Natuurbranden van geringe ernst en voorgeschreven brandwonden worden door wetenschappers en resourcemanagers lang verondersteld onschadelijk te zijn voor de bodem, maar dit kan niet het geval zijn, nieuw onderzoek laat zien.

Volgens twee nieuwe onderzoeken door een team van de Universiteit van Californië, Merced (UCM) en het Desert Research Institute (DRI), lichte brandwonden - waarbij vuur snel beweegt en de bodemtemperatuur niet hoger is dan 250oC (482oF) - veroorzaken schade aan de bodemstructuur en organisch materiaal op manieren die niet onmiddellijk zichtbaar zijn na een brand.

"Als je een zeer ernstige brand hebt, je verbrandt de organische stof uit de bodem en de impact is onmiddellijk, " zei Teamrat Ghezzehei, doctoraat, hoofdonderzoeker van de twee studies en universitair hoofddocent Environmental Bodemfysica aan de UCM. "Bij een lichte brand, de organische stof verbrandt niet, en er is niet meteen een zichtbare vernietiging. Maar de verbranding verzwakt de bodemstructuur, en tenzij je later terugkomt en goed naar de grond kijkt, je zou de schade niet opmerken."

DRI-onderzoeker Markus Berli, doctoraat, Universitair hoofddocent milieuwetenschappen, raakte geïnteresseerd in het bestuderen van dit fenomeen tijdens een bezoek aan een verbrand gebied in de buurt van Ely, in 2009 waar hij de onverwachte opmerking maakte dat een voorgeschreven, lichte brand had geleid tot schade aan de bodemstructuur in het verbrande gebied. Hij en verschillende collega's van DRI voerden een vervolgonderzoek uit naar een andere gecontroleerde brandwond in het gebied, en ontdekte die bodemstructuur die direct na een brand in orde leek, maar in de weken en maanden die volgden verslechterde. Berli werkte vervolgens samen met Ghezzehei en een team van UCM, waaronder afgestudeerde student Mathew Jian, en universitair hoofddocent Ameret Asefaw Berhe, doctoraat, verder te onderzoeken.

De bodem bestaat uit grote en kleine minerale deeltjes (grind, zand, slib, en klei) die met elkaar zijn verbonden door organisch materiaal, water en andere materialen om aggregaten te vormen. Wanneer bodemaggregaten worden blootgesteld aan ernstige branden, de organische stof verbrandt, de fysieke structuur van de bodem veranderen en het risico op erosie in verbrande gebieden vergroten. In gebieden met lichte verbranding waar organisch materiaal geen significante verliezen ondervindt, het team vroeg zich af of de bodemstructuur door een ander proces werd aangetast, zoals door het koken van water dat wordt vastgehouden in bodemaggregaten?

In een studie gepubliceerd in AGU Geofysisch Onderzoeksbrieven in mei 2018, het UCM-DRI-team heeft deze vraag onderzocht, met behulp van grondmonsters uit een onverbrand bosgebied in Mariposa County, Californië en uit onverbrand struikgewas in Clark County, Nev. om de effecten van lichte branden op de bodemstructuur te analyseren. Ze verwarmden bodemaggregaten tot temperaturen die de omstandigheden van een lichte brand (175oC/347oF) over een periode van 15 minuten simuleerden, zocht vervolgens naar veranderingen in de inwendige poriedruk en treksterkte van de grond (de kracht die nodig is om het aggregaat uit elkaar te trekken).

Tijdens het experiment, ze zagen dat de poriedruk in de bodemaggregaten een piek bereikte toen het water kookte en verdampte, viel toen weg toen de bindingen in de bodemaggregaten braken en damp ontsnapte. Uit treksterktemetingen bleek dat de nattere bodemaggregaten tijdens dit proces sterker waren verzwakt dan drogere bodemmonsters.

"Onze resultaten laten zien dat de warmte die wordt geproduceerd door lichte branden eigenlijk voldoende is om schade aan de bodemstructuur aan te richten, en dat de schade erger is als de grond nat is, " 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. Bijvoorbeeld, 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, bijvoorbeeld. 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."