Effects of controlled fire on hydrology and erosion under simulated rainfall

S.D. Keesstra, J. Maroulis, E. Argaman, A. Voogt, L. Wittenberg
2014 Cuadernos de Investigación Geográfica = Geographical Research Letters  
Mediterranean forests are frequently subject to wildfires, inducing risks of high runoff and loss of nutrient-rich topsoil. The mechanisms influencing these post-fire effects are spatially variable due to differences in vegetation density, litter composition, soil texture and structure, and fire intensity, and therefore difficult to separate. The characteristics of the soil surface in the immediate post-fire period are of critical importance to the hydrological response and erosion
more » ... rosion susceptibility of the burnt hillslope and catchment. In laboratory experiments, uniform soil, controlled temperature and rain regimes were used to create a controlled environment to isolate the impact of certain influencing parameters. In this study, for a Rendzina soil, we investigated the post-fire impacts of laboratory fire and two successive rainfall (rotating disktype) simulation experiments to evaluate short-term effects of fire on soil hydrological and erodibility parameters by examining (i) soil water repellency (WR) levels and distribution, (ii) surface cover features, and (iii) infiltration, runoff and erosion responses to simulated rain on control (bare and pineneedle covered) and burnt (with and without ash cover) samples. Fire-induced surface WR tested in the laboratory by grid-wise Water Drop Penetration Time tests (WDPT), revealed moderate WR, which decreased for all treatments after rainfall. The response to rain (33 mm h -1 ) differed for the two simulation runs. The rates of drainage and runoff of the burnt samples in the first run varied between the values of cover (low runoff, high infiltration) and bare (high runoff, low infiltration). Drainage in the ash-covered samples was twice as high as ashremoved samples. In the second run, both samples showed a similar response compared to bare conditions. These laboratory observations suggest that WR and protection by ash are factors to consider in assessing the erosion susceptibility of a burnt forest soil. Furthermore, possible management implications based upon this research are that: 1) ash can have several important roles immediately after a forest fire by protecting the forest soil from rain splash erosion, and with its high water holding capacity, absorbs rainfall, thereby reducing runoff; and 2) ash has no negative influence upon soil infiltration demonstrating the important Keesstra et al. 270 CIG 40 (2), 2014, p. 269-293, ISSN 0211-6820 benefits of ensuring the longer term maintenance of post-fire ash within the burnt landscape. Finally, management actions including mulching further enhance soil stability and minimize soil erosion. Efectos del fuego controlado sobre la hidrología y la erosión bajo lluvia simulada RESUMEN. Los bosques mediterráneos están frecuentemente sujetos a incendios, incrementando el riesgo de elevada escorrentía y pérdida de horizontes superiores del suelo ricos en nutrientes. Los mecanismos que influyen en estos efectos postincendio son espacialmente variables debido a diferencias en la densidad de la vegetación, composición del mantillo, textura y estructura del suelo, e intensidad del fuego, y por ello difíciles de separar. Las características del suelo y la superficie en el periodo inmediatamente posterior al incendio son de importancia crítica para la respuesta hidrológica y la susceptibilidad a la erosión de la ladera y la cuenca quemadas. En experimentos de laboratorio se utilizaron un suelo uniforme y situaciones controladas de temperatura y precipitación con el fin de aislar el impacto de algunos parámetros. En este estudio, para un suelo de Rendsina, investigamos los efectos post-incendio de un fuego de laboratorio y dos experimentos sucesivos de lluvia simulada para evaluar las consecuencias a corto plazo de un incendio sobre los parámetros hidrológicos y la erodibilidad del suelo, examinando (i) los niveles de repelencia al agua y su distribución, (ii) los rasgos de la cubierta superficial, y (iii) las respuestas de la infiltración, la escorrentía y la erosión frente a la lluvia simulada en una situación no perturbada (con suelo desnudo y cubierto de acículas) y quemada (con y sin cenizas). La repelencia al fuego, testada en laboratorio mediante pruebas de penetración de gotas de lluvia, reveló una repelencia moderada, que disminuyó para todos los tratamientos después de la lluvia. La respuesta frente a la lluvia (33 mm h -1 ) fue diferente para las dos series de simulaciones. Las tasas de drenaje y escorrentía en los casos quemados produjeron, en la primera prueba de simulación, valores situados entre la simulación en suelo cubierto (baja escorrentía, alta infiltración) y suelo desnudo (alta escorrentía, baja infiltración). El drenaje en los casos cubiertos de ceniza fue dos veces mayor que en los casos sin ceniza. En la segunda simulación, ambos ejemplos mostraron una respuesta similar comparada con las condiciones de suelo desnudo. Estas observaciones de laboratorio sugieren que la repelencia y la protección por las cenizas son factores para valorar la susceptibilidad a la erosión de suelos forestales quemados. Además, a partir de esta investigación pueden deducirse implicaciones para la gestión: 1) las cenizas pueden tener varias funciones importantes inmediatamente después de un incendio forestal al proteger el suelo del impacto de las gotas de lluvia, a la vez que su elevada capacidad de absorción de agua reduce la escorrentía; y 2) las cenizas no tienen una influencia negativa sobre la infiltración del suelo, demostrando los importantes beneficios de asegurar su presencia a largo plazo en el paisaje quemado. Finalmente, acciones tales como la incorporación de una capa de materia orgánica (mulching) incrementan la estabilidad del suelo y minimizan la erosión. Effects of controlled fire on hydrology and erosion CIG 40 (2), 2014, p. 269-293, ISSN 0211-6820
doi:10.18172/cig.2532 fatcat:fnzok5lm5zcyzlg6wemozo43oa