Effects of high-intensity controlled burning in physical-chemical and biological soil properties in “Los Boquerones” Area

Abstract

In the last years, the use of fire to manage forest ecosystems has become more frequent in Europe. Fire has a great impact on the soil and therefore it is necessary to understand how controlled burns affect this non-renewable resource, essential for life in (forest) ecosystems. The purpose of this study was to evaluate the main alterations in the physical-chemical and biological properties of the soil as a result of a high intensity-controlled burn in the "Los Boquerones" area (municipality of Villaviciosa de Córdoba) at two different times, immediately after the burn and eight months later (recovery). The specific objectives were to assess the spatial heterogeneity of the alterations of the different soil properties as well as addressing the relationship between fire occurrence and soil microbial communities. A grid of 12 points, representative of 1.4 ha, was and stablished on a hillside in Sierra Morena (Córdoba), with soil developed on sandstones and slates. At each point, thermal sensors were placed, and soil samples were collected at two depths (0 – 2 and 2 – 5 cm) before burning, immediately after burning and eight months later (recovery). Soil magnetic susceptibility, colour, pH, electrical conductivity, cation exchange capacity, nutrient content and / or availability, between other, and their spatial and time variations were analysed. Soil pH, the main driver for soil microorganisms, was substantially increased in the first centimetres of the soil (0 – 2 cm) immediately after burning up to more than 2 units, and the increase was maintained eight months after the burn. This may be of interest for forest management (plant species selection) and disease control and prevention. In addition, the high-intensity burn had a positive short-term effect on some of the soil properties, such as nutrient availability for plants, which was considerably increased. In this sense, available phosphorus was increased more than 30 mg kg-1 after the burn in the uppermost 2 cm of soil, and although there was a decrease later, the amount of available P was still higher than before the burn eight months after the burn. A similar trend was observed for cation exchange capacity. The magnitude of the alterations in the soil indicators assessed was spatially explained by the behaviour of the fire during the controlled burning. The burn also affected soil microorganisms both directly and indirectly. Thus, the intensity of the fire as well as the alterations on soil properties determined their behaviour. In conclusion, the possible immediate and short to medium term effects of burning on the non-renewable resource soil should be considered for a more holistic management of fire in forest ecosystems, as its functionality and capacity to provide ecosystem services is largely altered by these events as a function of their intensity.

El uso del fuego para la gestión de los ecosistemas forestales se ha hecho más frecuente en los últimos años en Europa. El fuego tiene un gran impacto en el suelo y, por tanto, es necesario entender cómo las quemas controladas afectan a este recurso no renovable, esencial para la vida en los ecosistemas (forestales). El propósito de este estudio fue evaluar las principales alteraciones en las propiedades fisicoquímicas y biológicas del suelo como consecuencia de una quema controlada de alta intensidad en la zona de "Los Boquerones" (municipio de Villaviciosa de Córdoba) en dos momentos diferentes, inmediatamente después de la quema y ocho meses después (recuperación). Los objetivos específicos fueron evaluar la heterogeneidad espacial de las alteraciones de las diferentes propiedades del suelo, así como abordar la relación entre la ocurrencia del fuego y las comunidades microbianas del suelo. Se estableció una malla de 12 puntos, representativos de 1,4 ha, en una ladera de Sierra Morena (Córdoba), con suelos desarrollados sobre areniscas, pizarras. En cada punto se colocaron sensores térmicos y se recogieron muestras de suelo a dos profundidades (0 - 2 y 2 - 5 cm) antes de la quema, inmediatamente después de la quema y ocho meses después (recuperación). Se analizaron la susceptibilidad magnética del suelo, el color, el pH, la conductividad eléctrica, la capacidad de intercambio catiónico, el contenido y/o la disponibilidad de nutrientes, entre otros, y sus variaciones espaciales y temporales. El pH del suelo, principal impulsor de los microorganismos del suelo aumentó sustancialmente en los primeros centímetros del suelo (0 - 2 cm) inmediatamente después de la quema hasta más de 2 unidades, y el aumento se mantuvo ocho meses después de la quema. Esto puede ser de interés para la gestión forestal (selección de especies vegetales) y el control y la prevención de enfermedades. Además, la quema de alta intensidad tuvo un efecto positivo a corto plazo sobre algunas de las propiedades del suelo, como la disponibilidad de nutrientes para las plantas, que aumentó considerablemente. En este sentido, el fósforo disponible se incrementó en más de 30 mg kg-1 después de la quema en los 2 cm superiores del suelo, y aunque hubo una disminución posterior, la cantidad de P disponible seguía siendo mayor que antes de la quema ocho meses después de ésta. Se observó una tendencia similar para la capacidad de intercambio catiónico. La magnitud de las alteraciones de los indicadores del suelo evaluados se explicaba espacialmente por el comportamiento del fuego durante la quema controlada. La quema también afectó a los microorganismos del suelo tanto directa como indirectamente. Así, tanto la intensidad del fuego como las alteraciones en las propiedades del suelo determinaron su comportamiento. En conclusión, los posibles efectos inmediatos y a corto y medio plazo de las quemas sobre el recurso no renovable suelo deben ser considerados para una gestión más holística del fuego en los ecosistemas forestales, ya que su funcionalidad y capacidad de proporcionar servicios ecosistémicos se ve ampliamente alterada por estos eventos en función de su intensidad.