Efectos de las cenizas y la repelencia al agua en suelos afectados por incendios forestales en ecosistemas mediterráneos

Resumen

El fuego es un factor ecológico natural en la Tierra y ha actuado con diferente intensidad desde hace 400 millones de años. En condiciones de clima mediterráneo el fuego es un factor recurrente que las sociedades humanas han controlado desde hace milenios. Sin embargo, tras medio siglo de abandono agrícola y ganadero, la gestión del monte mediterráneo mediante el uso del fuego es inexistente. Además, con la recuperación de la vegetación, el fuego afecta ahora a una densa y continua masa forestal, convirtiendo los incendios en un riesgo por la dificultad en ser controlados y por su elevada intensidad. Este tipo de incendios descontrolados son los que pueden inducir efectos ambientales adversos al producir la alteración de las propiedades edáficas y favorecer elevadas tasas de erosión, potenciando procesos de Desertificación. Además, el fuego también pone en riesgo propiedades y vidas humanas. Esta Tesis Doctoral trata algunos de los aspectos ambientales de los incendios forestales, con especial atención a los suelos. Sin duda, el estudio de las aspectos biofísicos como los aquí presentados, junto con estudios socio-económicos, permitirán una mejor gestión de las zonas afectadas por incendios, y con ello la planificación del territorio. Los cambios que produce el fuego en la vegetación, la micro y macrofauna, los ciclos biogeoquímicos, las propiedades del suelo y los procesos hidrológicos y geomorfológicos, se deben al calentamiento producido por el mismo incendio, pero también a las condiciones ambientales surgidas tras la pérdida de la cubierta vegetal y el recubrimiento con cenizas. Es decir, el paso del fuego transforma súbitamente el aspecto y el funcionamiento del ecosistema allí donde se produce, y deja una herencia que lo afectará durante años de manera muy dinámica y variable dependiendo de múltiples factores. Las cenizas son uno de los factores clave para entender la evolución de las zonas afectadas por incendios forestales. En el contexto de este estudio, las cenizas se consideran el residuo del material orgánico tras el paso del fuego. Estas cubren el suelo temporalmente formando una capa de espesor y características físicas y químicas variables, las cuales dependen del material original y de la severidad del incendio. Las cenizas influyen decisivamente en los ciclos biogeoquímicos, incluido el del carbono, modifican las tasas de infiltración del suelo y la generación de escorrentía, controlan las tasas de erosión y alteran las propiedades físicas y químicas de los suelos. Incluso después de ser lavadas, disueltas o erosionadas, seguirán influyendo en los ciclos de la materia y la energía al modificar las propiedades del agua y de los suelos donde se incorporen. Sin embargo, son uno de los elementos más desconocidos del ecosistema post-incendio ya que fueron relativamente olvidadas por la investigación científica. Contrariamente, se estudió la erosión y producción de escorrentías, los cambios en la materia orgánica y la agregación del suelo o la evolución de la vegetación de forma intensiva y reiterada, pero los estudios llevados a cabo sobre incendios forestales sólo habían considerado las cenizas como un factor relevante en el ciclo de nutrientes y como fertilizador del suelo. Muy pocos estudios habían explorado los efectos de las cenizas en la hidrología y erosión del suelo y, de la investigación que se está llevando a cabo, todavía no se han obtenido conclusiones definitivas. Lo que ahora sabemos sin duda es que las propiedades de las cenizas presentan una gran variabilidad, y con ello respuestas diversas e incluso contrastadas. El objetivo general de esta Tesis Doctoral, "Efectos de las cenizas y la repelencia al agua en la hidrología de suelos afectados por incendios forestales en ecosistemas mediterráneos", es estudiar los efectos de las cenizas sobre los procesos hidrológicos, edáficos y geomorfológicos. Se ha prestando especial atención a la repelencia al agua, tanto de las propias cenizas como a sus efectos en la repelencia al agua del suelo al ser factores decisivos para entender su papel como gestores del agua, sedimentos y nutrientes. La tesis se presenta como un compendio de cinco artículos científicos realizados entre julio de 2008 y junio de 2012. Tres de estos trabajos han sido publicados en revistas internacionales de alto índice de impacto (Geoderma y Catena), y todos los resultados fueron presentados en congresos nacionales o internacionales para su discusión publica antes de su redacción. El primer trabajo y punto de partida de la Tesis Doctoral, fue una revisión bibliográfica sobre el efecto del fuego en las propiedades del suelo publicada en el Boletín de la AGE (Asociación de Geógrafos de España) y titulada "Efectos de los incendios forestales en la vegetación y el suelo en la cuenca mediterránea: revisión bibliográfica". Tras poner en contexto esta investigación, se procedió a la realización de experimentos y estudios concretos. En el primero y cuyos resultados están en prensa en la revista Catena con el título de "Spatial and temporal variations of water repellency and probability of its occurrence in calcareous Mediterranean rangeland soils affected by fires", se estudió la evolución de la repelencia al agua en el suelo inmediatamente tras un incendio y en cuencas quemadas 10 y 20 años antes, en un ecosistema mediterráneo con suelo calcáreo. Se examinaron además las variaciones mensuales debidas a los cambios en la humedad del suelo y las variaciones espaciales debajo de diferentes tipos de vegetación y en microparcelas debajo de un mismo individuo y se comprobó que las cenizas afectan a la repelencia al agua tras el incendio. También se calcularon las probabilidades de encontrar repelencia al agua en estos suelos. Este experimento sugirió nuevas cuestiones sobre si las cenizas podían ser repelentes al agua y, como no existían estudios sobre ello, este fue el objetivo del siguiente trabajo "The wettability of ash from burned vegetation and its relationship to Mediterranean plant species type, burn severity and total organic carbon content" publicado en Geoderma. Mediante experimentos de laboratorio se estudió también la relación de la repelencia al agua de las cenizas con el contenido de carbono orgánico y su color, y cómo afecta la incorporación de cenizas a la repelencia al agua del suelo. Llegado este punto se creyó necesario además conocer su efecto en la repelencia al agua del suelo cuando las cenizas lo cubren. Por tanto, se procedió a la realización de varios experimentos más intentando aportar a la vez información sobre su papel en la generación de escorrentías, en la composición química de éstas, y en la erosión producida tras un incendio, cuando diferentes cenizas cubren diferentes suelos con capas de varios espesores. Los resultados obtenidos con los experimentos del laboratorio están en prensa en la revista Geoderma con el título "Hydrological effects of a layer of vegetation ash on underlying wettable and water repellent soil", mientras que los obtenidos con experimentos en el campo están publicados en las Actas del III Congreso Internacional FESP "Fire effects on soil properties" en Guimaraes (Portugal) con el título "Runoff rates, water erosion and water quality from a soil covered with different types of ash". Esta Tesis Doctoral aporta al conocimiento científico una serie de contribuciones de entre las que destacan las siguientes: 1) En cuanto a las variaciones espaciales y temporales de la repelencia al agua en suelos calcáreos mediterráneos y la predicción de la probabilidad que esté presente en el suelo: • La repelencia al agua puede ser una propiedad común en los suelos calcáreos de los bosques mediterráneos. En las zonas estudiadas, la presencia de la repelencia al agua del suelo osciló estacionalmente entre 40-95% con algunas muestras manifestando repelencia extrema, pero disminuyendo en profundidad. Asimismo, se encontraron incrementos en la repelencia del suelo a 1 cm de profundidad tras un incendio forestal, aunque la repelencia al agua se redujo a niveles muy bajos tras un año tanto en superficie como en profundidad. Este cambio pueden debido al lavado de sustancias hidrofóbicas o a su degradación, al recubrimiento de la superficie del suelo con sedimentos producto de la erosión post-incendio que están compuestos de partículas del suelo y cenizas hidrofílicas y a la falta de deposición de material orgánico hidrofóbico fresco al no haber temporalmente vegetación como consecuencia del incendio. Los resultados indican que el restablecimiento de la repelencia al agua a niveles de antes del incendio tarda más de 10 años según los resultados de esta investigación en la Sierra de Enguera (Valencia). • La variabilidad de la repelencia al agua del suelo bajo Pinus halepensis, Quercus coccifera y Rosmarinus officinalis en la misma zona de estudio de 1 es igual de amplia que entre individuos de la misma especie y dentro de una parcela 10 cm × 10 cm. La menor variabilidad aparece en suelos desnudos donde la mayoría de las muestras fueron hidrofílicas. La repelencia al agua también es también variable según la humedad del suelo, siendo mayor en condiciones secas de verano. • A partir de covarianzas y factores fijos simples de cuantificar (tipo de vegetación, profundidad del suelo y humedad del suelo) se desarrolló un modelo estadístico que permite estimar la probabilidad de encontrar repelencia al agua en el suelo en diferentes estaciones y condiciones meteorológicas en bosques mediterráneos maduros. El modelo obtenido puede representar una herramienta útil aunque se requiere más estudio y comprobaciones para poder aplicarlo a otras áreas. 2) En referencia a las propiedades de las cenizas estudiadas: • Las cenizas procedentes de incendios forestales pueden ser repelentes al agua. La mayor presencia y persistencia de repelencia al agua en cenizas de bosques de Pinus halepensis y vegetación asociada aparece en las recogidas en incendios forestales de baja severidad y, de las producidas en el laboratorio en las generadas entre 200-300 °C, mientras que a más de 400°C, la repelencia es inexistente. Además, las cenizas producidas a partir de Quercus coccifera y Pinus halepensis resultan en mayores niveles de presencia y persistencia de repelencia al agua que las de Rosmarinus officinalis. La repelencia al agua en las cenizas se reduce tras su humedecimiento. Esta propiedad está relacionada con la proporción de carbono orgánico/inorgánico y el tipo de componentes orgánicos. No obstante, según nuestros resultados el color no es un buen indicador tanto de la repelencia al agua como de la cantidad de carbono orgánico si se comparan cenizas de diferentes incendios forestales. • La cantidad de carbono orgánico total en las cenizas en este estudio oscila entre 4,6% y 31,1% y en las cenizas producidas en el laboratorio entre 22,9% y 60,3%. Los mayores valores de carbono orgánico en las cenizas generadas en el laboratorio pueden deberse a que el proceso de combustión producido no es directamente comparable al ocurrido en incendios forestales. 3) Respecto a la longevidad de las cenizas en el suelo, se ha comprobado que una capa de cenizas de más de 5 mm recogidas en un incendio de baja severidad, continúa cubriendo el suelo tras dos simulaciones de lluvia en el laboratorio con una intensidad de 82 mm h-1 durante 40 min y con una pendiente de 10º. Igualmente, grosores de más de 5 mm de cenizas producidas a elevadas temperaturas en el laboratorio mantuvieron el suelo cubierto tras dos lluvias simuladas en el campo de 55 mm h-1 durante 1 hora con una pendiente de 5º. Grosores de menos de 5 mm dejaron el suelo descubierto tras estos eventos. 4) En cuando al efecto de las cenizas en la repelencia al agua del suelo: • Si las cenizas cubren el suelo, una capa de cenizas hidrofílica de más de 5 mm de grosor reduce considerablemente la repelencia al agua del suelo al incrementar la presión hidráulica y el contacto entre el agua y el suelo, y por tanto promueve flujos preferenciales a lo largo del perfil del suelo. Tras la primera lluvia y en condiciones de suelo húmedo, las cenizas no producen una reducción de la repelencia al agua del suelo significativa. • Si las cenizas están incorporadas en el suelo, pueden aumentar o reducir la repelencia al agua del suelo dependiendo su naturaleza hidrofílica o hidrofóbica. En el caso de cenizas hidrofóbicas, la repelencia resultante puede ser elevada si se incorporan al suelo mediante mecanismos exentos de agua, como la acción eólica o la bioturbación. 5) Respecto a los efectos de una capa de cenizas en la respuesta hidrológica: • Las cenizas pueden aumentar la arroyada superficial si la conductividad hidráulica (Kcenizas) es menor que la intensidad de la lluvia, lo que puede ocurrir debido a la compactación y encostramiento de las cenizas cuando tienen un alto contenido en carbonato cálcico o si las cenizas son repelentes al agua. • En todos los otros casos, cuando Kcenizas > intensidad de la lluvia, y sobre todo para la primera lluvia tras el incendio, las cenizas retrasan el inicio de la arroyada proporcionalmente al espesor de la capa debido a su elevada capacidad de almacenamiento de agua. • Una vez las cenizas están saturadas, se produce un flujo superficial y subsuperficial entre las cenizas y el suelo hasta que ambas capas se equilibran y pasa a dominar el proceso la capacidad de infiltración del suelo. • Sin embargo, las capa de cenizas puede modificar la capacidad de infiltración del suelo (a), incrementándola respecto a un suelo no cubierto de cenizas porque previenen el suelo de encostrarse y pueden reducir la repelencia al agua de éste (ver punto 4) o (b) reduciéndola si taponan los poros del suelo, según el tamaño de tamaño de partícula de ambos materiales. 6) Las cenizas protegen el suelo de la erosión producida por el impacto de las gotas de lluvia en todos los casos y previenen la erosión laminar siempre que no se saturen y no ocurra escorrentía superficial. Esta reducción es especialmente importante sobre suelos repelentes desnudos tras un incendio, que son los que suelen producir las mayores tasas de erosión. El sedimento producido en suelos cubiertos por cenizas está asociado con la escorrentía superficial generada (ver punto 5), pero durante episodios de lluvias intensas, las cenizas pueden aumentar la capacidad de transporte del sedimento contribuyendo a eventos extremos de erosión. 7) Los nutrientes liberados por las cenizas modifican la calidad del agua de escorrentía, incrementando el pH, la conductividad eléctrica y especialmente la cantidad de cationes. Los nutrientes solubilizados no son exactamente los mismos que los existentes en la composición original en forma de cenizas ya que dependen del volumen de la escorrentía producida (ver punto 5), de la solubilidad de los compuestos de las cenizas y de las interacciones químicas con el suelo. Con la primera lluvia, si esta es suficientemente abundante, la mayor parte de los nutrientes son solubilizados y lixiviados o arrastrados con la escorrentía, pero algunos de ellos pueden aumentar tras unas semanas al producirse cambios químicos tanto en las cenizas como en el suelo.