Avances en el estudio de suelos mediterráneos afectados por incendios forestales
- Autores: Patricia Jiménez Pinilla
- Directores de la Tesis: Jorge Mataix Solera (dir. tes.), Victoria Arcenegui Baldo (codir. tes.), Lorena M. Martínez Zavala (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Miguel Hernández de Elche ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Juan Mataix Beneyto (presid.), Fuensanta García Orenes (secret.), Xavier Úbeda (voc.), Ana Paula da Silva Pereira (voc.), G. Bárcenas Moreno (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RediUMH (pdf)
- Resumen
- español
RESUMEN: El fuego es un factor ecológico natural presente en los ecosistemas terrestres, desde mucho antes de que apareciera el hombre. Éste se considera, por tanto, un factor esencial para el correcto funcionamiento de los ecosistemas. La modificación del régimen natural de los incendios forestales en el monte mediterráneo se ha hecho evidente en las últimas décadas, cuyos riesgos son cada vez mayores, debido, fundamentalmente, al continuo abandono del medio rural y los cambios de usos del suelo. Con el aumento de la cobertura vegetal, los incendios representan cada vez un riesgo más elevado, debido a que ocurren cada vez con mayor intensidad, y de manera más descontrolada. Este tipo de incendios descontrolados originan impactos ambientales negativos, y graves consecuencias socioeconómicas en las zonas afectadas.
El impacto del fuego modifica el suelo, el cual es clave para mantener los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y geológicos. Por tanto, el funcionamiento de los ecosistemas terrestres afectados por el fuego se ve alterado a corto, medio o largo plazo, pudiendo llegar a ser incluso permanente, lo que dependerá de múltiples factores. Todas estas modificaciones que se producen por el efecto del fuego en la vegetación, en las propiedades del suelo, la fauna, y los procesos hidrológicos y geomorfológicos, son derivadas del calentamiento directo producido por el propio incendio, así como, de los cambios indirectos generados sobre el paisaje y los recursos naturales, que surgen como consecuencia de la pérdida temporal de la cubierta vegetal y por el recubrimiento de las cenizas generadas debido a la combustión de la vegetación.
El objetivo general de esta Tesis Doctoral “Avances en el estudio de suelos mediterráneos afectados por incendios forestales”, es contribuir en el estudio de los efectos provocados por los incendios forestales en algunas propiedades del suelo inmediatamente después, a corto y medio plazo, así como, de la influencia de diversos factores en la evolución temporal de estas propiedades. Se ha prestado especial atención a la repelencia al agua del suelo (Soil Water Repellency, SWR) y a la agregación del mismo, al ser dos de las propiedades físicas más relevantes en suelos recientemente quemados. Ambas juegan un papel fundamental en el control y la gestión del agua en el suelo, ya que influyen en la infiltración, y por tanto, en la potencial disponibilidad de agua en el suelo para la recuperación de la vegetación, la escorrentía superficial y, por consiguiente, en las tasas de erosión del mismo. La estabilidad de agregados (Aggregate Stability, AS), además, tiene un papel fundamental en la erosionabilidad del suelo, los stocks de materia orgánica, la microbiología edáfica, y en definitiva, la salud del suelo.
Esta tesis se desarrolla en tres capítulos con formato de artículos, los cuales han sido ya publicados en revistas científicas internacionales, de alto índice de impacto, como son Science of the Total Environment (Capítulo 1) y Catena (Capítulos 2 y 3). Asimismo, los resultados obtenidos a lo largo del desarrollo de la tesis, han sido presentados en congresos, tanto nacionales como internacionales, como son la asamblea general anual de la EGU (European Geosciences Union), y los congresos internacionales del FESP (Fire Effects on Soil Properties) y FuegoRED (Red temática nacional Efectos de los Incendios Forestales sobre los Suelos), en sus diferentes ediciones de 2012, 2014 y 2015.
En el Capítulo 1, se presentan los resultados del seguimiento temporal realizado durante dos años en campo de los efectos provocados por un incendio forestal, sobre el comportamiento de la repelencia al agua. Este seguimiento se ha realizado estableciéndose una comparación con una zona adyacente control (no quemada), con características similares a las de la zona afectada. En este estudio se analiza, también, cómo influye el tipo de vegetación predominante (pino y matorral) sobre la evolución temporal de la repelencia al agua del suelo y la influencia de la presencia de cenizas. Para la determinación del efecto de las cenizas en la dinámica de la repelencia al agua del suelo, se establecen diferentes tratamientos: (1) la simulación de la erosión eólica de cenizas y (2) la incorporación de cenizas en los primeros centímetros del perfil del suelo, debido a una entrada inicial de agua tras el incendio. A lo largo de los dos años de monitorización en campo, también se establece una relación entre la evolución temporal de la repelencia al agua del suelo, y las fluctuaciones en el contenido de humedad del mismo. Los resultados obtenidos de la monitorización en campo de la repelencia al agua del suelo, se han comparado con resultados de medidas realizadas en muestras de suelo en condiciones de laboratorio. La repelencia al agua en el suelo sólo incrementa, inmediatamente después del efecto del incendio, bajo la influencia del pino. En general, a lo largo de todo el estudio, la evolución de la repelencia al agua es diferente en las parcelas afectadas por el fuego de las parcelas no afectadas, aunque, en ambas zonas, las fluctuaciones registradas de repelencia al agua, durante toda la monitorización, están altamente condicionadas por el contenido en humedad del suelo, de manera que, en los períodos en los que el suelo registra contenidos más elevados de humedad, la repelencia al agua disminuye, y al contrario. Por otro lado, se comprueba que las cenizas juegan un papel importante en la evolución de la repelencia al agua tras el paso del incendio, siendo el tratamiento en el que se eliminaron las cenizas, el que muestra los valores más bajos de este parámetro. Sólo las muestras analizadas en laboratorio bajo la influencia de pino mostraron repelencia al agua, aunque siempre con valores más bajos que los obtenidos en condiciones de campo.
Por otro lado se sabe, gracias a estudios previamente realizados, que la repelencia al agua del suelo es una propiedad altamente influenciable por las condiciones ambientales como son, la temperatura y la humedad relativa del aire, el contenido en agua del suelo y los ciclos de secado y humectación del mismo. La humedad relativa del aire y la morfología de la superficie del suelo, son dos de los factores que influyen en el comportamiento de la repelencia al agua del suelo. La influencia de la humedad atmosférica relativa y la morfología de la superficie del suelo, en la repelencia al agua del mismo, ya han sido previamente estudiados, pero siempre en suelos no afectados por el fuego. Por ello, el Capítulo 2 trata de aportar posibles respuestas sobre cómo afecta la influencia de la humedad atmosférica relativa y la morfología de la superficie de las partículas del suelo, en la repelencia al agua de un suelo quemado, estableciendo también, una comparación de la influencia del tipo de vegetación predominante (pino y matorral) de la zona. Los estudios de laboratorio bajo condiciones controladas ayudan a entender mejor lo que sucede en campo, aunque indiscutiblemente, los resultados obtenidos no son totalmente extrapolables. Para la realización de este estudio, se realizan calentamientos experimentales controlados en condiciones de laboratorio, a siete temperaturas diferentes (50, 100, 150, 200, 250, 300 y 350 °C), simulando diferentes severidades de un fuego, en un suelo calcáreo mediterráneo. Posteriormente, las muestras se someten a diferentes humedades ambientales relativas (30, 50, 70 y 95%) en una cámara sellada herméticamente, durante 48 horas. La persistencia de la repelencia al agua en las muestras se determina mediante el test del tiempo de penetración de la gota de agua (Water Drop Penetration Time test, WDPT), mientras que la severidad de la repelencia al agua se mide mediante los métodos del test de la molaridad del etanol (Molarity of Ethanol Droplet test, MED) y del ángulo de contacto (advancing Contact Angle, CA). Asimismo, también en este capítulo, se analizan dos materiales modelo con diferente morfología superficial (esférica y angular), previamente hidrofobizados y de dos tamaños diferentes, para comparar su comportamiento con el efecto causado en suelos calentados y demostrar, también, la influencia de la morfología superficial de las partículas del suelo. Tanto la persistencia como la severidad de la repelencia al agua del suelo aumentan, con la humedad relativa, y, de manera más pronunciada, en las muestras calentadas a las temperaturas más elevadas. Dicho efecto fue observado, principalmente, en las muestras tomadas bajo la influencia de pino. Por otro lado también, ambos tipos de morfologías superficiales, de las partículas analizadas, muestran un patrón similar de repelencia al agua con la influencia de la humedad relativa.
Por último, en el Capítulo 3, se muestran los resultados de un estudio sobre agregación en suelos quemados. Las diferentes partículas que componen el suelo, se suelen unir de forma natural entre sí, formando unidades secundarias de mayor tamaño, con carácter persistente, y que se denominan agregados. La estabilidad de estos agregados (AS) viene determinada, principalmente, por la acción de los agentes cementantes (inorgánicos y orgánicos), que unen las partículas que los forman. La agregación del suelo es una propiedad de suma importancia para determinar la salud del suelo, y el efecto del fuego puede influir directamente sobre ella, debido a las alteraciones inducidas en los primeros centímetros del suelo, por el incremento brusco de la temperatura, las cuales van a depender, tanto de la severidad, como de la intensidad del fuego, como también del tipo de suelo y sus características. En estudios previos se ha observado que en algunos casos se produce un aumento de la misma, el cual puede deberse a diferentes factores, entre ellos incluso, debido a una destrucción de los agregados por la combustión de los agentes cementantes, tras el paso del fuego, produciéndose así una selección de los agregados más resistentes que persisten tras el incendio. Este aumento de la estabilidad, por tanto, no sería real, si no aparente. En éste último capítulo, se plantea dar respuestas a este supuesto, e intentar avanzar en el conocimiento del efecto que produce el fuego en la estabilidad de los agregados del suelo. En este caso, se analizan cinco tipos de suelos mediterráneos, de diferentes localidades del sur y este de España, todos ellos diferentes en textura, los cuales se queman a tres temperaturas diferentes (300, 500 y 700 °C), bajo condiciones controladas de laboratorio, para así conocer las posibles respuestas de la agregación ante el efecto de diferentes severidades de fuego. Estos resultados se comparan con muestras control (no quemadas) de los citados suelos. En ellas se analiza la distribución de tamaño de agregados tras los tratamientos, así como la estabilidad de los mismos, tras ser sometidos a una lluvia simulada de intensidad conocida. Para completar este trabajo, se seleccionan algunos de los agregados, tanto quemados como no quemados, y se analiza su superficie mediante microscopía electrónica de barrido (en inglés, Scanning Electron Microscopy method, SEM) y difracción de rayos X (en inglés, X-ray diffraction method, XRD). Ésta última parte del estudio se realiza para saber, si tras los calentamientos, se han producido cambios estructurales y mineralógicos en la superficie de los agregados, que nos ayuden a interpretar los resultados observados en la estabilidad de los mismos, y confirmar las hipótesis sobre si el aumento de la estabilidad de agregados es real o aparente. El efecto inmediato de las temperaturas de calentamiento produce una disminución en el contenido de la materia orgánica, por volatilización, y un aumento de la fracción fina de los agregados. A la vez, se observa un incremento en la estabilidad de los agregados remanentes en la fracción gruesa, debido al calentamiento. Debido al efecto del calor se observan cambios en la superficie de los agregados analizados, tanto estructurales como mineralógicos, que indican ser los responsables del aumento real, y no aparente, de la estabilidad de los agregados tras el efecto del calentamiento.
Esta Tesis Doctoral pretende contribuir, en primer lugar, al estudio de importantes cuestiones, aún poco estudiadas, sobre los efectos del fuego en las propiedades de los suelos y, en segundo lugar, propone nuevas líneas de investigación que arrojen luz sobre el complejo estudio de los incendios forestales.
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- English
ABSTRACT: Fire is a natural ecological factor in terrestrial ecosystems, which has acted with different intensities, even before humans appeared. Therefore, it is considered as an essential factor in the proper functioning of ecosystems. The distortion of the natural regime of the forest fires in the Mediterranean forest has become evident in recent decades, where risks are increasing, due to the continuing abandonment of rural areas and changes in land use. With the recovery of forest vegetation, wildfires represent an increasingly higher risk, due to their occurring with increasing intensity, and more uncontrollability. These types of forest fires have adverse environmental impacts and serious socioeconomic consequences in the affected areas.
The impact of the fire modifies the soil system, which is key to maintaining the biogeochemical, hydrological and geological cycles. Therefore, the functioning of terrestrial ecosystems affected by fire is altered in either the short-, medium- or long-term, leaving a legacy for years, which may even be permanent, depending on many factors. All these changes are caused by the effect of fire on vegetation, soil properties, fauna, and hydrological and geomorphological processes, which are changed by the direct heating effect produced by the fire itself, as well as by the indirect changes generated in the landscape and natural resources, which arise as a result of the temporary loss of vegetation cover and the coating of ash generated due to the combustion of vegetation.
The general aim of this Doctoral Thesis "Advances in the study of Mediterranean soils affected by forest fires," is to contribute to the study of the effects of forest fires on some soil properties immediately following the fire, and also in the short- and medium-term, as well as, the influence of several factors on the evolution of these properties. It has paid particular attention to soil water repellency (SWR) and soil aggregate stability, being two of the most important physical properties in recently burned soils. Both play an essential role in the control of soil water management, as they influence the infiltration, and therefore, the potential water available in the soil for the vegetation recovery, surface runoff and consequently, in erosion rates. Aggregate stability (AS) also plays a crucial role in soil erodibility, stocks of organic matter, soil microbiology, and ultimately, the health of the soil.
This thesis has been structured in three chapters with journal format. All chapters have been already published as articles in international journals with a high impact factor such as Science of the Total Environment (Chapter 1) and Catena (Chapters 2 and 3). Likewise, the obtained results during the thesis development have been presented at conferences, both national and international, such as the annual general assembly of the EGU (European Geosciences Union), and international congresses FESP (Fire Effects on Soil Properties) and FuegoRED (National thematic network of the Forest Fire Effects on Soil), in their different editions, from 2011 to 2015.
As already mentioned, soil is a crucial component of the forest ecosystem, and the immediate effect of heating, after the impact of the fire, causes significant alterations, which may even remain in the long term. Therefore, it is of vital importance to study the evolution and the recovery of soil following the impact of the fire. In this regard, in Chapter 1 are presented the results of the temporary monitoring carried out for two years in the field of the effects caused by a forest fire, on water repellency behavior. Such monitoring has been performed comparing an adjacent control zone (unburned), with similar characteristics to the affected area. Also analyzed in this study is how the predominant type of vegetation (pine and scrub) influences the evolution of soil water repellency, as well as, the influence of the ash presence. To determine the ash effect on the soil water repellency dynamics, different treatments were established: the simulation of the ash wind erosion and the ash incorporation in the first centimeters of the topsoil profile due to the initial input of water after the fire. During the two years of field monitoring, a relationship between the temporal evolution of the soil water repellency, and the moisture content fluctuations was also established. The obtained results of the field monitoring of soil water repellency were compared with the results obtained of measurements carried out on soil samples under laboratory conditions. Soil water repellency only increases, immediately after the fire effect, under the influence of pine. In general, throughout the complete study, the evolution of the water repellency is different in the plots affected by the fire from the non-affected plots, although, in both areas, the registered fluctuations of water repellency, during the whole monitoring, are highly conditioned by the soil moisture content, so that, during the periods in which the soil registers higher moisture contents, the soil water repellency decreases, and vice versa. On the other hand, it is found that ash plays an important role in the evolution of water repellency following the fire, the treatment where the ash was removed showing the lowest values of this parameter. Only samples analyzed under laboratory conditions beneath pine influence showed water repellency, although always with lower values than those obtained under field conditions.
Additionally, thanks to previous studies, it is known that soil water repellency is a property highly influenced by several environmental conditions such as temperature and relative air humidity, the soil water content and wetting and drying cycles. The relative air humidity and the soil surface morphology are two of the factors that influence soil water repellency behavior. Both factors, in soil water repellency, have been previously studied, but never in soils affected by fire. That is the reason for the starting point for the approach to the work presented in Chapter 2: to provide possible answers as to how the influence of relative air humidity and surface morphology of soil particles affects soil water repellency after fire, also making a comparison of the influence of the predominant vegetation type (pine and shrub) of the area. Laboratory studies under controlled conditions contribute to a better understanding of what happens in the field, but indisputably, the results obtained cannot be extrapolated completely to the field behavior. For this study, controlled experimental heating was carried out over a Mediterranean calcareous soil, under laboratory conditions, with seven different heating temperatures (50, 100, 150, 200, 250, 300 and 350 ° C), in order to simulate different fire severities. Subsequently, the samples were exposed to different relative atmosphere humidities (30, 50, 70 and 95%) in a controlled climate chamber for 48 hours. The persistence of the water repellency in the soil samples was determined by the Water Drop Penetration Time (WDPT) test, while the severity of the water repellency was measured by both the Molarity of Ethanol Droplet (MED) test and the advancing Contact Angle (CA). Also, in this chapter, two model materials with two different surface morphologies (spherical and angular) and two different sizes, which were previously chemically hydrophobized, have been analyzed. The aim of this part of the study was to compare the behavior of both model materials with the effect on the soil samples heated, and also, to check the influence of the surface morphology of the soil particles. Both persistence and severity of soil water repellency increases, with the relative humidity, and more noticeably in the samples heated to the higher temperatures. This effect was mainly observed in soil samples taken under the influence of pine. In addition, both types of surface morphologies, of the analyzed particles, showed a similar pattern of soil water repellency with the influence of the relative humidity.
Finally, in Chapter 3, the results are shown of a study of soil aggregation in burned soils. The different particles that form the soil are naturally joined between them, forming larger secondary units, with persistent character, which are named aggregates. The aggregate stability (AS) is mainly determined by the action of several cementing agents (inorganic and organic) that bind the particles, which form them. Soil aggregation is a property of superlative importance to determine the soil health. The effect of fire may directly influence it, due to the i modifications induced in the first centimeters of the topsoil, by the sudden temperature increase, which will depend on both the severity and the intensity of the fire, as well as the type of soil and its characteristics. The response of soil aggregation to fire may be, therefore, very variable. In previous studies, in some cases, an increase in soil aggregation has been observed, which may be due to different factors, including destruction by the combustion of the cementing agents, after the fire occurs, producing a selection of the toughest aggregates, which persist after the fire. This stability increase, therefore, would not be real, but apparent. In this last chapter, it is proposed to respond to this statement, and try to advance understanding of the effect produced by the fire on the aggregate stability of the soil. For that, five Mediterranean soils types from different locations in Southern and Eastern Spain were analyzed, all of them different in texture, which were burned at three different heating temperatures (300, 500 and 700 ° C) under controlled laboratory conditions, in order to know the possible responses of the soil aggregation to the effect of different fire severities. These results were compared to control samples (unburned) of the named soils. In those samples the aggregate size distribution was analysed following the heating treatment, and also the aggregate stability, after being subjected to a simulated rainfall with a known energy. To complete this work some aggregates were selected, from both burned and unburned samples, to analyse their surfaces by Scanning Electron Microscopy (SEM) method and X-ray Diffraction (XRD) method. This latter part of the study was done to learn if after the heating treatments, structural and mineralogical changes had been produced on the aggregate surfaces, in order to help us to interpret the observed results in the aggregate stability, and also to confirm the hypotheses about whether the increase of the aggregate stability is either real or apparent. The immediate effect of heating temperatures causes a decrease in the organic matter content, by volatilization, and also an increase of the fine fraction of the aggregates. At the same time, an increase in the stability of the remaining aggregates occurs on the larger fraction, due to the heating. Also, due to the heating effect, several changes are observed on the surface of the analysed aggregates, both structural and mineralogical, which appear to be responsible for a real increase, and not just an apparent increase, of aggregate stability after heating.
This Doctoral Thesis, firstly, expects to contribute to the study relevant issues about the effects of fire on soil properties, still little studied, and secondly, proposes new lines of research that sheds light on the complex study the forest fires
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