Study on the impact of wildfires in water repellency from Mediterranean soils (south-western Andalusia)

Abstract

Soil water repellency is a property of soils that has been deeply studied during the last two decades. Soil water repellency occurs as a consequence of hydrophobic organic substances in soils. These substances are released by plants, soil microbes and fungi, and, frequently, are the result of in situ transformations. It has been found that wildfires are a major cause of soil water repellency. Depending on fire severity, burning can induce water repellency in previously wettable soils, increase its intensity in previously water repellent soils or destroy it. Also, in some times, not appreciable effects are found, especially after low-severity fire. The main effect of soil water repellency is a reduction of infiltration rates and the accumulation of ponded water on the soil surface. This has important hydrological and geomorphological consequences, as increased runoff rates and erosion risk, the development of preferential flow paths, nutrient leaching, impacts on soil aggregation and others that are discussed in the following sections. Currently, we have a deep knowledge about these effects. A brief review of the current knowledge is carried out in chapter 1. OK, but… are there research gaps? There are some areas that need light to be shed on. Most studies only consider short-term fire impacts, but very few research has been carried out about medium- or long-term impacts and evolution of fire-induces soil water repellency. In chapter 3, the post-fire evolution of fire-induced water repellency and some associated properties in calcareous Mediterranean soils is discussed during a 6-years period. Water repellency and aggregate stability are two soil properties generally modified after burning which show several hydrological and soil functioning consequences and that may be used as indices for assessing burn severity. Both properties are strongly related and have major impacts on soil functioning and post-fire hydrologic and geomorphological processes. In many cases, the impact of fire on these properties has been analyzed in the short term. However, it is also necessary to investigate the magnitude of these changes and their implications for longer periods under specific conditions. In this work, we have investigated [1] the fire-induced changes on soil water repellency and aggregate stability in the medium term (6-years period after burning) and its distribution within aggregate size fractions (1-2, 0.5-1 and 0.25-0.5 mm), [2] the relations between post-fire aggregate stability and water repellency, and [3] the interactions between aggregate stability, water repellency and different factors (site, time since burning, lithology and vegetation type) in Mediterranean calcareous soils. Five areas burned during summer 2006 in southern Spain were selected for this study. The study sites were characterized by wettable or slightly water-repellent calcareous soils with loam to clayey texture under herbaceous vegetation and shrubs. Soils were characterized chemically and physically, while the water repellency and aggregate stability of the fine earth and aggregate sieve fractions were determined annually between 2006 and 2011. Results show that soil water repellency was induced in previously wettable or enhanced in slightly or moderately water-repellent calcareous soils after moderate severity burning. Severity of water repellency from finer aggregates (0.5-1 and 0.25-0.5 mm) varied or remained stable but did not contribute to general soil water repellency assessed in the fine earth fraction. aggregate stability was slightly increased in some cases, and both properties returned progressively to pre-fire conditions during the study period. Soil resilience to low-moderate severity burning in the study area was very high. The relation between soil water repellency and surface elements (as ash of rock fragments) has been rarely considered in scientific literature. In the case of rock fragments, only some papers have been published, but not considering the impact of stones on the development of water repellency during fire. These aspects are discussed in chapters 4 and 5. In chapter 4, the occurrence and spatial distribution of soil water repellency and its consequences on soil structure after experimental burning in a previously wettable soil under different stone covers (0, 15, 30, 45 and 60%) is carried out. In our experiment, burning induced critical or subcritical soil water repellency in the upper millimetres of previously wettable soil. Fire-induced soil water repellency did not vary with stone cover, but critical soil water repellency was reached in inter-stone soil areas. At stone-covered soil areas, soil water repellency was increased, but WDPTs remained mostly below the 5 s threshold. In chapter 5, the study of the impacts of fire severity and rock fragments is carried out. In this research, we have studied the effect of rock fragments on the strength and spatial distribution of fire-induced soil water repellency at different fire severities. A fire-affected area was selected for this experiment and classified into different zones according to fire severity (unburned, low, moderate and high) and rock fragment cover (low, <20%, and high, >60%). During 7 days after fire, soil water repellency and infiltration rates were assessed in the soil surface covered by individual rock fragments and in the midpoint between two adjacent rock fragments (with maximum spacing of 20 cm). Soil water repellency increased with fire severity. Rock fragments resting on the soil surface increased the heterogeneity of the spatial distribution of fire-induced soil water repellency. Soil water repellency increased significantly with rock fragment cover in bare areas under moderate and high fire severity, but quantitatively important changes were only observed under high fire severity. In areas with a low rock fragment cover, water repellency from soil surfaces covered by rock fragments increased relative to bare soil surfaces, with increasing soil water repellency. In areas with a high rock fragment cover, soil water repellency increased significantly from non-covered to covered soil surfaces only after low-severity burning. Rock fragment cover did not affect infiltration rates, although it decreased significantly in soil surfaces after high-severity burning in areas under low and high rock fragment cover. Only very recently, the study of the impacts associated to ash have been studied in depth. An ash layer may act ephemerally as a physical protection for rainfallinduced soil erosion processes. Its influence on runoff and infiltration dynamics have been largely discussed. But little or very scarce information is available about its effects on raindrop splash erosion risk. The effect of wettable and water repellent ash layers after an experimental fire on splash erosion are discussed in chapter 6.

La repelencia al agua del suelo es una propiedad que se ha estudiado profundamente durante las últimas dos décadas. La repelencia al agua del suelo se produce como consecuencia de las sustancias orgánicas hidrófóbicas en los suelos. Estas sustancias son liberados por las plantas, la fauna microbiana y los hongos del suelo, y, con frecuencia, son el resultado de transformaciones in situ. Se ha observado que los incendios forestales son una causa importante de repelencia al agua del suelo. Dependiendo de la severidad del fuego, la combustión puede inducir repelencia al agua en los suelos previamente humectables, aumentar su intensidad en los suelos previamente repelentes al agua o destruirla. También, en ciertos casos, no se encuentran efectos apreciables, especialmente después de un fuego de baja severidad. El principal efecto de la repelencia al agua del suelo es una reducción de las tasas de infiltración y la acumulación de agua en la superficie del suelo. Esto tiene importantes consecuencias hidrológicas y geomorfológicas, como el aumento de las tasas de escorrentía y el riesgo de erosión, el desarrollo de vías de flujo preferencial, el lavado acelerado de nutrientes, así como impactos sobre la agregación del suelo y otras propiedades que se discuten en las siguientes secciones. En la actualidad, tenemos un conocimiento profundo acerca de estos efectos. Una breve revisión de los conocimientos actuales se lleva a cabo en el capítulo 1. Bien, pero... ¿qué lagunas hay en la investigación? Hay algunas áreas que presentan aún interrogantes. La mayoría de los estudios sólo consideran los impactos del fuego a corto plazo, pero muy pocas investigaciones se han llevado a cabo sobre los impactos y evolución de la repelencia al agua inducida por el fuego a medio o largo plazo. En el capítulo 3, se discute la evolución de la repelencia al agua inducida por el fuego y algunas propiedades asociadas en suelos mediterráneos calcáreos durante un período de 6 años. La repelencia al agua y la estabilidad de los agregados son dos propiedades del suelo generalmente modificadas después del fuego, que muestran varias consecuencias sobre los procesos hidrológicos y geomorfológicos y que, por tanto, pueden ser utilizadas como índices para evaluar la severidad del incendio. Ambas propiedades están fuertemente relacionadas entre sí y tienen un gran impacto. En muchos casos, el impacto del fuego en estas propiedades ha sido analizado a corto plazo. Sin embargo, también es necesario investigar la magnitud de estos cambios y sus implicaciones para períodos más largos en condiciones específicas. En este trabajo se han investigado [1] los cambios inducidos por el fuego en la repelencia al agua del suelo y la estabilidad de los agregados en el medio plazo (período de 6 años después de la quema) y su distribución dentro de fracciones de tamaño de agregado (1-2, 0.5-1 y 0,25-0,5 mm), [2] las relaciones entre la estabilidad de agregados y la repelencia al agua en el postincendio, y [3] las interacciones entre la estabilidad de agregados, repelencia al agua y diferentes factores (lugar, tiempo transcurrido, litología y tipo de vegetación) en suelos calcáreos mediterráneos. Para ello, se seleccionaron cinco áreas quemadas durante el verano de 2006 en el sur de España. Los sitios de estudio se caracterizan por la presencia de suelos calcáreos, humectables o ligeramente hidrofóbicos, con textura franca a francoarcillosa y con vegetación predominantemente herbácea y arbustiva. Los suelos se caracterizaron química y físicamente, mientras que la repelencia al agua y estabilidad de los agregados de la fracción de tierra fina y diferentes fracciones de tamaño agregados se determinaron anualmente entre 2006 y 2011. Los resultados muestran que fuego de severidad moderada indujo o intensificó ligeramente la repelencia al agua del suelo. La severidad de la repelencia al agua en agregados finos (0.5-1 y 0.25-0.5 mm) se mantuvo estable en el postincendio, pero en general no contribuyó a la repelencia al agua del suelo determinada en la fracción de tierra fina. La estabilidad de los agregados se incrementó ligeramente en algunos casos, y ambas propiedades regresaron progresivamente a las condiciones pre-fuego durante el período de estudio. La capacidad de recuperación del suelo tras fuegos de severidad baja o moderada en el área de estudio fue muy alta. La relación entre la repelencia al agua del suelo y de los elementos de superficie (como cenizas de fragmentos de roca) ha sido raramente considerada en la literatura científica. En el caso de las piedras, sólo se han publicado algunos trabajos, pero no han tenido en cuenta el impacto de las piedras en el desarrollo de la repelencia al agua durante un incendio. Estos aspectos se discuten en los capítulos 4 y 5 En el capítulo 4 se estudia la aparición y la distribución espacial de la repelencia al agua del suelo y sus consecuencias sobre la estructura del suelo después de un incendio experimental en un suelo previamente humectable bajo diferentes coberturas de piedra (0, 15, 30, 45 y 60%). El fuego indujo repelencia crítica o subcrítica al agua en los primeros milímetros de profundidad. La repelencia al agua no varió con la cobertura de piedras, pero sí se observó la aparición de repelencia subcrítica en la superficie de suelo no cubierta por piedras. En el capítulo 5 se lleva a cabo el estudio de los impactos de la severidad del fuego y las piedras tras un incendio forestal, así como el efecto de la severidad del fuego. Para ello se establecieron diferentes zonas experimentales en función de la severidad del fuego (no quemado, baja, moderada y alta severidad) y la cobertura de piedras (baja, <20%, y la alta,> 60%). Durante 7 días después del incendio se evaluaron la repelencia al agua del suelo y las tasas de infiltración en áreas cubiertas por piedras y en el punto medio entre dos piedras adyacentes con separación máxima de 20 cm. Se observó que la repelencia al agua del suelo aumenta con la severidad del fuego. Los fragmentos de roca que descansan sobre la superficie del suelo contribuyeron a aumentar la heterogeneidad de la distribución espacial de la repelencia al agua inducida por el fuego. Se observó también que la repelencia al agua del suelo aumentó de forma significativa con la cobertura de piedras en áreas desnudas (entre piedras adyacentes) bajo fuego de severidad moderada y alta, aunque cambios cuantitativamente importantes únicamente se observaron tras fuego de alta severidad. En las zonas cubiertas por piedras, la repelencia al agua aumentó en función de la cobertura. En las zonas bajo alta cobertura de piedras, la repelencia al agua del suelo aumentó considerablemente en las zonas cubiertas respecto a las no cubiertas por piedras sólo bajo fuego de baja severidad. La cobertura de piedras no afectó las tasas de infiltración, a pesar de que disminuyó significativamente en la superficie del suelo después de fuego de alta severidad en las áreas bajo cobertura baja o alta de piedras. Sólo muy recientemente se han realizado estudios en profundidad sobre el impacto asociado a la presencia de ceniza. Una capa de ceniza puede actuar como una protección física efímera frente a procesos de erosión hídrica. Su influencia sobre la dinámica de la escorrentía e infiltración se ha discutido ampliamente, pero existe poca o muy escasa información disponible sobre sus efectos sobre la erosión por salpicadura. En el capítulo 6 se discute el efecto de la presencia de ceniza humectable o repelente al agua después de un incendio experimental sobre la intensidad de la erosión por salpicadura.