Resumen de Prescribed burning to reduce fire severity: effects on pine forests in the iberian system / la quema prescrita para reducir la severidad del fuego: efectos en pinares del sistema ibérico
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Wildfires are a global phenomenon, occurring on most continents and affecting a wide range of ecosystems. To the extent that predictive climate models indicate a more frequent occurrence of extreme meteorological episodes, more intense and severe fires are expected.
Overall, these high-intensity wildfires are characterized by negative ecological and socioeconomic effects, involving the loss of different ecosystem services, goods and even human lives, and also contributing substantially to carbon emissions. In addition, socioeconomic changes that occurred during the 20th century (e.g. rural land abandonment and the extension of wildland-urban interface areas) have exacerbated the problem. There is therefore a need to develop effective forest management systems to address these new scenarios.
There is currently a general consensus, both in the scientific community and among forest managers - and more specifically among agents responsible for fire management - that fire prevention measures should be augmented, particularly those measures related to fuel management. In this context, prescribed burning under canopy vegetation strata, usually carried out with low to moderate intensity, may increase wildfire protection, reducing the horizontal and vertical fuel continuity and promoting landscape heterogeneity. Despite its benefits, use of this fuel management tool in Spain remains limited and is often only carried out in strategic areas at a very local scale. However, efforts are being made to include prescribed burning in forest management plans, and the total area treated has increased in recent years.
Planning under-canopy prescribed burning involves preparing burn prescriptions in relation to meteorological variables, season and ignition patterns, as these factors determine fire behaviour. At the same time, the negative impacts of the treatment must be minimized and the positive effects maximized. Interactions between the aforementioned factors and some species traits might accentuate or decrease the stress on ecosystems, although in many cases, the way in which species respond to the perturbation is uncertain. Some pine species, defined as fire resisters (e.g. Pinus nigra and Pinus pinaster), possess traits that enable survival after low- to moderate-intensity fires, e.g. thick bark, self-pruning strategies, high crown height, large protected buds, relatively thick needles and deep rooting habit.
However, while prescribed burning seems to be a potentially valuable management tool in these forest ecosystems, increasing stand resilience with apparently minimal effects, some data gaps have been identified regarding application of the treatments.
In this context, the goal of this doctoral thesis was to examine the integrated effect of two seasons of low-intensity prescribed burning in the medium-term at both tree and stand level. For this purpose, a pure stand of Pinus nigra and a mixed stand of Pinus nigra and Pinus pinaster in the Cuenca Mountains (Iberian System) were chosen. In the study area, these species generate an ecotone of stable stands, which should be taken into account in prescribed burning treatment programmes. Three treatments were carried out in both types of stand: prescribed burning in autumn, prescribed burning in late spring and no burning.
Investigation of the effects of the joint disturbance on crown, via the amount and patterns of litterfall, cambium area and tree growth enabled us to understand, for the first time, the responses of this kind of stands to perturbation. Research on the response of trees to prescribed burning in Europe is disperse, and the data obtained in this doctoral research may provide new information, or expand on existing knowledge, enabling the design, implementation and testing of more effective prescriptions. This doctoral thesis includes five scientific articles, four of them published in international scientific journals and which analyze different aspects related to the main objective. The articles are presented in their original form and are organized in three chapters.
Litterfall plays a crucial role in the biogeochemical cycle of forest species and is used as an indicator in climate change projections. Despite its importance, no previous studies have been conducted to assess the effects of prescribed burning on the total amount of litterfall or of the different fractions or nutrient contents in pine forests; thus, the data obtained may be an initial reference. In addition, the use of sample collection guidelines from ICP Forests enables comparison of the data obtained with its wide database. Chapter 2 (comprising Subchapter 2.1 and Subchapter 2.2) describes the short- medium-term impact of prescribed burning, which decreased steadily throughout the study period. The species composition and stand characteristics appeared to dampen the negative effect of fire treatment. The impact on the total amount of litterfall was particularly notable after spring burning, although the recovery rate was faster than after autumn burning. Given the specific characteristics of fructification in Pinus nigra, special consideration should be given to the effects of burning on inflorescences and cone production, which should be taken into account in prescribed burning plans. Although there were differences in nutrient concentrations between stands and between fractions, the burning treatments appeared to have little effect on nutrient content of litterfall. In addition, another new insight into variables involved in litterfall process during and after burning was obtained by using a Bayesian approach (Subchapter 2.3). Bayesian analysis considers an entire distribution of possible values of parameters and also allows numerous variables to be analyzed together (e.g. meteorological variables; stand characteristics and tree traits that influence fire protection; and fire prescription and behaviour). Use of Bayesian analysis showed that meteorological variables must be considered in burning plans and that the adaptations of the species under study were sufficient to provide complete protection against lowintensity fire.
When a tree is exposed to a surface fire, the probability of survival varies widely, depending on the extent to which the cambium is protected from lethal temperatures. Although fire may not lead to death of the tree, the stress caused may be sufficient to deplete annual ring growth or decrease the photosynthetic activity of the crown. Several studies have assessed the insulating capacity of bark, in both the laboratory and field, by monitoring cambial surface temperatures. However, no previous studies have considered bark traits, fire intensity and flammability (sustainability, ignitability and consumability) together as predictor variables. In addition, most existing studies have been conducted in nonMediterranean ecosystems with non-standardized methods, making comparison of the results difficult. In Chapter 3, a mass loss calorimeter (MLC) was used, for first time in a vertical configuration (for more realistic simulation of field burning), to evaluate the protective role of bark. A wide range of heat fluxes were established to simulate prescribed burning and also a wildfire condition, and the results were compared with those obtained in a field burning. The role of bark thickness in protecting against cambium damage was confirmed, especially at low heat flux at which other variables, such as flame residence time, are more important. A minimum bark thickness of 17 mm can be considered a threshold for providing protection from cambium death in prescribed burning plans. Although previous studies have yielded contradictory results regarding the role of bark roughness, the findings revealed that it had a slightly positive effect in protecting the cambium at low heat exposure. The flame was extinguished after the end of radiant heat exposure, although smouldering fire continued to increase the temperature in the cambium, highlighting the role of bark flammability. Comparison of these findings with field data confirmed that stands are not vulnerable at low-intensity prescribed burning and that only local conditions at tree level can generate burn intensities that can potentially cause damage in the cambium.
Comparison of tree growth after prescribed burning can be used as a proxy for tree resilience and resistance. Prescribed burning can deplete tree vitality, as trees allocate stored carbohydrates to replenish tissues damaged by fire. However, it can also have positive effects on tree growth, increasing resource availability by removing understory and releasing nutrients. Few studies have modelled individual growth responses as a function of tree and stand characteristics or as direct and indirect effects of fire.
Furthermore, although burn season can be an easily controlled feature in prescribed burning plans, little is known about how burn season affects post-fire tree growth. In Chapter 4, Pinus nigra trees were selected in the study area, and dendrochronological methods were used to investigate whether tree growth responses are influenced by tree and stand characteristics, fire season or fire severity variables. The findings suggest that lowintensity prescribed burning (spring and autumn) is a potentially valuable management tool for reducing fire hazard and does not affect tree growth in the short-term. Nevertheless, special consideration should be given to fire severity variables such as exposure of outer and inner bark to critical temperatures or maximum scorch height in burn prescriptions.
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Los incendios forestales son un fenómeno global, afectando a un amplio rango de ecosistemas. En la medida en que los modelos de predicción climática auguran una mayor incidencia de episodios meteorológicos extremos, se prevén incendios más intensos y severos. En general, este tipo de incendios se caracterizan por sus importantes efectos negativos desde un punto de vista ecológico y socioeconómico, implicando desde la pérdida de los servicios ecosistémicos hasta la pérdida de bienes e incluso vidas humanas; incluyendo también el aumento de las emisiones de carbono. Además, los cambios socioeconómicos que han tenido lugar a lo largo del siglo XX (por ejemplo, el abandono del territorio rural o el incremento de las áreas de interfaz urbano-forestal) han exacerbado el problema. En consecuencia, es necesario el desarrollo de una gestión forestal adecuada a este nuevo escenario.
Actualmente existe un consenso generalizado, tanto en la comunidad científica como entre los gestores forestales, y más concretamente en los responsables de la gestión del fuego, de que las medidas preventivas contra incendios deben verse incrementadas, particularmente las relativas a la gestión del combustible. La quema prescrita bajo el dosel arbóreo, normalmente, se ejecuta en condiciones de baja a moderada intensidad, con el fin de incrementar la protección frente a incendios forestales al reducir la continuidad horizontal y vertical del combustible, promoviendo, a su vez, una mayor heterogeneidad del paisaje. A pesar de sus beneficios, el uso de esta herramienta de gestión del combustible, en España, es muy puntual y suele verse reducida a áreas estratégicas a escala muy local. Sin embargo, se está haciendo un esfuerzo importante para incluir esta herramienta en el manejo forestal y el número de hectáreas tratadas con quema prescrita se ha visto incrementado en los últimos años.
La planificación de la quema prescrita bajo dosel arbóreo implica el diseño de prescripciones precisas, en función de las variables meteorológicas, la época del año y los patrones de ignición, ya que estos factores determinan el comportamiento del fuego, al mismo tiempo que se persigue reducir al mínimo los impactos negativos y maximizar los efectos positivos del tratamiento. Las interacciones entre dichos factores y determinadas características de las especies forestales pueden acentuar o reducir el estrés en los ecosistemas, aunque en ocasiones, la respuesta de las especies a la perturbación es incierta. Algunas especies del género Pinus se consideran como resistentes al fuego (es el caso de Pinus nigra y Pinus pinaster). Estas especies poseen rasgos que permiten garantizar con mucha probabilidad su supervivencia a los incendios de intensidad entre baja y moderada: corteza gruesa, mecanismos de autopoda de ramas bajas, altura de copa considerable, yemas grandes y protegidas, acículas relativamente gruesas o enraizamiento profundo, entre otras. Sin embargo, si bien las quemas prescritas parecen ser un instrumento de gestión potencialmente valioso en las masas forestales de estas especies, aumentando su resistencia con efectos negativos aparentemente escasos, se siguen planteando algunas dudas importantes relativas a su aplicación.
En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es comprender el efecto integrado de dos estaciones de quema prescrita de baja intensidad a medio plazo, tanto a escala de árbol como de rodal. Para ello, se eligió una masa pura de Pinus nigra y una masa mixta de Pinus nigra y Pinus pinaster en la serranía de Cuenca (sistema Ibérico). En esta zona las dos especies generan un ecotono de rodales estables, que no debe obviarse en los programas de tratamiento con quema prescrita. En cada tipo de masa se estableció una red de parcelas y se llevaron a cabo tres tratamientos: parcelas quemadas en otoño, parcelas quemadas a finales de primavera y parcelas no quemadas que actuaron como testigo. El estudio de la perturbación conjunta en la copa del árbol, a través del análisis de la cantidad y patrones de desfronde, el área cambial y el crecimiento del árbol, permitió explorar, por primera vez, las respuestas de este tipo de masas. Además, dado que la investigación respecto a la respuesta del arbolado a la quema prescrita en Europa se ha descrito como dispersa, los datos obtenidos en esta tesis doctoral pueden generar nuevo conocimiento, o según el caso expandir el ya existente, para diseñar, implementar y testar prescripciones más eficaces. La tesis doctoral incluye cinco artículos científicos, cuatro de ellos publicados en revistas científicas internacionales que analizan distintos aspectos relacionados con el objetivo general. Los artículos se presentan en su forma original y están organizados en tres capítulos.
El desfronde tiene un papel crucial en el ciclo biogeoquímico de las especies forestales y se utiliza como un indicador en las proyecciones de cambio climático. A pesar de su importancia, no se han realizado estudios para evaluar los efectos de la quema prescrita en la cantidad total, las fracciones o el contenido de nutrientes del desfronde en pinares, por lo que los resultados obtenidos aquí pueden constituir una referencia inicial. Además, el uso de las directrices de recolección utilizadas por el ICP Forests, ha permitido la comparación de los resultados obtenidos con su amplia base de datos. En el Capítulo 2 (que comprende los Subcapítulos 2.1 y 2.2) se muestra un impacto limitado a corto y medio plazo de la quema prescrita, que disminuyó a lo largo del período de estudio. La composición específica y las características de la masa parecieron amortiguar el efecto negativo del fuego. El impacto de la quema en la cantidad total de hojarasca fue más evidente tras la quema de primavera, aunque la tasa de recuperación fue más rápida en esta época que durante la quema de otoño. Dadas las peculiaridades de la fructificación de las masas de Pinus nigra, los efectos de la quema prescrita en las fracciones de inflorescencias y piñas deben ser seriamente considerados en los planes de quema. Aunque se registraron diferencias en las concentraciones de nutrientes entre masas y fracciones, en general el efecto de la quema prescrita en el contenido de nutrientes del desfronde fue escaso. Utilizando un enfoque Bayesiano, se analizaron las variables involucradas en el proceso de desfronde durante y después del tratamiento de quema prescrita (Subcapítulo 2.3). El análisis bayesiano no se basa únicamente en una estimación puntual de los parámetros, sino más bien, en una distribución completa de los posibles valores, permitiendo que puedan ser analizadas conjuntamente muchas variables (por ejemplo, variables meteorológicas, características de la masa y rasgos del árbol que influyen en la protección contra los incendios, prescripción y comportamiento del fuego). Esto reveló que las variables meteorológicas debían considerarse seriamente en los planes de quema y que las adaptaciones de las especies estudiadas eran suficientes para proporcionar una protección completa en el caso de fuegos de baja intensidad.
Cuando un árbol está expuesto a un fuego de superficie, la probabilidad de sobrevivir varía ampliamente, dependiendo de su capacidad para proteger el cambium de temperaturas letales. Si el fuego no causa la muerte del árbol, puede estresarlo lo suficiente como para mostrar una disminución del crecimiento anual o de la actividad fotosintética de la copa. Varios estudios han evaluado la capacidad aislante de la corteza, monitorizando las temperaturas alcanzadas en el cambium, tanto en laboratorio como en campo. Sin embargo, ninguno de ellos ha considerado conjuntamente como variables predictoras: los rasgos de la corteza, la intensidad del fuego y la inflamabilidad (incluidas variables relacionadas con la ignitabilidad, la sostenibilidad y la consumibilidad). Además, la mayoría de los estudios actuales se han realizado en especies de ecosistemas no mediterráneos y con distintas metodologías al no existir un método normalizado, lo que dificulta la comparación de los resultados. En el artículo del Capítulo 3, se utilizó un calorímetro de pérdida de masa (MLC), por primera vez en su configuración vertical (con la que se consigue una simulación más realista de la quema en el campo) con el fin de evaluar el papel protector de la corteza. Se estableció una amplia gama de flujos de calor, simulando condiciones similares a las de una quema prescrita pero también a las que podrían suscitarse en un incendio forestal, y se compararon los resultados con los obtenidos en las quemas de campo. Se confirmó el papel del espesor de la corteza en la protección del cambium, especialmente trabajando con flujos de calor bajos donde otras variables, como el tiempo de residencia de la llama, podrían ser más importantes. En los planes de quema prescrita podría incluirse un límite de 17 mm de espesor de corteza, como punto crítico para la letalidad del cambium. Aunque estudios previos han mostrado resultados contradictorios sobre el papel de la rugosidad de la corteza, las conclusiones obtenidas revelaron un ligero efecto positivo en la protección del cambium a baja exposición de calor. Se demostró que la llama se extinguía poco después de cesar la exposición a la fuente de calor, aunque la combustión interna continuaba aumentando la temperatura en la zona del cambium; lo que puso de relieve el papel que juega la inflamabilidad de la corteza. La comparación con los datos de campo confirmó que los rodales no son vulnerables a las quemas prescritas de baja intensidad y que sólo las condiciones locales pueden generar intensidades suficientes como para causar un daño potencial al árbol.
La comparación del crecimiento de los árboles después de una quema prescrita puede utilizarse como un indicador de la resistencia y la capacidad de recuperación de los mismos. La quema prescrita puede agotar la vitalidad del árbol, ya que este asigna los carbohidratos almacenados para reponer los tejidos dañados por el fuego. En cambio, también puede tener efectos positivos en el crecimiento, aumentando la disponibilidad de recursos al eliminar el sotobosque o liberar nutrientes después del fuego. Pocos estudios han utilizado modelos de respuesta de crecimiento en función de variables de árbol y masa o en función de efectos directos e indirectos del fuego. Asimismo, aunque la época de quema es un parámetro que puede controlarse fácilmente en los planes de quema prescrita, se sabe poco sobre cómo afecta al crecimiento de los árboles. En el Capítulo 4 se seleccionaron varios árboles de Pinus nigra en el área de estudio de la quema prescrita y se utilizaron métodos dendrocronológicos para investigar si el crecimiento está influenciado por las propias características del árbol y de la masa, la época de la quema prescrita y la severidad del fuego. Los resultados sugieren que el tratamiento de quema prescrita de baja intensidad (en la época de primavera y otoño de manera diferente) es una herramienta de gestión potencialmente valiosa para reducir el peligro de incendio sin efecto sobre el crecimiento arbóreo a corto plazo. Debe prestarse especial atención a las variables de severidad del fuego, como la exposición a temperaturas críticas en la corteza exterior e interior o a la altura máxima de chamuscado en las prescripciones diseñadas.
