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http://hdl.handle.net/10773/19151
Title: | Wildfire effects on forest soil organic matter stocks and losses by runoff |
Other Titles: | Efeitos dos incêndios florestais nos stocks de matéria orgânica do solo e perda por escorrência superficial |
Author: | Estrela, Sílvia Regina Marques Faria |
Advisor: | Keizer, Jan Jacob Esteves, Valdemar Inocêncio De la Rosa Arranz, José Maria |
Keywords: | Ciências e engenharia do ambiente Incêndios florestais Carbono Eucaliptos Erosão do solo |
Defense Date: | 2016 |
Publisher: | Universidade de Aveiro |
Abstract: | O solo é considerado o maior reservatório de carbono (C) global
e, um importante sumidouro de CO2 atmosférico. Os incêndios florestais
são um fenómeno frequente nos ecossistemas mediterrânicos, em
especial em Portugal. Nas últimas décadas verificou-se um aumento do
número de incêndios e os cenários de alterações climáticas sugerem que
os regimes de incêndios se poderão intensificar no futuro. Os incêndios
florestais podem provocar efeitos importantes a curto e médio prazo em
fatores chave da qualidade do solo, tais como a quantidade e qualidade
da matéria orgânica (SOM). Devido à grande quantidade de carbono (C)
armazenado no solo, mesmo pequenas mudanças na SOM poderão ter
um efeito significativo sobre os ciclos biogeoquímicos e,
consequentemente, sobre o clima global. Embora existam vários estudos
que documentam os efeitos pós-fogo sobre os processos hidrológicos e
de erosão, em termos de impactos sobre a quantidade (em termos de
stocks e perdas de carbono orgânico (OC) por escorrência superficial),
qualidade da SOM e sedimentos exportados, bem como a sua
recuperação pós-fogo tem sido pouco estudados. Estes foram os
principais objetivos deste estudo, realizado em plantações de eucalipto
(Eucalyptus globulus), um dos tipos de vegetação florestal mais
suscetíveis ao fogo no centro-norte de Portugal.
O efeito dos incêndios florestais na qualidade da SOM do solo foi
avaliado na camada superficial do solo (0-2 cm) em 4 períodos de
amostragem, imediatamente antes das primeiras chuvas até dois anos
após o incêndio. Para tal, foram utilizadas várias técnicas analíticas, tais
como a deteção e caraterização de biomarcadores lipídicos por
cromatografia gasosa/espetrometria de massa (GC-MS), caraterização
de SOM por pirólise acoplada à cromatografia gasosa e à espetrometria
de massa (Py-GC/MS) e, por ressonância magnética nuclear 13C de
estado sólido (13C NMR). As exportações pós-fogo de OC por
escorrência superficial e as respetivas contribuições das frações de
carbono orgânico dissolvido (DOC), carbono orgânico particulado (POC)
e carbono inorgânico dissolvido (DIC) foram também determinados em
amostras de escorrência superficial recolhidas em intervalos de 1 a 2
semanas ao longo do primeiro ano após o incêndio. Os resultados mostraram que o incêndio provocou mudanças
consideráveis na quantidade e qualidade da SOM. Estas incluíram a
degradação térmica e quebra de compostos de n-alquilo. Aumentaram
os rácios das cadeias curto-longo de n-alcanos e das cadeias de n-
FAMEs, assim como a alteração dos respetivos índices. Além disso, a
abundância relativa de certos biomarcadores específicos de
determinadas plantas foram modificados, especialmente diminuição de
terpenóides, tais como epiglobulol, ledol e globulol que são
característicos do Eucalyptus globulus. Outras diferenças observadas no
solo queimado foram a presença de levoglucosano, um marcador típico
para a alteração térmica de polissacarídeos, maior abundância relativa
de compostos derivados da lenhina (vanilina e metoxifenol) e a presença
de estruturas de N-heteroaromáticos. Os espetros de 13C NMR também
indicaram que o fogo produziu um aumento considerável na
aromaticidade e condensação aromática da SOM. Estas diferenças
verificaram-se durante o período de estudo, sugerindo uma lenta
recuperação das propriedades do solo, possivelmente influenciadas,
quer por uma recuperação limitada da vegetação, quer pela
intensificação das perda de solo após o incêndio.
O presente trabalho abordou também um tema pouco estudado
como são os efeitos pós-fogo nas perdas de OC no solo por escorrência
superficial. Os principais resultados apontaram para (i) uma maior
quantidades de cinzas na encosta orientada a norte do que na encosta
orientada a sul, enquanto que para a quantidade total de carbono
orgânico (TOC) nas cinzas, estas não apresentaram diferenças; (ii) quer
a perda total de sedimentos, quer a quantidade TOC do solo apresentouse
maior na encosta orientada a norte do que a sul; (iii) a fração de OC
que apresentou as maiores perdas, para ambas as encostas, foi a
particulada. A quantificação das perdas de OC pós-fogo podem contribuir
de forma relevante para a proteção dos ecossistemas, nomeadamente
em termos da fertilidade do solo. Soil is considered the largest carbon reservoir and an important global sink for atmospheric CO2. Wildfires are frequent in Mediterranean ecosystems, especially in Portugal. In recent decades there has been an increase in the number of fires and climate change scenarios suggest that the fire regimes are likely to increase in the future. Forest fires can have important short−to long−term implications for key aspects of soil quality, such as the quantity and quality of soil organic matter (SOM). Due to high amount of carbon (C) stored in soil, even slight alterations of SOM can affect significantly biogeochemical cycles, hence, affecting the whole global climate. Although numerous studies have documented the effects of wildfires on hydrological and erosion processes, the effects of fire on the quantity (in terms of stocks and losses of OC content by overland flow) and quality of SOM and in the sediments eroded, as well on postfire SOM recovery, have received considerably less research attention. These were the principal goals of the present study conducted on eucalypt plantations, one of the most fire-prone forest types in northcentral Portugal. The effects of wildfires on quality of SOM was evaluated in topsoil samples (0-2 cm) on four sampling occasions, starting immediately after the first post-fire rain till two years later. It was necessary a combination of multi-analytical techniques, such as lipid-biomarker analysis by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), SOM characterization by pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS) and solid state 13C nuclear magnetic resonance (13C NMR) spectroscopy. Post-fire OC exports by overland flow and the contributions of the dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and dissolved inorganic carbon (DIC) fractions were measured in runoff samples collected at 1- to 2- weekly intervals during the first year after the wildfire. The results showed that wildfire produced substantial changes in the quantity and quality of SOM. These included the thermal breakdown and cracking of n-alkyl compounds. Ratios of short-to-long n-alkanes and n-fatty acid methyl esters (FAMEs) increased and typical carbon number predominance indexes for n-alkanes (odd-to-even) and n-FAMEs (evento- odd) were altered. Furthermore, the relative abundances of certain markers, which are plantspecies specific were modified, especially by decreasing terpenoids such as epiglobulol, ledol and globulol, which are characteristic of Eucalyptus globulus. Other differences observed in the burnt soil were the appearance of levoglucosan, a typical marker for the thermal alteration of polysaccharides, larger relative abundances of lignin-derived compounds (vanillin and methoxyphenols) and the presence of N-heteroaromatic structures. The 13C NMR spectra also indicated that the wildfire produced a considerable increase in the aromaticity and aromatic condensation of the topsoil SOM. The continuation of these differences in SOM quality during the period of this study, suggested a slow recovery of soil properties, possibly influenced by a limited recovery of the vegetation after the fire combined with the fire-enhanced losses of soil. The present work also evaluated post-fire soil OC losses by overland flow in recently two burnt eucalypt plantations, addressing a topic that has seldom been investigated. The main findings were that: (i) the amount of deposited ashes was higher at the NW slope than at the SE slope, while ashes total organic carbon (TOC) content revealed no differences; (ii) total sediment losses and also the TOC export were higher at the NW slope than at the SE slope; (iii) particulate organic carbon fraction showed the highest loss at the both topsoil sites. In addition, this study provides some insight into post-fire organic carbon losses in the recently burnt areas, which is crucial information for ecosystem management, especially in terms of soil fertility. |
Description: | Doutoramento em Ciências e Engenharia do Ambiente |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/19151 |
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