Export of solids and nutrients from burnt areas: effects of fire severity and forest type

Abstract

In the last few decades, the number of wildfires has markedly increased in Mediterranean Europe, including Portugal. Besides a range of direct impacts, wildfires can produce profound changes in geomorphological and hydrological processes during a period commonly referred to as the “window-of-disturbance”. It is now increasingly recognized that these indirect wildfire effects depend strongly on fire severity, i.e. the heating-induced changes in vegetation and litter cover as well as in topsoil properties such as infiltration capacity, aggregate stability and soil water repellency. Nonetheless, the exact role of fire severity in post-fire hydrological and erosion processes is still poorly quantified in many parts of the world, including Portugal. Another important gap in fire-related research stills to be the impacts of wildfire on soil fertility losses, in particular through erosion by runoff. Both research gaps were addressed in this study, following a wildfire that took place in July 2013 in Talhadas (Sever do Vouga, Aveiro) and burnt circa 815 ha. In the burnt area and the surrounding unburnt areas, six study sites were selected and, immediately after the fire, instrumented with slope-scale runoff plots. Two of the sites were long-unburnt, two were burnt at low severity and the other two were burnt at high severity; for all of them one being covered by a Eucalyptus globulus plantation and the other by a Pinus pinaster plantation.To understand the contribution of wildfires to surface water quality, it was also installed an hydrometric station in a permanent stream. Following the instrumentation of the sites, runoff was measured at 1- to 2-weekly intervals and, whenever possible, runoff samples and surface samples were collected for subsequent analysis in the laboratory with respect to total suspended sediments content and total nitrogen and total phosphorus concentrations. The results obtained in this study showed that the severity of the fire played a more important role in the loss of nutrients and solids than the type of vegetation The most severe areas had a greater export of nutrients and solids, and the unburned areas showed lower values. Between pine and eucalyptus, for the three analyzed parameters (total nitrogen, total phosphorus and total suspended solids) the control slope had higher value for eucalyptus and the other two (low and high severity) for pine. Looking at the temporal evolution at slope scale, pine stand had its main events in the lattest dates and eucalyptus on the earlier dates after fire. As for the catchment scale the export of nutrients and solids were higher with major precipitaiton events. This study highlight the importance of wildfire as a driver for the soil and fertility loss with consequent/potential impacts on surface water quality.

Nas últimas décadas, o número de incêndios tem aumentado significativamente na Europa mediterrânea, incluindo Portugal. Além de um conjunto de impactos diretos, os incêndios florestais podem encadear mudanças em processos geomorfológicos e hidrológicos durante um período comumente referido como "windows-of-disturbance". É cada vez mais reconhecido que estes efeitos indiretos dos incêndios dependem da severidade do fogo, ou seja, as alterações induzidas pelo aquecimento do fogo no coberto do solo, bem como nas suas propriedades, tais como capacidade de infiltração, estabilidade de agregados e repelência à água. No entanto, o papel exato da severidade do fogo em processos hidrológicos e de erosão pós-fogo ainda é pouco quantificado em muitas partes do mundo, incluindo Portugal. Outra falha encontra-se no estudo dos impactos dos incêndios sobre as perdas de fertilidade do solo, em especial através da erosão por escoamento superficial. Ambas as lacunas foram abordadas neste estudo, na sequência de um incêndio ocorrido em julho de 2013, em Talhadas (Sever do Vouga, Aveiro) em que foram queimados cerca de 815 ha. Na área ardida e nas áreas circundantes não queimadas, seis locais de estudo foram selecionados e, imediatamente depois do incêndio, instrumentado com parcelas de escoamento superficial. Dois dos locais eram não queimados, dois foram queimados com baixa severidade e os outros dois com alta severidade; em todos estes cenários está localizada uma plantação de Eucalyptus globulus e Pinus pinaster. De forma a compreender a contribuição dos incêndios florestais para a qualidade da água superficial, também foi instalada uma estação hidrométrica de fluxo permanente. Após a instrumentação dos locais, a escorrência superficial foi recolhida em intervalos de 1 a 2 semanas para posterior análise em laboratório com o objetivo de determinar o conteúdo de sólidos suspensos totais e as concentrações de azoto e fósforo totais. Os resultados obtidos neste estudo mostram que a severidade do fogo desempenha um papel mais importante na perda de nutrientes e sólidos do que o tipo de vegetação. As áreas de alta severidade estão associadas a maior exportação de nutrientes e sólidos relativamente às áreas não queimadas. Entre pinhal e eucaliptal, para os três parâmetros analisados (azoto e fósforo total e sólidos suspensos totais) as parcelas não queimadas apresentaram maior valor para o eucalipto e as outras duas (baixa e alta severidade) para o pinhal. Analisando a evolução temporal à escala da parcela, o pinhal teve os eventos mais relevantes no final do período de amostragem, enquanto o eucalipto teve os maiores valores de exportação nos primeiros eventos de chuva após incêndio. Relativamente à escala da bacia, a exportação de nutrientes e sólidos foram maiores em eventos de precipitação mais significativos. Este estudo destaca a importância de um incêndio florestal como um estímulo da perda de solo e fertilidade com consequentes/potenciais impactos na qualidade da água superficial.