Lavsvær naturbrande påvirker jorden mere end tidligere antaget

Lavsvær naturbrande og foreskrevne forbrændinger har længe været antaget af videnskabsmænd og ressourceforvaltere for at være uskadelige for jordbunden, men det er måske ikke tilfældet, viser ny forskning.

Ifølge to nye undersøgelser udført af et hold fra University of California, Merced (UCM) og Desert Research Institute (DRI), lavsvære forbrændinger – hvor ilden bevæger sig hurtigt og jordtemperaturen ikke overstiger 250oC (482oF) – forårsager skade på jordstrukturen og organisk materiale på måder, der ikke er umiddelbart synlige efter en brand.

"Når du har en alvorlig brand, du brænder det organiske stof af fra jorden og påvirkningen er øjeblikkelig, " sagde Teamrat Ghezzehei, Ph.D., hovedforsker af de to studier og lektor i miljøjordfysik ved UCM. "I en brand med lav sværhedsgrad, det organiske stof brænder ikke af, og der er ingen synlig ødelæggelse med det samme. Men afbrændingen svækker jordstrukturen, og medmindre du kommer tilbage på et senere tidspunkt og omhyggeligt ser på jorden, du ville ikke bemærke skaden."

DRI-forsker Markus Berli, Ph.D., forskningslektor i miljøvidenskab, blev interesseret i at studere dette fænomen, mens han besøgte et brændt område nær Ely, Nev. i 2009, hvor han gjorde den uventede observation, at en ordineret, brand af lav sværhedsgrad havde resulteret i skader på jordstrukturen i det afbrændte område. Han og flere kolleger fra DRI gennemførte en opfølgende undersøgelse af en anden kontrolleret forbrænding i området, og fandt den jordstruktur, der så ud til at være fin umiddelbart efter en brand, men som blev forringet i de efterfølgende uger og måneder. Berli slog sig derefter sammen med Ghezzehei og et team fra UCM, der omfattede kandidatstuderende Mathew Jian, og lektor Asmeret Asefaw Berhe, Ph.D., at undersøge nærmere.

Jord består af store og små mineralpartikler (grus, sand, silt, og ler), som er bundet sammen af ​​organisk stof, vand og andre materialer for at danne aggregater. Når jordtilslag udsættes for alvorlige brande, det organiske stof brænder, ændrer jordens fysiske struktur og øger risikoen for erosion i afbrændte områder. I områder med lav sværhedsgrad, hvor organisk materiale ikke lider væsentlige tab, holdet spekulerede på, om jordstrukturen blev forringet af en anden proces, såsom ved kogning af vand, der holdes i jordtilslag?

I en undersøgelse offentliggjort i AGU Geophysical Research Letters i maj 2018, UCM-DRI-holdet undersøgte dette spørgsmål, ved hjælp af jordprøver fra et uforbrændt skovområde i Mariposa County, Californien og fra uforbrændt buskads i Clark County, Never at analysere virkningerne af lavsvær brande på jordstrukturen. De opvarmede jordtilslag til temperaturer, der simulerede betingelserne for en brand med lav alvorlighed (175oC/347oF) over en 15-minutters periode, så efter ændringer i jordens indre poretryk og trækstyrke (den kraft, der kræves for at trække tilslaget fra hinanden).

Under forsøget, de observerede, at poretryk i jordaggregaterne steg til et højdepunkt, da vand kogte og fordampede, faldt derefter, da bindingerne i jordaggregaterne brød og damp undslap. Tensile strength measurements showed that the wetter soil aggregates had been weakened more than drier soil samples during this process.

"Our results show that the heat produced by low-severity fires is actually enough to do damage to soil structure, and that the damage is worse if the soils are wet, " Berli explained. "This is important information for resource managers because it implies that prescribed burns and other fires that occur during wetter times of year may be more harmful to soils than fires that occur during dry times."Next, the research team wondered what the impact of this structural degradation was on the organic matter that the soil structure normally protects. Soil organic matter consists primarily of microbes and decomposing plant tissue, and contributes to the overall stability and water-holding capacity of soils.

In a second study that was published in Frontiers in Environmental Science in late July, the UCM-DRI research team conducted simulated burn experiments to weaken the structure of the soil aggregates, and tested the soils for changes in quality and quantity of several types of organic matter over a 70-day period.

They found that heating of soils led to the release of organic carbon into the atmosphere as CO2 during the weeks and months after the fire, and again found that the highest levels of degradation occurred in soils that were moist. This loss of organic carbon is important for several reasons, Ghezzehei explained.

"The loss of organic matter from soil to the atmosphere directly contributes to climate change, because that carbon is released as CO2, " Ghezzehei said. "Organic matter that is lost due to fires is also the most important reserve of nutrients for soil micro-organisms, and it is the glue that holds soil aggregates together. Once you lose the structure, there are a lot of other things that happen. For eksempel, infiltration becomes slower, you get more runoff, you have erosion."

Although the research team's findings showed several detrimental effects of fire on soils, low-severity wildfires and prescribed burns are known to benefit ecosystems in other ways—recycling nutrients back into the soil and getting rid of overgrown vegetation, for eksempel. It is not yet clear whether the negative impacts on soil associated with these low-severity fires outweigh the positives, Berli says, but the team hopes that their research results will help to inform land managers as they manage wildfires and plan prescribed burns.

"There is very little fuel in arid and semi-arid areas, and thus fires tend to be short lived and relatively low in peak temperature, " Ghezzehei said. "In contrast to the hot fires and that burn for days and weeks that we see in the news, these seem to be benign and we usually treat them as such. Our work shows that low-severity fires are not as harmless as they may appear."