模拟冰风暴对森林生态系统的影响

摘要

冰风暴是重要的天气事件，由于难以预测其发生，因此难以研究。在这里，我们描述了一种模拟冰风暴的新方法，该方法涉及在亚冰天基条件下在森林树冠上喷洒水。

摘要

冰风暴对经历冰冻条件地区的森林生态系统的结构和功能产生深刻和持久的影响。目前的模型表明，随着气候变化，冰风暴的频率和强度可能在接下来的几十年内增加，从而增加人们对了解其影响的兴趣。由于冰风暴的随机性以及预测冰风暴何时和在哪里会发生的困难，过去对冰风暴生态影响的调查大多数都是基于重大风暴之后的案例研究。由于强烈的冰风暴是极其罕见的事件，因此通过等待其自然发生来研究它们是不切实际的。在这里，我们提出了一种新的替代实验方法，涉及在田间条件下对林地的釉冰事件进行模拟。使用这种方法，当气温低于冰点时，从溪流或湖泊中抽水，喷洒在森林树冠上方。水在与冷表面接触时下雨而结冰。当冰堆积在树上时，树枝弯曲和断裂;通过与未经处理的参考站进行比较可以量化的损害。所述的实验方法是有利的，因为它能够控制冰的时间和量。创建不同频率和强度的冰风暴，可以确定预测和准备冰风暴影响所需的关键生态阈值。

引言

冰风暴是一种重要的自然扰动，可对环境和社会产生短期和长期影响。强烈的冰风暴是有问题的，因为它们破坏树木和作物，破坏公用事业，并损害道路和其他^{基础设施,1，2。}冰风暴造成的危险条件可能导致事故，造成人员伤亡^2。冰风暴代价高昂;美国3个州每年平均损失3.13亿美元，^其中个别风暴超过10亿^美元。在森林^,生态系统中，冰风暴可能产生负面后果，^{包括生长减少和树木死亡率下降5、6、7，}火灾风险增加，害虫和病原体^{,6扩散,8，9，10。,10}它们也可以对森林产生积极的影响，例如增加幸存树木^的生长5和增加生物多样性^11。提高我们预测冰风暴影响的能力将使我们能够更好地准备和应对这些事件。

冰风暴发生时，一层潮湿的空气，高于冰点，覆盖一层亚冻结空气接近地面。雨水从温暖的空气超冷层中落下，穿过冷层，在亚冻结表面沉积时形成釉冰。在美国，这种热分层可以由特定区域^{12，13的气象天气模式产生}。冻雨最常见的是由北极战线在强反气旋13之前向东南移动穿过^{美国造成的}。在一些地区，地形有助于通过冷空气筑坝为冰风暴创造必要的大气条件，这是一种气象现象，当来自来袭风暴的暖空气覆盖与^14、15山脉一起根深蒂固的冷空气^{时，就会出现这种气象现象}。

在美国，冰风暴最常见于从缅因州到德克萨斯州^{西部的"冰带"。,17}冰风暴也发生在太平洋西北地区相对较小的地区，特别是在华盛顿和俄勒冈的哥伦比亚河流域附近。美国大部分地区每年^至少经历一些冻雨，其中最易结冰地区的中位数为7个或更多冻雨日（其中至少每小时观测一次冻雨）。许多风暴相对较小，尽管确实发生了更强烈的冰风暴，尽管复发间隔要长得多。例如，在新英格兰，径向冰厚度的范围是19至32毫米的风暴，50年的复发间隔^18。经验证据表明，北纬地区冰风暴越来越频繁，南^{纬19、20、21,20,}度的冰^{风暴越来越频繁}。这一趋势预计将继续下去，根据计算机模拟利用未来的气候变化预测^{22，23。22,}然而，由于缺乏数据和物理了解，与其他类型的极端事件^24，更难发现和预测冰风暴的趋势。

由于主要的冰风暴相对较少，因此它们很难研究。很难预测它们何时和在哪里会发生，而且为了研究目的"追逐"风暴通常不切实际。因此，大多数冰风暴研究都是在重大风暴之后进行计划外的临时评估。由于在风暴前无法收集基线数据，因此这种研究方法并不理想。此外，当冰风暴覆盖大面积时，可能很难找到未受影响的区域与受损区域进行比较。实验方法可能具有优势，因为它能够密切控制结冰事件的时间和强度，并允许适当的参考条件来清楚地评估影响，而不是等待自然风暴的发生。

实验方法也构成挑战，特别是在森林生态系统中。与低矮的草原或灌木林相比，树木和树冠的高度和宽度使得它们难以在实验中操作。此外，冰风暴的干扰是分散的，垂直穿过森林树冠和整个景观，这是很难模拟的。我们只有一项研究试图模拟冰风暴对森林生态系统^的影响。在这种情况下，在俄克拉荷马州的松树架上，用步枪将高达52%的王冠摘下来。虽然这种方法产生了冰风暴特有的结果，但它在去除较大的树枝方面并不有效，并且不会导致树木弯曲，这是自然冰风暴的常见现象。虽然没有使用其他实验方法来专门研究冰风暴，但我们的方法与其他类型的森林扰动操纵之间有一些相似之处。例如，通过砍伐^{个别树木26棵、通过修剪树木27棵和飓风，通过砍倒28棵或}用山车和电缆砍倒整棵树^来研究缺口^动力学。在这些方法中，修剪最密切地模仿冰风暴的影响，但劳动密集型和成本高昂。其他方法会导致整个树木的死亡，而不是自然冰风暴中典型的四肢和树枝的部分断裂。

本文描述的协议对于密切模拟自然冰暴非常有用，涉及在亚冰天地条件下在森林树冠上喷洒水，以模拟釉面冰事件。这种方法与其他方法相比具有优势，因为损伤可以相对均匀地分布在整个森林中，比修剪或砍伐整棵树的工作量要小。此外，通过施加的体积和选择在天气条件有利于最佳结冰时喷洒的时间，可以调节冰的累积量。这种新颖且相对便宜的实验方法能够控制结冰的强度和频率，这对于确定森林生态系统中的关键生态阈值至关重要。

研究方案

1. 开发实验设计

1. 根据真实值确定结冰的强度和频率。
2. 确定绘图的大小和形状。
   1. 如果目标是评估树响应，请选择足够大的绘图大小，以包括多个树及其大多数根系，具体取决于树种和年龄等因素。
   2. 出于安全考虑，设计绘图，以便从边界外喷洒整个绘图区域。
   3. 空间图相距足够远（例如 10 米），因此一个绘图中的处理不会影响另一个绘图。
   4. 在地块周围建立一个缓冲区（例如 5 米），以减少边缘效应，并确保冰覆盖分布更加均匀。
   5. 在较大的图中建立子图，以满足特定的采样需求。
3. 确定复制图的数量。

2. 选择并建立学习地点

1. 选择具有类似特征的同质林架，如树种组成、土壤、岩经和水文。
2. 在冬季可以进入水源的地区，为应用选择一个位置。
3. 根据泵速率和其他因素（如软管直径、软管长度、使用的喷嘴和水压）确保供水充足，以适合冰应用。
4. 标记绘图、缓冲区和子图的边界。
5. 进行完整的森林清查，描述树木的健康状况，包括死亡、死亡和受损树木的评估。此外，记录任何潜在的压力源（例如昆虫损伤或疾病的证据），以帮助解释对冰处理的反应。
6. 如果使用 UTV 喷水，请沿地块两侧创建可通行的小径，同时小心尽量减少干扰。
7. 一旦地块建立，随机分配处理每个地块和类型的采样，将进行在每个子图（例如，粗木屑，精细垃圾，土壤样本）。

3. 申请时间

1. 选择适当的时间窗口以执行喷涂。
2. 当天气条件有利时（例如，当空气温度低于 -4 °C 且风速小于 5 m/s 时）执行实验。
3. 如果在夜间喷洒，在地块边缘周围部署高功率灯，如果电力不可用，则在发电机上运行。

4. 设置供水

1. 在水源端设置供应泵并连接吸气软管。
2. 将过滤器连接到吸管的端，使碎屑远离管路。
3. 突破任何表面冰，完全淹没过滤器。供水的最低深度应约为20厘米。
4. 将增压泵放在 UTV 的床上，以提高水压。在某些情况下，可能不需要增压泵，尤其是对于低矮的植被。
5. 将消防软管从供油泵运行到增压泵。
6. 使用消防监视器实现对高压软管的安全、手动控制。监视器可以自由站立或安装在 UTV 的背面。
7. 避免可能中断水流的情况，如软管中的扭结、供水源中的水缩水以及泵的汽油耗尽。

5. 创造冰

1. 通过通过树冠中的缝隙垂直喷水来制造冰。确保水延伸到顶篷的高度以上，使其垂直沉积，并在与亚冻结表面接触时冻结。避免从树上剥去树枝和树皮，因为水被向上喷洒。
2. 通过缓慢地沿应用区域边缘来回驾驶 UTV，均匀地在林顶上喷洒喷雾。如果使用自立监视器，请手动移动这些监视器以确保覆盖范围均匀。
3. 跟踪应用的时间安排，以帮助确定应用过程中的天气状况和喷水量等因素。

6. 测量冰的累积

1. 在应用区域边缘附近的低层树枝上对径向冰厚进行地面卡钳测量，以在应用过程中监测冰的累积情况，并确定何时达到目标厚度。
2. 应用后，通过无源冰收集器获得更准确的冰收集估计（图1）。
   1. 在应用之前，在三个主轴30上用两个定位销来构建被动的冰^收集器，以创建具有六个组件臂的收集器。
   2. 切割 2.54 厘米的定位销，长度为 30 厘米。
   3. 使用 6 向钢连接器连接定位销。
   4. 使用树干投掷重量串降落伞绳在坚固的树枝，可以承受冰负载。
   5. 将被动的冰收集器连接到绳索上，并将其举入顶篷。
   6. 申请完成后，将收集器降到地面，小心不要丢失收集器的任何冰。
   7. 在结冰应用之前和之后，在收集器上的多个位置使用卡钳进行垂直和水平测量（例如，每个臂的三个位置有三个垂直和三个水平测量）。
   8. 计算每个收集器上的冰厚，作为应用前和之后测量值之间的差值。
   9. 要使用水体积法确定冰厚，请使用往复锯切割每个定位销。
   10. 将定位销带到加热的建筑中，将它们放在桶中，让冰在室温下融化。
   11. 使用分级油缸测量融水体积。
   12. 根据31号冰的体积和密度计算^冰厚。

7. 安全注意事项

1. 在喷洒过程中，请远离冰处理区，因为冰负载会导致树枝和四肢破裂和脱落。
2. 在应用冰时以及在应用后在处理区域进行的任何取样时，戴上安全帽或头盔以提供保护。
3. 在喷涂过程中，使用监视器稳定软管。
4. 适合危险条件和亚冰冻天气。穿明亮、显眼的衣服。穿着雨具和保暖衣物，准备在潮湿、寒冷的天气中度过很长时间。携带多次换衣服，尤其是指定喷洒的人员。
5. 如果在偏远的位置工作，请搭建一个装有便携式加热器的临时加热帐篷。
6. 允许人员有充足的时间休息、换湿衣服以及解决设备中出现的问题等。
7. 在实验过程中，使用无线电在人员之间进行交流。与基站的人员保持联系。
8. 制定医疗紧急情况时的安全计划。实验期间，请医务人员（如紧急医疗技术人员）和应急设备和用品在现场。

结果

在新罕布什尔州中部的哈伯德布鲁克实验森林（北43°56°，北71°45°）的北部硬木森林中进行了冰风暴模拟。展台高度约20米，在冰应用领域占主导地位的树种是美国山毛虫（法古斯格兰迪福利亚），糖枫（宏基糖），红枫（宏基红宝石）和黄白杨树（贝图拉阿莱加尼西斯）。建立了10个20米×30米地块，并随机分配了一个处理。大多数采样发生在 10 m x 20 m 内部地块内，以?...

讨论

在适当的天气条件下对冰风暴进行实验模拟以确保其成功至关重要。在此前^{的研究中，我们发现}喷洒的最佳条件是当气温低于-4°C，风速低于5米/s时。自然冰风暴最常发生在气温略低于冰点（-1至0°C）时，虽然冰风暴模拟的理想温度较冷，但仍在观测到的冻雨事件-15至0 °C^{16的温度范围内}。由于需要持续低于冰点的温度，这种实验方法仅限于更偏北的位置，即使?...

材料

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