecir cuándo y dónde ocurrirán, la mayoría de las investigaciones anteriores sobre los efectos ecológicos de las tormentas de hielo se han basado en estudios de caso después de tormentas importantes. Dado que las intensas tormentas de hielo son eventos extremadamente raros, no es práctico estudiarlas esperando su ocurrencia natural. Aquí presentamos un novedoso enfoque experimental alternativo, que implica la simulación de eventos de hielo glaseado en parcelas forestales en condiciones de campo. Con este método, el agua se bombea desde un arroyo o lago y se rocía por encima del dosel del bosque cuando las temperaturas del aire están por debajo de la congelación. El agua llueve y se congela al contacto con superficies frías. A medida que el hielo se acumula en los árboles, los boles y las ramas se doblan y se rompen; daños que pueden cuantificarse mediante comparaciones con soportes de referencia no tratados. El enfoque experimental descrito es ventajoso porque permite controlar el tiempo y la cantidad de hielo aplicado. La creación de tormentas de hielo de diferente frecuencia e intensidad permite identificar los umbrales ecológicos críticos necesarios para predecir y prepararse para los impactos de tormentas de hielo.

Introduction

Las tormentas de hielo son una perturbación natural importante que puede tener impactos tanto a corto como a largo plazo en el medio ambiente y la sociedad. Las intensas tormentas de hielo son problemáticas porque dañan árboles y cultivos, interrumpen los servicios públicos y deterioran las carreteras y otras infraestructuras1,,2. Las condiciones peligrosas que crean las tormentas de hielo pueden causar accidentes que resultan en lesiones y muertes2. Las tormentas de hielo son costosas; pérdidas financieras promedio $313 millones por año en los Estados Unidos (EE.UU.)3, con algunas tormentas individuales que superan los $1.000 millones4. En los ecosistemas forestales, las tormentas de hielo pueden tener consecuencias negativas, como la reducción del crecimiento y la mortalidad de los árboles5,6,7, mayor riesgo de incendio, y la proliferación de plagas y patógenos8,,9,10. También pueden tener efectos positivos en los bosques, como un mayor crecimiento de los árboles supervivientes5 y un aumento de la biodiversidad11. Mejorar nuestra capacidad de predecir los impactos de las tormentas de hielo nos permitirá prepararnos mejor y responder a estos eventos.

Las tormentas de hielo se producen cuando una capa de aire húmedo, que está por encima de la congelación, anula una capa de aire subcongelante más cerca del suelo. La lluvia cae de la capa más cálida de aire se sobrecoola a medida que pasa a través de la capa fría, formando hielo de esmalte cuando se deposita en superficies de subencongelación. En los Estados Unidos, esta estratificación térmica puede ser el resultado de patrones meteorológicos sinópticos que son característicos de regiones específicas12,,13. La lluvia helada es más comúnmente causada por los frentes árticos que se mueven hacia el sureste a través de los EE.UU. por delante de los fuertes anticiclones13. En algunas regiones, la topografía contribuye a las condiciones atmosféricas necesarias para las tormentas de hielo a través de la represa de aire frío, un fenómeno meteorológico que ocurre cuando el aire caliente de una tormenta entrante anula el aire frío que se afianza junto a una cordillera14,,15.

En los Estados Unidos, las tormentas de hielo son más comunes en el "cinturón de hielo" que se extiende desde Maine hasta el oeste de Texas16,,17. Las tormentas de hielo también ocurren en una región relativamente pequeña del noroeste del Pacífico, especialmente alrededor de la cuenca del río Columbia de Washington y Oregón. Gran parte de los Estados Unidos experimentan al menos algunas lluvias heladas, con las mayores cantidades en el noreste donde las zonas más propensas al hielo tienen una mediana de siete o más días de lluvia helada (días durante los cuales se produjo al menos una observación por hora de lluvia helada) anualmente16. Muchas de estas tormentas son relativamente menores, aunque se producen tormentas de hielo más intensas, aunque con intervalos de recurrencia mucho más largos. Por ejemplo, en Nueva Inglaterra, el rango en espesor de hielo radial es de 19 a 32 mm para tormentas con un intervalo de periodicidad de 50 años18. La evidencia empírica indica que las tormentas de hielo son cada vez más frecuentes en las latitudes septentrionales y menos frecuentes al sur19,,20,,21. Se espera que esta tendencia continúe basándose en simulaciones por ordenador utilizando futuras proyecciones de cambio climático22,,23. Sin embargo, la falta de datos y comprensión física hacen que sea más difícil detectar y proyectar tendencias en tormentas de hielo que otros tipos de eventos extremos24.

Dado que las tormentas de hielo importantes son relativamente raras, son difíciles de estudiar. Es difícil predecir cuándo y dónde ocurrirán, y generalmente no es práctico "perseguir" tormentas con fines de investigación. En consecuencia, la mayoría de los estudios de tormentas de hielo han sido evaluaciones post hoc no planeadas que se han producido a raíz de tormentas importantes. Este enfoque de investigación no es ideal debido a la incapacidad de recopilar datos de referencia antes de una tormenta. Además, puede ser difícil encontrar áreas no afectadas para comparar con áreas dañadas cuando las tormentas de hielo cubren una gran extensión geográfica. En lugar de esperar a que se produzcan tormentas naturales, los enfoques experimentales pueden ofrecer ventajas porque permiten un control estrecho sobre el tiempo y la intensidad de los eventos de hielo y permiten condiciones de referencia adecuadas para evaluar claramente los efectos.

Los enfoques experimentales también plantean desafíos, especialmente en los ecosistemas boscosos. La altura y anchura de los árboles y el dosel hace que sean difíciles de manipular experimentalmente, en comparación con pastizales o arbustos de baja estatura. Además, la perturbación de las tormentas de hielo es difusa, tanto verticalmente a través del dosel del bosque como a través del paisaje, lo cual es difícil de simular. Sólo conocemos otro estudio que intentó simular los impactos de la tormenta de hielo en un ecosistema forestal25. En este caso, se utilizó un rifle para quitar hasta el 52% de la corona en un soporte de pino loblolly en Oklahoma. Aunque este método produjo resultados característicos de las tormentas de hielo, no es eficaz para eliminar ramas más grandes y no hace que los árboles se doblen, lo que es común con las tormentas de hielo naturales. Si bien no se han utilizado otros métodos experimentales para estudiar específicamente las tormentas de hielo, hay algunos paralelismos entre nuestro enfoque y otros tipos de manipulaciones de perturbaciones forestales. Por ejemplo, la dinámica de la brecha se ha estudiado talando árboles individuales26,invasiones de plagas forestales por ceñimientos27,y huracanes mediante la poda de28 o tirando de árboles enteros con un cabrestante y cable29. De estos enfoques, la poda imita más estrechamente los impactos de las tormentas de hielo, pero es laboriosa y costosa. Los otros enfoques causan la mortalidad de árboles enteros, en lugar de la rotura parcial de extremidades y ramas que es típica de las tormentas de hielo natural.

El protocolo descrito en este documento es útil para imitar de cerca las tormentas de hielo naturales e implica rociar agua sobre el dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación para simular eventos de hielo glaseado. El método ofrece ventajas sobre otros medios porque el daño se puede distribuir relativamente uniformemente a través de los bosques sobre un área grande con menos esfuerzo que la poda o derribo de árboles enteros. Además, la cantidad de acreción de hielo se puede regular a través del volumen de agua aplicada y seleccionando un tiempo para rociar cuando las condiciones climáticas son propicias para una formación óptima de hielo. Este enfoque experimental novedoso y relativamente barato permite controlar la intensidad y la frecuencia de la formación de hielo, que es esencial para identificar umbrales ecológicos críticos en los ecosistemas forestales.

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Protocol

1. Desarrollar el diseño experimental

  1. Determinar la intensidad y frecuencia de la formación de hielo en función de valores realistas.
  2. Determine el tamaño y la forma de los trazados.
    1. Si el objetivo es evaluar las respuestas de los árboles, seleccione un tamaño de parcela lo suficientemente grande como para incluir varios árboles y la mayoría de sus sistemas raíz, que varía en función de factores como las especies de árboles y la edad.
    2. Por motivos de seguridad, diseñe las parcelas para que toda el área de parcela se pueda rociar desde fuera del límite.
    3. El espacio se traza lo suficientemente separado (por ejemplo, 10 m) para que un tratamiento en una parcela no afecte a otra.
    4. Establecer una zona de amortiguación (por ejemplo, 5 m) alrededor de las parcelas para reducir los efectos de borde y asegurar una distribución más uniforme de la cobertura de hielo.
    5. Establezca subtramas dentro de las gráficas más grandes para necesidades específicas de muestreo.
  3. Decida el número de trazados de réplica.

2. Seleccione y establezca una ubicación de estudio

  1. Seleccione un soporte forestal homogéneo con características similares, como la composición de especies de árboles, suelos, litología e hidrología.
  2. Seleccione una ubicación para la aplicación en un área donde haya acceso a una fuente de agua durante el invierno.
  3. Asegúrese de que el suministro de agua es adecuado para la aplicación de hielo en función de la velocidad de la bomba y otros factores como el diámetro de la manguera, la longitud de la manguera, la boquilla utilizada y la presión del agua.
  4. Marque el límite de los trazados, la zona de búfer y las subtramas.
  5. Llevar a cabo un inventario forestal completo con descripciones de las condiciones de salud de los árboles, incluidas las evaluaciones de árboles muertos, moribundos y dañados. Además, registre cualquier posible factor de estrés (por ejemplo, evidencia de daño o enfermedad de insectos) para ayudar a interpretar la respuesta al tratamiento con hielo.
  6. Si utiliza UTVs para rociar agua, cree senderos transitables a lo largo de los lados de las parcelas mientras tiene cuidado de minimizar las perturbaciones.
  7. Una vez establecidas las parcelas, asigne aleatoriamente un tratamiento a cada parcela y tipo de muestreo que se llevará a cabo en cada subtrama (por ejemplo, escombros leñosos gruesos, basura fina, muestras de suelo).

3. Temporización de la solicitud

  1. Seleccione una ventana de tiempo adecuada para realizar la pulverización.
  2. Realice el experimento cuando las condiciones climáticas sean propicias (por ejemplo, cuando la temperatura del aire es inferior a -4 oC y la velocidad del viento es inferior a 5 m/s).
  3. Si se rocía por la noche, despliegue luces de alta potencia alrededor del borde de las parcelas y ejecútelas en generadores si no hay electricidad disponible.

4. Configure el suministro de agua

  1. Configure una bomba de suministro en la fuente de agua y conecte una manguera de aspiración.
  2. Conecte un colador al extremo de la manguera de aspiración para mantener los residuos fuera de las líneas.
  3. Atraviesa cualquier hielo superficial y sumerge completamente el colador. La profundidad mínima del suministro de agua debe ser de unos 20 cm.
  4. Coloque una bomba de refuerzo en la cama de un UTV para mejorar la presión del agua. En algunos casos, una bomba de refuerzo puede no ser necesaria, especialmente para la vegetación de baja estatura.
  5. Ejecute una manguera de extinción de incendios desde la bomba de suministro hasta la bomba de refuerzo.
  6. Utilice un monitor de lucha contra incendios para permitir un control manual y seguro sobre la manguera de alta presión. El monitor puede estar de pie o montado en la parte posterior de un UTV.
  7. Evite situaciones que puedan interrumpir el flujo de agua, como torceduras en la manguera, reducción de agua en la fuente de suministro y quedarse sin gasolina para las bombas.

5. Creación del hielo

  1. Cree hielo rociando agua verticalmente a través de huecos en el dosel. Asegúrese de que el agua se extiende por encima de la altura del dosel de modo que se deposite verticalmente y se congele en contacto con superficies de subcongelación. Evite despojar las ramas y la corteza de los árboles a medida que el agua se rocía hacia arriba.
  2. Distribuya uniformemente el spray sobre el dosel del bosque conduciendo lentamente el UTV de ida y vuelta a lo largo del borde del área de aplicación. Si se utilizan monitores independientes, muévalos manualmente para asegurarse de que la cobertura es uniforme.
  3. Realice un seguimiento del momento de la aplicación para ayudar a determinar factores como las condiciones climáticas durante la aplicación y el volumen de agua pulverizada.

6. Mida la acreción del hielo

  1. Realice mediciones de pinzas basadas en el suelo del espesor radial de hielo en ramas o ramas de nivel inferior cerca del borde del área de aplicación para supervisar la acreción de hielo durante la aplicación y determinar cuándo se ha alcanzado el espesor objetivo.
  2. Obtenga estimaciones más precisas de la acreción de hielo con colectores pasivos de hielo después de la aplicación(Figura 1).
    1. Antes de la aplicación, construya colectores pasivos de hielo con dos tacos orientados sobre tres ejes cardinales30 para crear colectores con seis brazos componentes.
    2. Cortar tacos de 2,54 cm a una longitud de 30 cm.
    3. Une los tacos con un conector de acero de 6 vías.
    4. Utilice un peso de tiro arborista para encadenar el cordón de paracaídas sobre ramas robustas que puedan soportar la carga de hielo.
    5. Fije los colectores pasivos de hielo al cable y elójelos en el dosel.
    6. Una vez completada la aplicación, baje los colectores al suelo, teniendo cuidado de no perder ningún hielo del colector.
    7. Realice mediciones verticales y horizontales del espesor del hielo con pinzas en múltiples ubicaciones en el colector (por ejemplo, tres mediciones verticales y tres horizontales en tres ubicaciones a lo largo de cada brazo) antes e inmediatamente después de la aplicación de hielo.
    8. Calcule el espesor del hielo en cada colector como la diferencia entre las medidas antes y después de la aplicación.
    9. Para determinar el espesor del hielo con el método de volumen de agua, utilice una sierra recíproca para cortar cada espiga.
    10. Lleve los tacos a un edificio climatizado, colóquelos en cubos y deje que el hielo se derrita a temperatura ambiente.
    11. Mida el volumen del agua de fusión con un cilindro graduado.
    12. Calcular el espesor del hielo en función del volumen de agua y la densidad del hielo31.

7. Consideraciones de seguridad

  1. Manténgase bien fuera del área de tratamiento de hielo durante la pulverización porque las cargas de hielo pueden hacer que las ramas y las extremidades se rompan y caigan.
  2. Use cascos o cascos duros para proporcionar protección mientras se aplica el hielo y durante cualquier muestreo que se produzca en el área tratada después de la aplicación.
  3. Utilice un monitor para estabilizar la manguera durante la pulverización.
  4. Vístete apropiadamente para condiciones peligrosas y clima de subcongelación. Use ropa brillante y visible. Esté preparado para pasar largos períodos en condiciones húmedas y frías usando equipo de lluvia y capas de ropa de abrigo. Traiga múltiples cambios de ropa, especialmente para el personal que está designado para rociar.
  5. Si trabaja en un lugar remoto, configure una tienda de almacenamiento temporal equipada con un calentador portátil.
  6. Permita que el personal tenga tiempo adecuado para descansos, cambiarse de ropa mojada y abordar los problemas que surgen con el equipo, etc.
  7. Utilice radios para comunicarse entre el personal durante el experimento. Mantenga contacto con el personal en una estación base.
  8. Desarrollar un plan de seguridad en caso de emergencias médicas. Tener personal médico (por ejemplo, técnicos médicos de emergencia) y equipos y suministros de emergencia en el lugar durante el experimento.

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Representative Results

Una simulación de tormenta de hielo se llevó a cabo en un bosque de madera dura del norte de 70 u2012100 años de edad en el bosque experimental de Hubbard Brook en el centro de New Hampshire (43 s 56o N, 71o 45o W). La altura del soporte es de aproximadamente 20 m y las especies arbóreas dominantes en el área de la aplicación de hielo son haya americana (Fagus grandifolia), arce de azúcar (Acer saccharum), arce rojo (Acer rubrum) y abedul amarillo (Betula alleghaniensis). Se establecieron diez parcelas de 20 m x 30 m y se les asignó aleatoriamente un tratamiento. La mayor parte del muestreo se produjo dentro de una gráfica interna de 10 m x 20 m para permitir un búfer de 5 m. La parcela interior se dividió en ocho subtramas de 5 m x 5 m designadas para diferentes tipos de muestreo. Había dos parcelas de réplica para cada uno de los cinco tratamientos, que consistían en un control (sin hielo) y tres niveles objetivo de acreción de hielo radial: bajo (6,4 mm), medio (12,7 mm) y alto (19,0 mm). Dos de las parcelas de tratamiento de nivel medio (midx2) fueron heladas en años consecutivos para evaluar los impactos de tormentas consecutivas. La fumigación se produjo durante los inviernos de 2016 (18 de enero, 27-u201228 y 11 de febrero) y 2017 (14 de enero). El agua fue bombeada desde la rama principal de Hubbard Brook, que estaba cubierta de hielo y tenía temperaturas de arroyo cerca de congelación. Las temperaturas del aire superficial en el momento de las aplicaciones oscilaron entre -13 y -4 oC y la velocidad del viento era inferior a 2 m/s.

La acumulación de hielo se midió en colectores pasivos de hielo (cuatro por parcela) utilizando los métodos de volumen de agua y pinza como se describió anteriormente (sección 6 del protocolo; Figura 1). El espesor medio de hielo fue inferior a los valores objetivo en los tratamientos de hielo medio y alto (4,3 mm y 5,8 mm menos, respectivamente). El espesor del hielo en los tratamientos bajo, mediox2 y 2 y2 estaba dentro de los 2 mm de los valores objetivo (Tabla 1). A pesar de algunas diferencias con respecto a los valores objetivo, los tratamientos proporcionaron una gama de espesor de hielo radial (0-u201216.4 mm) para evaluar los efectos del ecosistema. Este rango fue comparable al 0-u201214.4 mm de hielo radial registrado en el Bosque Experimental Hubbard Brook después de la tormenta de hielo de 199832. La acreción media de hielo en colectores individuales indicó una fuerte relación positiva entre los métodos de medición del volumen de agua y la pinza (R2 a 0,95; p < 0,01; Figura 2). Las mediciones utilizando el método de volumen de agua superaron las mediciones con el método de pinza cuando había más de 8 mm de hielo (Figura 2). Esta diferencia se debe a la presencia de carámbanos, que se forman a medida que se acumula hielo, y se captura más eficazmente con el método de volumen de agua. Cuando la acumulación de hielo era inferior a 8 mm, las mediciones del método de volumen de agua fueron ligeramente menores que las mediciones del método de pinza, que se atribuye a la densidad de hielo. Calculamos el espesor del hielo con el método de volumen de agua utilizando la densidad de hielo glaseado (0,92 g/cm3); sin embargo, el hielo en el tratamiento tenía burbujas de aire y probablemente tenía una densidad menor que este valor teórico.

Tiempos totales de pulverización (horas/manguera) promediados 2 h 20 min para el bajo, 4 h 50 min para el medio, y 8 h para los tratamientos de alto hielo. El tiempo real dedicado a la pulverización en el campo fue aproximadamente la mitad de estos tiempos totales, ya que se utilizaron dos mangueras simultáneamente para rociar cada parcela. Hubo una relación positiva significativa entre el tiempo de pulverización y la acreción de hielo medida con el método del volumen de agua (R2 a 0,46 ; p a 0,03; Figura 3a) y el método de la pinza (R2 a 0,56; p a 0,01). La tasa media de acreción de hielo osciló entre 1,4 y 4,2 mm/h en todas las parcelas. Hubo una relación inversa marginalmente significativa entre la temperatura del aire y la acreción del hielo medida con el método del volumen de agua (R2 a 0,40; p a 0,05; Figura 3b) y ninguna relación significativa con el método de la pinza (R2 a 0,15; p a 0,27).

Se realizaron evaluaciones rápidas de la cubierta del dosel durante los veranos antes de (2015) y después de aplicar el hielo (2016). Los datos no se recopilaron en el segundo año después del tratamiento (2017); por lo tanto, el tratamiento midx2 sólo se evaluó después de haber sido rociado inicialmente. Se utilizó un tubo ocular para registrar la presencia o ausencia de cubierta de dosel directamente por encima de los transectos en las parcelas33. Si bien este método es eficaz para estimar la cubierta del dosel, requiere un muestreo intensivo, que puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Las mediciones basadas en tierra con un área de visión más grande, como los densiómetros de dosel34,proporcionan una medida del cierre del dosel y requieren menos muestreo y tienen una menor variabilidad a nivel de soporte35,,36. Sin embargo, se debe tener cuidado para garantizar que el ángulo de visión no capture la vegetación fuera de la parcela tratada.

Los datos de la cubierta del dosel se analizaron utilizando un modelo mixto lineal generalizado con una distribución binomial. El tratamiento de hielo se incluyó como un efecto fijo y la gráfica como un efecto aleatorio. Los resultados no mostraron diferencias significativas entre las 10 parcelas de las encuestas previas al tratamiento(Figura 4A),mientras que las encuestas posteriores al tratamiento indican disminuciones significativas en la cubierta del dosel en los tratamientos de hielo medio, medio y alto en relación con el control (Figura 4B). Estas disminuciones generales en la cubierta del dosel con el aumento del apoyo a la acreción de hielo resultan de un análisis más riguroso de Fahey et al.37 que mostró cambios estructurales significativos en el dosel del bosque que eran proporcionales a la cantidad de hielo aplicado.

Los efectos de las tormentas de hielo simuladas en las temperaturas del suelo superficial se evaluaron durante el muestreo en agosto de 2017 (es decir, dos temporadas de crecimiento después de que todas las parcelas se habían helado una vez, y la temporada de crecimiento después de las parcelas midx2 se había helado dos veces). Las mediciones se realizaron por la tarde entre las 12:30 pm y las 2:00 pm. Las temperaturas del suelo se midieron manualmente con sondas de temperatura del suelo Oakton (precisión de 0,5 oC) que se insertaron en el suelo a 2 cm y 5 cm de profundidad. Las mediciones se realizaron en una cuadrícula de 2,5 m simultáneamente en una gráfica de tratamiento y una gráfica de control emparejada. No se realizaron mediciones en las parcelas de tratamiento bajo, ya que mostraron impactos mínimos de hielo en la vegetación. Los resultados de la temperatura del suelo mostraron que los suelos de las parcelas tratadas eran significativamente más cálidos que las parcelas de control a ambas profundidades (2 cm y 5 cm) para los tres niveles evaluados (medio, mediox2, alto; Figura 5A,B). Las temperaturas fueron ligeramente más cálidas en el suelo más superficial en comparación con el suelo más profundo, y los efectos del tratamiento fueron mayores. Las parcelas tratadas eran de 0,4 a 1,5 oC más cálidas que los controles para la profundidad de 2 cm y de 0,2 a 0,5 oC más cálidas para la profundidad de 5 cm. Los tratamientos abrieron claramente el dosel del bosque, lo que hizo que más luz llegara al suelo del bosque, lo que resultaba en temperaturas más altas del suelo.

Figure 1
Figura 1: Colector pasivo de hielo para medir la acreción de hielo radial. (A) Vista del colector de hielo en el dosel del bosque antes de la aplicación de hielo. (B) Realizar mediciones de pinza de acreción de hielo en los colectores después de bajarlos del dosel. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Comparación de dos métodos para medir la acreción de hielo radial. El método de la pinza implica mediciones de hielo en los tacos. El método de volumen de agua consiste en medir el volumen de agua derretida de los tacos y calcular el espesor radial del hielo utilizando una densidad de hielo supuesta. Se muestran tres niveles de acreción de hielo objetivo (bajo de 6,4 mm, medio a 12,7 mm, alto a 19 mm) y la línea discontinua es la línea 1:1. Cada punto representa un colector de hielo pasivo y es la media de seis mediciones en cada uno de los seis brazos componentes (es decir, 36 mediciones por colector). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Tasas de acreción de hielo. (A) La relación entre el tiempo de pulverización y la acreción total del hielo. (B) La relación entre la temperatura media del aire durante la aplicación y la tasa de acreción de hielo. Se muestran tres niveles de acreción de hielo objetivo (bajo de 6,4 mm, medio a 12,7 mm, alto a 19 mm). Los valores de acreción de hielo mostrados se determinaron con el método de volumen de agua. Cada punto representa una parcela, con diferentes puntos para cada año del tratamiento midx2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Cubierta del dosel estimada con tubos oculares. (A) Cubierta del dosel del pretratamiento para los diversos tratamientos de hielo. (B) Los valores de cubierta del dosel obtenidos durante la primera temporada de crecimiento después de aplicar el hielo. Los datos se analizaron utilizando un modelo mixto lineal generalizado con una distribución binomial. Las barras de error indican que el intervalo de confianza del 95% y las letras minúsculas representan diferencias significativas en el valor de 0,05. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Efectos del tratamiento de hielo en la temperatura del suelo. (A) Temperatura del suelo medida a 2 cm de profundidad. (B) Temperatura del suelo medida a 5 cm de profundidad. Los datos se analizaron utilizando un modelo lineal general. Las barras de error indican el intervalo de confianza del 95% y los asteriscos indican diferencias significativas entre el control y el tratamiento en el valor de 0,05. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Método Bajo Mediados Mid x 2 y1 Mid x 2 y2 Alto
Objetivo 6.4 12.7 12.7 12.7 19.1
Volumen de agua 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
Calibrador 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

Tabla 1: Valores de acreción de hielo objetivo en comparación con los valores reales medidos en colectores pasivos utilizando tanto el volumen de agua como los métodos de pinza. Las unidades son milimétricas y el error estándar se indica entre paréntesis. Las letras de superíndice indican diferencias significativas entre los tratamientos determinados con un modelo mixto lineal generalizado.

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Discussion

Es fundamental realizar simulaciones experimentales de tormentas de hielo en condiciones climáticas adecuadas para garantizar su éxito. En un estudio anterior30, encontramos que las condiciones óptimas para la pulverización son cuando las temperaturas del aire están por debajo de -4 oC y las velocidades del viento son inferiores a 5 m/s. Las tormentas de hielo naturales ocurren con mayor frecuencia cuando las temperaturas del aire son ligeramente inferiores a la congelación (-1 a 0 oC), y aunque las temperaturas ideales para las simulaciones de tormentas de hielo son más frías, todavía están dentro del rango de temperatura de los eventos de lluvia helada observados -15 a 0 oC16. Debido a que se requieren temperaturas sostenidas por debajo de la congelación, este enfoque experimental está restringido a lugares más al norte, y puede ser difícil de realizar incluso en lugares relativamente fríos como el bosque experimental Hubbard Brook, donde la temperatura media mensual baja del aire es de -9 oC en enero, pero regularmente fluctúa por encima de la congelación. La pulverización por la noche puede ser ventajosa ya que es cuando las temperaturas del aire son típicamente más frías, y los efectos de la radiación solar son insignificantes.

Hay varios desafíos con experimentos de simulación de tormentas de hielo. En los bosques con dosel altos, puede ser difícil rociar las copas de los árboles. Muchos factores afectan la altura del pulverizador, incluida la velocidad de la bomba y la distancia entre la fuente de agua y el área de aplicación. Dado que los cálculos de altura de pulverización son complejos y específicos para el sitio y el equipo utilizado, es útil realizar pruebas de pulverización antes del experimento para que se puedan realizar los ajustes adecuados. Otro desafío es determinar cuándo dejar de rociar porque las mediciones del espesor del hielo son difíciles de obtener durante la simulación. Los colectores pasivos de hielo se pueden utilizar para este propósito, pero requieren ramas robustas dentro de las parcelas para el apoyo. Varios de los colectores que instalamos fueron dañados o cayeron durante el experimento. Por seguridad, colocamos los colectores cerca del borde de las parcelas para evitar tener que entrar en el área experimental, lo que puede haber contribuido a la subestimación de la acreción de hielo en algunas parcelas (Tabla 1). Puede llevar mucho tiempo y ser difícil bajar los colectores y hacer mediciones durante la aplicación. Las mediciones basadas en tierra pueden ayudar en este sentido, pero pueden no representar mejor la acreción de hielo en el dosel superior. La densidad de hielo en la simulación de tormenta de hielo era algo menor que el hielo que se forma durante una tormenta de hielo natural. Esta diferencia fue apoyada por mediciones de hielo en colectores y era visualmente evidente, ya que el hielo era más opaco que el hielo glaseado que se forma en tormentas naturales. A pesar de estas diferencias en la densidad de hielo, la tormenta de hielo simulada resultó en una perturbación que era difusa y hizo que los árboles y las extremidades se doblaran y se rompieran, al igual que una tormenta de hielo natural. Por lo tanto, este método refleja más de cerca los impactos de tormentas de hielo en comparación con otros métodos potenciales, como disparar, ceñir, podar o tirar de árboles.

Aunque las parcelas eran relativamente grandes para un experimento manipulador (20 m x 30 m), aumentar el tamaño de las parcelas reduciría la influencia de árboles no afectados fuera de las parcelas. Incluso con un amortiguador, los árboles altos que rodean las parcelas podrían afectar potencialmente a respuestas como la caída de basura, la disponibilidad de luz y la temperatura del suelo. Además, las parcelas sin duda contenían raíces de fuera del límite que podrían haber alterado los procesos bajo tierra. La biomasa y la actividad microbianas, el nitrógeno del suelo, la mineralización y nitrógeno y la nitrificación, y las pérdidas de solutos en el agua del suelo no mostraron efectos significativos de las aplicaciones de hielo38 a pesar de las principales perturbaciones sobre el suelo37. La falta de respuesta bajo tierra fue inesperada, especialmente para la lixiviación de nitratos, que se demostró que era sensible a la perturbación de la tormenta de hielo después de la tormenta de hielo natural que afectaba a Hubbard Brook en 1998. Tras esa tormenta se observaron grandes pérdidas de nitrato en la solución del suelo y se atribuyeron a la reducción de la absorción debido a las coronas arbóreas dañadas39. La falta de respuesta de nitrógeno en la simulación de tormenta de hielo podría ser el resultado de la absorción de raíces de árboles sanos fuera de las parcelas; sin embargo, los daños y los huecos en el dosel eran lo suficientemente grandes como para que se esperara alguna respuesta. Una explicación más probable de la falta de respuesta bajo en el suelo son las disminuciones a largo plazo del nitrógeno disponible que se han observado en el sitio, lo que resulta en un endurecimiento general del ciclo de nitrógeno, con una lixiviación mínima de nitrato38,,40.

El método de simulación de tormentas de hielo ha demostrado ser exitoso en el bosque de madera dura del norte en el bosque experimental Hubbard Brook y ha ayudado a cuantificar las respuestas del ecosistema e identificar los umbrales críticos37,,38. En estudios futuros, sería útil aplicar este enfoque en otros tipos de bosques y en condiciones diferentes. Por ejemplo, el impacto del viento en los árboles cargados de hielo podría intensificar los efectos y aún no ha sido evaluado en un experimento controlado. Además, este método ofrece una oportunidad ideal para cuantificar los impactos de los factores de estrés compuestos que son comunes en los ecosistemas forestales (por ejemplo, brotes de insectos, patógenos, sequía, contaminantes, congelación del suelo). La aplicación de este método en un diseño multifactorial permitiría un enfoque estadísticamente riguroso para evaluar los efectos interactivos que no surgirían mediante la evaluación de los impactos de tormentas de hielo por sí solos, y más parecidos a las condiciones naturales. Aunque sólo hemos evaluado las respuestas en los primeros años después de las aplicaciones, será útil realizar un seguimiento del deterioro o la recuperación de los bosques a largo plazo. Si bien el enfoque de nuestras simulaciones de tormentas de hielo se ha centrado principalmente en los ecosistemas forestales, el método podría aplicarse de otras maneras, como evaluar los impactos de las cargas de hielo en las líneas de servicios públicos y otras infraestructuras. A pesar de algunas limitaciones, el enfoque es altamente eficaz en la simulación de tormentas de hielo naturales y es una mejora sobre los métodos alternativos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar. La referencia en este documento a cualquier producto, proceso o servicio comercial específico por nombre comercial, marca comercial, fabricante o de otra manera, no necesariamente constituye ni implica su respaldo, recomendación o favorecimiento por parte del Gobierno de los Estados Unidos. Las opiniones y opiniones de los autores expresadas en el presente documento no necesariamente expresan ni reflejan las del Gobierno de los Estados Unidos, y no se utilizarán con fines publicitarios o de respaldo de productos.

Acknowledgments

La financiación de esta investigación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias (DEB-1457675). Agradecemos a los muchos participantes en el Experimento Tormenta de Hielo (ISE) que ayudaron con la aplicación de hielo y el trabajo de campo y laboratorio asociado, especialmente Geoff Schwaner, Gabe Winant y Brendan Leonardi. Este manuscrito es una contribución del Estudio del Ecosistema Hubbard Brook. Hubbard Brook es parte de la red de Investigación Ecológica a Largo Plazo (LTER), que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation (DEB-1633026). El bosque experimental Hubbard Brook es operado y mantenido por el Servicio Forestal del USDA, Northern Research Station, Madison, WI. El vídeo y las imágenes son de Jim Surette y Joe Klementovich, cortesía de la Fundación de Investigación Hubbard Brook.

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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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).

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