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 Wildfire effects on forest soil organic matter stocks and losses by runoff
Please use this identifier to cite or link to this item 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
authors: Estrela, Sílvia Regina Marques Faria
advisors: 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
issue 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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