Immediate and short-term fire effects on animal communities in forest ecosystems

Abstract

Over the past decades, wildfires have become an important social, economic, and environmental problem across the globe, due to their increased frequency, severity, and spatial extent. Portugal is far from being an exception in this respect, having contributed significantly to the burnt area statistics of the EU and having more than 300.000 ha burnt yearly during the past years. The mega fires of June and October 2017 with their dramatic consequences in terms of human fatalities deserve special mention in the present context, as they provided the study areas for the bulk of the work presented here. Mitigation of the foreseen effects of further climate change on fire hazard regimes and restoration of degraded ecosystems, including from recurrent wildfires are now important concerns on the agenda of international policies and organizations. Wildfire regimes and their impacts have received considerable research attention in fire-prone regions. Some impacts, however, are still poorly known. This includes the impacts on terrestrial fauna. This knowledge gap was addressed in this PhD study but given its short duration of four years, the focus was on assessing the immediate and short-term effects of wildfires. For the same reason, the PhD study was limited to two distinct terrestrial fauna groups, i.e. ground-dwelling macroinvertebrates and medium-sized mammals due to their ecological importance and potential resilience to adverse wildfire effects. The former group was the study object of three of the four studies included in this thesis (Chapters 2 to 4), two of which were carried out in the June-2017 burnt area of Pedrogão and its immediate surroundings. By contrast, the latter group was studied in and around one of the coastal areas that burnt during October 2017, that of the Costal Woodlands of the Quiaios Dunes (Chapter 5). The two studies in and around the Pedrogão burnt area specifically addressed the role of surface stones in the immediate wildfire effects on ground-dwelling macroinvertebrates, as habitat of refuge during the fire and/or recolonization immediately afterwards. To this end, macroinvertebrates present under stones were quantified and collected for identification at the family level during the first 2 weeks after the wildfire. The sampling was done at five burnt and five unburnt forest stands dominated by oaks (Chapter 2) as well as at ten burnt and ten unburnt forest plantations, equally divided over maritime pine and eucalypt (Chapter 3). The results showed significant differences between the burnt and unburnt sites for all three forest types, not only in terms of the abundance but also of the richness and diversity of the macroinvertebrate communities under stones. These differences suggested a high mortality by the wildfire, possibly combined with a reduced post-fire recolonization. This mortality seemed linked to the dimensions of the stones. At the same time, however, the stones revealed relevant macroinvertebrate communities so soon after the wildfire, suggesting that they played an important role in survival and/or the early stages of recolonization. Significant positive correlations between macroinvertebrate abundance and richness significantly increased with increasing stone area and depth. The wildfire also seemed to have affected the functional composition of the macroinvertebrate communities of the three forest types, by increasing the relative abundance of predator and omnivore taxa. Overall results between forest types showed higher ground-dwelling macroinvertebrate diversity in oak forests before the wildfire, and higher post-fire mortality rates in plantations, particularly in non-native forests. The third macroinvertebrate study (Chapter 4) addressed the short-term effects of post-fire land management or, more specifically, a so-called emergency stabilization measure or, in other words, a soil conservation measure aiming at reducing the risk of soil erosion after wildfires. To this end, use was made of a field study into the effectiveness of mulching with eucalypt logging residues at two contrasting application rates (2.6 and 8.0 Kg ha-1) that was set up in the framework of the RECARE project after an August-2015 wildfire. More specifically, pitfall traps were used to sample ground-dwelling macroinvertebrates at two eucalypt plantations that had each been instrumented with three replicate erosion plots of 2m by 8m per treatment (i.e. the two mulching rates and doing-nothing). The macroinvertebrate sampling was done on a total of seven occasions during the first post-fire year, starting immediately after mulching in September and October 2015. The results at both study sites revealed only minor differences in macroinvertebrate abundance, richness, diversity, and equitability, not only between the three treatments but also with time-since-mulching. Therefore, mulching with eucalypt logging residues in eucalypt plantations to reduce soil erosion risk did not seem to raise concerns on possible adverse short-term effects on the ground-dwelling macroinvertebrate community. This finding was in line with the mid-term effects observed in a prior study. The study on mammals addressed the immediate and short-term effects of wildfires on a total of 13 medium-sized species that were pre-selected based on prior information on their (expected) presence in the study area. To this end, the occurrence of various indicators of the species’ presence was surveyed at two occasions, i.e. during the first as well as the second winter following the wildfire. This was done for a total of 18 grid cells of 2 km by 2 km that were outlined in and around the coastal dune area burnt during October 2017 such that they were equally divided between burnt and unburnt conditions. Within each grid cell, the occurrence of the indicators was recorded for ten checkpoints at 100 m distances along forest tracks. The results revealed fewer species and a lower overall species frequency in the burnt than unburnt grid cells, but these differences were only statistically significant during the first post-fire winter. At the level of the individual species, five out of the 11 species that were encountered were significantly less frequent in the burnt than unburnt grid cells, especially during the first post-fire winter. This included carnivore, omnivore and 1 herbivore species. By contrast, only one species, the European rabbit was significantly more frequent in the burnt than unburnt grid cells, but this fire effect was short-lived, being limited to the first post-fire winter. Overall, the present results revealed that taxa differed markedly in their resilience to the immediate and short-term impacts of wildfires and, in the case of the ground-dwelling macroinvertebrates also in their resilience to post-fire mulching. Thereby, different species raise different concerns for their conservation following wildfires and, hence, imply distinct measures to mitigate these possible wildfire effects. More specifically, the importance of surface stones for macroinvertebrate communities both before and after fire would suggest against large-scale soil mobilization operations. This is especially relevant for the establishment of new eucalypt plantations. Also, hunting licensing following wildfires would seem to require special caution and monitoring of population dynamics following wildfires and hunting seasons. Perhaps the most important conclusion of this thesis is that further research on wildfire effects on fauna is needed, especially with respect to mid-and long-term effects and on species in fire-prone areas whose conservation status is already a concern without wildfires.

Nas últimas décadas, os incêndios florestais tornaram-se um importante problema social, económico e ambiental em todo o mundo, devido à sua maior frequência, severidade e extensão de áreas ardidas. Portugal está longe de ser uma exceção a este respeito, tendo contribuído significativamente para as estatísticas da área ardida da UE com mais de 300.000 ha queimados anualmente durante os últimos anos. Os mega incêndios de Junho e Outubro de 2017 com as suas consequências dramáticas em termos de mortes humanas merecem uma menção especial no presente contexto, pois forneceram as áreas de estudo para a maior parte do trabalho apresentado nesta tese. A mitigação dos efeitos das alterações climáticas ao nível do risco de incêndio e na restauração de ecossistemas degradados, incluindo os resultantes de incêndios recorrentes, são agora preocupações de grande relevância na agenda das políticas e organizações internacionais. Os incêndios e os efeitos adversos a eles associados têm recebido considerável atenção da comunidade científica em regiões propensas a incêndios florestais. Contudo, os efeitos adversos dos incêndios sobre a fauna terrestre são ainda pouco conhecidos. Esta lacuna de conhecimento foi abordada nesta tese, mas dada a curta duração da bolsa de doutoramento, o principal foco foi na avaliação dos efeitos imediatos e a curto prazo dos incêndios florestais. Pela mesma razão, o estudo foi limitado a apenas dois grupos distintos da fauna terrestre, nomeadamente, macroinvertebrados terrestres e mamíferos de médio porte, cuja seleção se deve à sua importância ecológica e aparente resiliência aos efeitos adversos dos incêndios florestais em áreas onde este é recorrente. Os macroinvertebrados terrestres foram o objeto de estudo de três dos quatro estudos incluídos nesta tese (Capítulos 2 a 4), dois dos quais foram realizados na área ardida de Pedrogão Grande, de Junho a Julho de 2017. O estudo dos mamíferos de médio porte foi realizado na área de pinhal das Dunas de Quiaios (Capítulo 5), que ardeu durante Outubro de 2017. Os dois estudos na área de Pedrogão Grande abordaram especificamente o papel das pedras na salvaguarda de macroinvertebrados terrestres a elas associados dos efeitos imediatos dos incêndios e/ou na recolonização imediatamente a seguir ao incêndio. Para este fim, todos os macroinvertebrados encontrados sob as pedras foram quantificados e recolhidos para identificação ao nível da família, durante as primeiras 2 semanas após o incêndio. A amostragem foi feita em cinco povoamentos florestais queimados e cinco não queimados dominados por carvalhos (Capítulo 2), bem como em dez plantações florestais queimadas e dez não queimadas, igualmente divididas entre pinheiro-bravo e eucalipto (Capítulo 3). Os resultados mostraram diferenças significativas entre os locais queimados e não queimados para os três tipos de floresta (carvalhal, pinhal e eucaliptal), não só em termos da abundância, mas também da riqueza e diversidade da comunidade de macroinvertebrados encontrada debaixo das pedras. Estas diferenças revelaram uma elevada mortalidade promovida pelo incêndio, possivelmente combinada com uma reduzida recolonização pós-incêndio. Ao mesmo tempo, a comunidade de macroinvertebrados encontrada debaixo das pedras, tão pouco tempo após o incêndio, sugere que estas desempenharam um papel importante na sobrevivência e/ou fase inicial da recolonização. A mortalidade encontrada aparenta estar ligada às dimensões das pedras, tendo sido encontradas correlações positivas significativas entre maiores valores de abundância e riqueza de macroinvertebrados com pedras de áreas maiores e enterradas no solo a maiores profundidades. O incêndio também parece ter afetado a função da comunidade de macroinvertebrados dos três tipos de floresta ao nível da dieta, aumentando a abundância relativa de predadores e omnívoros na comunidade. De um modo geral, os resultados entre tipos de floresta mostraram uma maior diversidade de macroinvertebrados terrestres nas florestas de carvalhos antes e depois do incêndio, e mortalidade após o incêndio mais elevada nas plantações, particularmente nas não nativas. O terceiro estudo relativo a macroinvertebrados terrestres (Capítulo 4) abordou os efeitos a curto prazo da gestão pós-fogo, mais especificamente na utilização de uma medida com o objetivo de reduzir o risco de erosão do solo após incêndios florestais, denominada de mulching. O estudo foi realizado a par com um outro estudo no âmbito do projecto RECARE (iniciado após um incêndio florestal em Agosto de 2015 nas imediações de Miranda do Corvo) que se focou na eficácia do mulching (neste caso resíduos de eucalipto) na proteção do solo da erosão testando duas taxas de aplicação diferentes (2,6 e 8,0 Kg ha-1). Mais especificamente, foram utilizadas pitfalls para a amostragem de macroinvertebrados em duas plantações de eucalipto que tinham sido anteriormente instrumentadas com três parcelas de erosão, de 2m por 8m, replicadas por tratamento (ou seja, as duas diferentes taxas de aplicação de mulching e a ausência de mulching). A amostragem de macroinvertebrados foi realizada sete vezes durante o primeiro ano após o incêndio, começando imediatamente após a aplicação do mulching (efetuada entre Setembro e Outubro de 2015). Os resultados em ambos os locais de estudo revelaram apenas pequenas diferenças na abundância, riqueza, diversidade e equitabilidade da comunidade de macroinvertebrados, não só entre os três tratamentos, mas também ao longo do tempo após a aplicação do mulching. No final do estudo concluiu-se que a aplicação de mulching, usando resíduos de eucaliptos, como medida de redução da erosão no solo após um incêndio, não parece suscitar preocupações sobre possíveis efeitos adversos a curto prazo sobre a comunidade de macroinvertebrados do solo em eucaliptais. Os resultados obtidos estão em conformidade com um estudo anterior cujo foco foram os efeitos do mulching sobre a mesma comunidade, mas a médio-prazo. O estudo sobre mamíferos abordou os efeitos imediatos e a curto prazo dos incêndios florestais num total de 13 espécies pré-selecionadas com base em informações prévias sobre a sua presença na área de estudo. Para este efeito, a ocorrência de vários indicadores da presença de cada espécie foi monitorizada em duas ocasiões, ou seja, durante o primeiro e no segundo Inverno a seguir ao incêndio. Foram monitorizadas 18 quadrículas de 2 km por 2 km, na área de pinhal das Dunas de Quiaios, nove na área que ardeu em Outubro de 2017 e as restantes em áreas não ardidas em redor da mesma. Dentro de cada quadrícula, a ocorrência dos indicadores de presença selecionados foi registada a cada 100 m, para dez pontos de controlo ao longo dos trilhos florestais. Os resultados revelaram um número menor de espécies e uma frequência de presença de indícios mais baixa nas quadrículas queimadas do que nas não queimadas, mas estas diferenças só foram estatisticamente significativas durante o primeiro Inverno após o incêndio. Ao nível da espécie, para cinco das 11 espécies que foram encontradas, a ocorrência de indícios da sua presença foi significativamente menos frequente nas quadrículas queimadas do que nas não queimadas, especialmente durante o primeiro Inverno após o incêndio. Essas cinco espécies incluem animais de dietas e comportamentos distintos, nomeadamente três carnívoros, um omnívoro e um herbívoro. Somente para o coelho-bravo a frequência de indícios de presença encontrados foi significativamente maior nas quadrículas queimadas do que nas não queimadas, e apenas durante o primeiro Inverno após o incêndio. No geral, os resultados revelaram que a resiliência aos efeitos adversos do fogo, imediatamente após e a curto prazo, bem como o impacte de medidas de mitigação pós-fogo é variável entre taxa distintos. Deste modo, diferentes espécies suscitam diferentes preocupações para a sua conservação antes e após um incêndio e, consequentemente, implicam medidas distintas para mitigar os efeitos negativos dos incêndios, tanto ao nível da espécie como da comunidade. A importância das pedras na superfície do solo para as comunidades de macroinvertebrados terrestres, tanto antes como depois do incêndio, deverá ser levada em conta aquando da realização de operações de mobilização do solo em grande escala. Isto é especialmente relevante durante o estabelecimento de novas plantações de eucaliptos. Além disso, o licenciamento da caça após os incêndios exige especial cautela, sendo por isso a monitorização das populações de animais selvagens após os incêndios e durante as épocas de caça subsequentes, recomendada. Uma das mais importantes conclusões desta tese é alertar para a necessidade de mais estudos sobre os efeitos dos incêndios na fauna, alargando o leque de grupos e espécies a estudar, e incluindo os efeitos a médio e longo prazo, particularmente em áreas propensas a incêndios e para espécies cujo estado de conservação já representa uma preocupação anterior à problemática associada aos incêndios.