Репеллент и инфильтрация почв

Объемная плотность

Эффекты предписанного пожара на объемную плотность не особенно хорошо поняты, поскольку некоторые авторы не сообщают о значительных изменениях этого свойства после предписанных пожаров (Agee, 1973; Phillips et al., 2000; Grady and Hart, 2006; Pierson et al., 2008, Meira-Castro et al., 2014), тогда как другие сообщают об уменьшении (Brye, 2006; Chief et al., 2012) или более высоких значениях (Binkley et al., 1992; Kennard and Gholz, 2001; Hubbert et al., 2006; Granged et al., 2011a). Agee (1973) и Meira-Castro et al. (2014) не обнаружили значительных изменений в объемной плотности после одного предписанного пожара в Калифорнии и Португалии, соответственно, главным образом в результате того, что не было потери органического углерода.Chief et al. (2012) наблюдали более низкие значения объемной плотности после предписанного пожара, проведенного в лесисто-кустарниковой экосистеме в пустыне Большого Бассейна (Невада, США), связанной с расширением пар почвы. Аналогичным образом, Брай (Brye, 2006) сообщил о снижении значений объемной плотности после 12 лет ежегодных предписанных пожаров во влажно-субтропической среде в центральном Арканзасе из-за увеличения вкладов подземных органических веществ в качестве корневой биомассы. Напротив, Phillips et al. (2000) сообщили, что более высокие объемные плотности в дубовом лесу в Соединенных Штатах и Кеннард и Гольц (2001) также обнаружили более высокие значения объемной плотности после предписанного пожара в сухом лесу Боливии. Аналогично, Hubbert et al. (2006)наблюдалось, что после низкоинтенсивной пожарной массы объемная плотность значительно увеличилась (на 26%) с соответствующим уменьшением пористости в чапарральной почве в Калифорнии. Эти авторы заключают, что разрушение агрегации почвы способствовало увеличению объемной плотности. Таким образом, необходимо приложить более активные усилия для того, чтобы завершить наше понимание воздействия предписанных пожаров на плотность грунта. Однако многие факторы, по-видимому, определяют плотность грунта (в том числе интенсивность и интенсивность пожара, цементирующие агенты, накопление топлива, текстуру, влажность), и их необходимо тщательно контролировать, если мы надеемся получить более глубокое знание этого свойства почвы.

Текстура почвы

Текстура почвы обычно не претерпевает никаких изменений при температурах ниже 500 ° C (Tan et al., 1986). Однако Afif и Oliveira (2006) и Granged et al. (2011b)обнаружили значительные изменения в супесчаных почвах в Испании и Австралии, соответственно, после предписанного пожара. Они сообщают, что содержание песка увеличилось из-за образования неустойчивых агрегатов. Тем не менее, через семь дней после того, как Афиф и Оливейра (2006) заметили, что содержание песка вернулось до уровня предварительного огня, эти изменения были эфемерными. Аналогично, Hubbert et al. (2006) сообщил о 39% -ном изменении содержания глины в грубо-суглинистых почвах из-за агрегации мельчайших частиц в крупные частицы размера ила. В противоположность,Pierson et al. (2008) наблюдалось лишь небольшое снижение содержания глины и большие значения содержания песка в грубых текстурированных почвах, расположенных в западной части Соединенных Штатов после лесного пожара, но никаких изменений текстуры не обнаружено в предписанном месте пожара. В нескольких исследованиях основное внимание уделялось изменениям текстуры почвы после предписанного пожара. Возможно, было бы интересно увидеть эффекты на почвах разных типов текстур, чтобы определить, ведут ли они себя таким же образом или ухудшается ли деградация. В тех случаях, когда это имеет место, предписанные пожары в таких регионах лучше всего проводить в конкретных условиях или непосредственно, а не использоваться в качестве управления растительностью.

Стабилизация почв

Стабильность почвенного агрегата является ключевым физическим свойством для оценки качества почвы, учитывая, что агрегаты почвы действуют как резервуар влаги, питательных веществ и органического углерода и могут быть затронуты пожарами и пожарами низкой интенсивности и тяжести (DeBano, 1990; Albalasmeh et al.., 2012). Эти воздействия зависят от ряда факторов, но в случае предписанных пожаров наиболее важны интенсивность пожара и степень пожара (Keeley, 2009). В почвах степень тяжести зависит от пиковых температур и продолжительности этих температур (тепловая подпись) в почве, так как это может привести к значительной потере органического вещества. Когда органическое вещество, которое связывает почвенные агрегаты, сжигается, структура почвы разрушается путем дезагрегации и краха больших пор почвы (DeBano, 1981). В зависимости от степени пожара воздействие огня на органическое вещество будет включать улетучивание мелких составляющих, обугливание или полное окисление. Значительное потребление органического вещества начинается в температурном диапазоне от 200 до 250 ° С и заканчивается при температуре около 460 ° С (Giovannini et al., 1988)). Во многих исследованиях изучалось воздействие пожара на структуру почвы, показывающее, что почвы, подверженные температурам ниже 220 ° C, не имеют значительных изменений (Arcenegui et al., 2008; Marcos et al., 2007; Zavala et al., 2010; Jordan et. al., 2011) или даже повысить их совокупную стабильность (Giovannini and Lucchesi, 1997; Mataix-Solera and Doerr, 2004; Guerrero et al., 2001). Mataix-Solera and Doerr (2004) сообщают, что при низкоинтенсивных пожарах структурная устойчивость возрастает из-за образования гидрофобного слоя во внешних частях агрегатов в результате включения органического вещества в минеральную почву. Granged et al. (2011b)также обнаружили высокую стабильность агрегатов почвы на своих участках до и сразу после предписанного пожара, которые они интерпретируют как роль органического вещества почвы в качестве цементирующего агента. Однако предписанный огонь приводит к мозаике участков с низкой, средней и высокой степенью ожога из-за неравномерности температуры и продолжительности огня; склон местности и аспект; глубина помета и содержание влаги; вид и распределение видов; жить до мертвых соотношений топлива; плотности топлива и содержание влаги; и различия в влажности и текстуре почвы (Hubbert et al., 2006)). Таким образом, последствия предписанных пожаров будут зависеть от всех упомянутых выше факторов. Некоторые авторы сообщают о снижении стабильности агрегата почвы после предписанного пожара из-за разрушения почвенных агрегатов в определенных типах почв и в почвенных цементирующих агентах (Grange et al., 2011a; Chief et al., 2012; Kavouras et al., 2012, Urbanek, 2013). Scharenbroch et al. (2012)не сообщают никаких изменений в совокупной стабильности после двух десятилетий низкой строгости предписанных пожаров, проведенных в дубовом лесу (Иллинойс, США). Значительный пробел в исследованиях можно найти в наших знаниях о том, как стабильность агрегата почвы зависит от установленных пожаров, используемых в качестве инструмента управления растительностью. Однако важно, чтобы мы узнали, что происходит с этим параметром почвы, проведя больше полевых экспериментов, поскольку в конечном итоге предписанные пожары будут применяться к средам с их собственными очень специфическими характеристиками (тип растительности, почва, климат, накопление топлива), а не лаборатория, где параметры нагрева в основном стабильны. Осознание этого важно, потому что восстановление структуры почвы может занять до года или более (даже десятилетия) в зависимости от интенсивности огня, степени тяжести ожога почвы, скорости извлечения,Neary et al., 1999).

Репеллент и инфильтрация почв

Водоотталкивающая способность присутствует в некоторых лесных и кустарниковых сообществах, но огонь может усиливать, уменьшать или даже создавать ее (Doerr and Shakesby, 2009). Дебано (DeBano, 1981) заметил, что водоотталкивающая способность возникает, когда почвы нагреваются при температуре от 176 до 204 ° C, и она начинает разрушаться при температурах выше 288 ° C. Степень репеллентности после пожара зависит от: (1) степени тяжести пожара; (2) тип растительности; (3) текстура почвы; (4) влажность почвы и (5) время с момента пожара (Huffman et al., 2001). Исследования, в которых основное внимание уделяется водоотталкиванию после предписанного пожара, показали повышенные значения (Hubbert et al., 2006; Vadilonga et al., 2008; Granged et al., 2011b), без изменений (Agee, 1973; Robichaud, 2000; Кеннард и Гольц, 2001; Scharenbroch et al., 2012) или более низкие значения (Pierson et al., 2008; Granged et al., 2011a). Granged et al. (2011b) обнаружили, что в австралийских почвах при нагревании при 142 ° C резко повысилась репеллентность почвенной воды, но она значительно уменьшилась на участках, нагретых до 317 ° C. Эти результаты согласуются с данными, представленными рядом авторов в лабораторных условиях (García-Corona et al., 2004; Mataix-Solera and Doerr, 2004; Arcenegui et al., 2008). Вадилонга и др. (2008), например, наблюдалось эфемерное повышение водоотталкивающей способности почв после средне- и высокоинтенсивных пожаров в средиземноморских почвах в Испании, но после низкоинтенсивных пожаров почвенная репеллентность снизилась. Как упоминалось выше, водоотталкивание обычно может быть уничтожено огнем. Это было обнаружено в Pierson et al. (2008) и Granged et al. (2011a) в незагрязненных предгорных почвах в западной части Соединенных Штатов и Испании, соответственно. Удержание воды и сток тесно связаны с репеллентом почвенной воды, поскольку водоотталкивающая способность снижала скорость инфильтрации или приводила к стоку. Последнее было отмечено Пиерсоном и др. (2008), который сообщил о стоке в результате, в основном, сильно репеллентных предгорных почв. Некоторые авторы не обнаружили существенных изменений. Так было, например, Robichaud (2000), который изучал эффекты пожара на скорости инфильтрации с использованием симулятора осадков после предписанного пожара в лесах Северной Скалистой горы. Он сообщил о постоянных гидрографах стоков для несгоревших и малонаселенных ожоговых участков и пришел к выводу, что гидравлическая проводимость также должна быть постоянной и гидрофобных условий не обнаружено. Аналогичным образом Кеннард и Гольц (Kennard and Gholz, 2001)проанализировали последствия пожаров высокой и низкой степени тяжести на почвенных свойствах в боливийском сухом лесу и не обнаружили изменений в скоростях проникновения, что указывает на то, что водная репеллентность не создавалась предписанным огнем. Однако еще одно исследование скорости стока после двух последовательных предписанных пожаров в лесу Pinus arizonica Engelm в Чиуауа (Мексика) сообщило о больших значениях стока после сжигания (Morales et al., 2000). Они приписывали свои результаты либо толщине подстилки, либо развитию процессов водоотталкивания.

Химические свойства

Во многих исследованиях основное внимание уделялось химическим свойствам почв после предписанного пожара (таблица 2). В частности, химия почвы может претерпеть значительные изменения из-за образования золы после сжигания растительности и органического вещества и его включения в почву (Mataix-Solera et al., 2009; Pereira et al., 2014). В следующих подразделах мы фокусируемся на предписанных эффектах пожаров на химические свойства почвы как рН, электропроводность, запасы углерода и азота и, наконец, и доступность питательных веществ.

Таблица 2. Образец исследований о предписанных воздействиях на химические свойства почвы. TC: общий углерод; TN: общий азот; N: азот; ТП: общий фосфор; P: фосфор; ЗВОЛ: органическое вещество почвы; EC: электропроводность. Столбец интенсивности огня дает информацию, доступную в каждой рукописи (количественную или качественную).

РН и электропроводность

Величины рН, вероятно, будут повышаться из-за ОН-потерь, полного окисления органического вещества во время пожара и выделения катионов во всех типах пожаров (Arocena and Opio, 2003; Certini, 2005). Многие авторы сообщают о повышенных значениях рН после предписанного пожара (Blankenship and Arthur, 1999; Guinto et al., 2001; Kennard and Gholz, 2001; Arocena and Opio, 2003; Sherman et al., 2005; Úbeda et al., 2005; Neill et al., 2007; Granged et al., 2011a; Scharenbroch et al., 2012; Switzer et al., 2012). Muqaddas et al. (2015) также сообщили о значительном увеличении значений рН после предписанной обработки огня, проведенной во влажном склерофилловом лесу в Австралии в течение 35 лет (участки, где горели каждые 2 и 4 года). Однако другие считают, что значения рН остаются неизмененными (Brockway et al., 2002; Gundale et al., 2005; Afif and Oliveira, 2006; Brye, 2006; Neill et al., 2007; Lavoie et al., 2010; Switzer et. al., 2012; Meira-Castro et al., 2014; Alcañiz et al., 2016; Valkó et al., 2016). Как правило, события ожога, которые не изменяли значения рН, были низкой интенсивностью и строгостью предписанных пожаров, применяемых периодически (каждые 2 года и более) или отдельных обработок, проводимых один раз, а не ежегодно. Однако результаты также зависят от предварительной обработки, проведенной на сайте. Это был неожиданный результат, о котором сообщал Switzer et al. (2012), где значения рН менялись при обработке дерева «вырезать и оставлять», когда горение применялось непосредственно под зрелыми деревьями Дугласа в Канаде, в то время как никаких изменений не было обнаружено в местах, где поверхностное топливо ранее собиралось в груды перед горением.

Электропроводность имеет тенденцию к увеличению сразу после предписанного пожара (Grange et al., 2011a; Alcañiz et al., 2016), как и при лесных пожарах, вследствие выделения растворимых ионов во время сжигания органического вещества почвы и включение золы в почву (Certini, 2005). Однако долгосрочные эффекты неясны: некоторые авторы сообщают об увеличении значений электропроводности через девять лет после одного предписанного пожара (Alcañiz et al., 2016) и 23 года после ежегодных горения (Scharenbroch et al., 2012), тогда как другие найти уменьшенные значения электропроводности через 12 лет после ежегодных и двухгодичных предписанных пожаров (Brye, 2006) из-за экспорта питательных веществ. Эти различия можно объяснить природой исследуемого участка, при этом повышенная электропроводность обнаруживается в лесах и уменьшаются значения в прериях. Экосистемы не отвечают в равной степени на одни и те же методы управления, как мы наблюдали при значениях рН и электропроводности; таким образом, снижение частоты предписанных пожаров может улучшить способность почвы сохранять и обеспечивать питательные вещества после потери. По этой причине важно сделать больше исследований о поведении рН и электропроводности после предписанных пожаров, пытаясь выбрать лучший способ применения управления растительностью для снижения вредных эффектов в окружающей среде.

Запасы углерода

Эффект пожара на запасы углерода является одним из наиболее широко изученных параметров, учитывая, что уголь углерода почвы является наибольшим на поверхности Земли (2157-2293 пг) (Gónzalez-Pérez et al., 2004) и после пожара событию, типично обнаруживать заметную потерю углерода в почве вследствие пожаров высокой интенсивности (Certini, 2005). Однако при пожарах с низкой интенсивностью и интенсивностью нормальным является обнаружение увеличенных значений пула углерода из-за включения несжатых или частично несгоревших фрагментов косы в почву или из-за неполного сгорания органического вещества из-за низких температур (Сото и Díaz-Fierros, 1993; Scharenbroch et al., 2012). Несколько авторов наблюдали это поведение общего углерода в минеральных почвах (Úbeda et al., 2005; Афиф и Оливейра, 2006; Brye, 2006; Rau et al., 2009; Granged et al., 2011a; Granged et al., 2011b; Scharenbroch et al., 2012; Alcañiz et al., 2016), в то время как другие не сообщали об изменениях или изменениях, которые не были статистически значимыми (Brockway et al., 2002; Arocena and Opio, 2003; Gundale et al., 2005; Grady and Hart, 2006; Neill et al.., 2007; Trappe et al., 2009; Lavoie et al., 2010; Switzer et al., 2012; Roaldson et al., 2014). Долгосрочные исследования показывают, что значения углерода возрастают после повторяющихся предписанных пожаров (Brye, 2006; Scharenbroch et al., 2012; Bennet et al., 2014); хотя это не было в Alcañiz et al. (2016)где более низкие общие значения углерода были найдены через девять лет после одного предписанного пожара. Различные эффекты могут быть связаны с интенсивностью и серьезностью предписанных пожаров. Например, Bennet et al. (2014) сообщили об утрате общего углерода в почвах, пострадавших от предписанных пожаров с высокой интенсивностью, и никаких изменений или усиления в углероде почвы при ожогах с низкой интенсивностью. Параллельно с этим другие факторы, которые могут вызвать изменения в запасах углерода, включают повторение пожара. Muqaddas et al. (2015)сообщают об изменениях содержания углерода только в установленных пожарах, проводимых каждые 2 года, тогда как общий углерод не подвергался воздействию при обработке, проводимой каждые 4 года, в субтропической лесной экосистеме. Тот же результат был отмечен Binkley et al. (1992), который обнаружил, что годовые пожары значительно уменьшают количество пулов углеродных почв по сравнению с контрольными участками.

Общий органический углерод (TOC) образует часть общего углерода, и некоторые авторы самостоятельно изучили этот параметр. Эффект пожара на содержание общего органического вещества почвы (ЗВОЛ) сильно варьируется и зависит от нескольких факторов, включая тип огня, интенсивность, тяжесть, затронутую экосистему и топографию. Эффекты могут варьироваться от почти полного разрушения ЗВОЛ до увеличения, которое может достигать 30% в поверхностных слоях (Chandler et al., 1983). В другом месте некоторые авторы, включая Sherman et al. (2005) (пастбища, США), Meira-Castro et al. (2014) (плантация Pinus pinaster, Португалия) и Guinto et al. (2001)(сухой склерофилловый лес, Австралия) сообщают о нейтральном воздействии на содержание ЗВОЛ после предписанного пожара, в то время как другие сообщают о повышенных значениях ЗВОЛ после предписанного пожара с низкой интенсивностью (Rab, 1996; Kennard and Gholz, 2001; Brye, 2006; Shakesby et al.., 2015). Кроме того, потеря ЗВОЛ путем пожара также наблюдалась Рабом (1996) и Кеннардом и Гольцем (2001) при высокоинтенсивном ожоге в эвкалиптовом лесу (Австралия) и в тропическом сухом лесу в Боливии, соответственно. Те же результаты были получены Guinto et al. (2001) во влажном склерофилловом лесу в Австралии и Grange et al. (2011a) в средиземноморской пустоши на юге Испании. Снижение 41% ТОС в верхних 3 см почвы Armas-Herrera et al. (2016) в их заговоре, расположенном в субальпийских лугах в Центральных Пиренеях (Испания). Поэтому, управляя топливными нагрузками с предписанным огнем, можно получить структуру растительности, которая уменьшает риск лесных пожаров и сохраняет запасы углерода в почве, тем самым уменьшая выброс углеродного потока в атмосферу. Alexis et al. (2012) пришел к выводу, что основным эффектом предписанных пожаров на ТОС является образование конденсированных ароматических структур, которые проявляют повышенную устойчивость к деградации в почве и способствуют долговременному хранению С.

Углеродные бассейны могут сильно пострадать от предписанных пожаров в зависимости от интенсивности огня и повторения огня. Важно не отказываться от исследований в этой теме, потому что почва является крупнейшим углеродным пулом на поверхности Земли, и мы должны сохранить ее для надлежащего функционирования наших экосистем. Сообщество почвоведов должно быть заинтересовано в определении того, какие наилучшие периоды повторяемости предписанных пожаров являются управлением растительностью, стараясь не влиять на запасы углерода в почве в каждом из мест, где будет применяться этот метод.

Азотные запасы

Подобно запасам углерода, содержание азотной почвы важно, поскольку ограничивает первичную производительность в естественных экосистемах (Christensen, 1977, Fenn et al., 1998). Известно, что пожар может привести к потере почвенного азота в результате улетучивания, когда температура почвы превышает 200 ° C (DeBano et al., 1979; Mataix-Solera and Guerrero, 2007) из-за сжигания топлива, но обычно температуры, достигнутые в установленных пожарах, не приводят к значительному увеличению температуры на 2-3 см ниже поверхности почвы (Alexis et al., 2007). Trammell et al. (2004) обнаружили, что в поверхностных минеральных почвах температуры никогда не достигали 50 ° C, даже когда температура в слое подстилки превышала 500 ° C в лиственных лесах центрального Кентукки. Таким образом, при предписанных пожарах с низкой интенсивностью ожидается благоприятный эффект в минеральных почвах из-за низких температур, достигаемых при применении этого метода. Однако влияние предписанных пожаров на почвенные пулы азота остается неясным. По данным нескольких исследований, содержание азота в почвах почв после предписанных пожаров может увеличиться (Kovacic et al., 1986; Guinto et al., 2001; Kennard and Gholz, 2001; Úbeda et al., 2005; Afif and Oliveira, 2006; Shakesby et al., 2015; Alcañiz et al., 2016) или остаются стабильными (Schoch and Binkley, 1986; Бойер и Миллер, 1994; Guinto et al., 2001; Brockway et al., 2002; Ароцена и Опио, 2003; Gundale et al., 2005; Грейди и Харт, 2006; Могаддас и Стивенс, 2007; Neill et al., 2007; Trappe et al., 2009; Lavoie и др., 2010; Switzer et al., 2012; Roaldson et al., 2014). Общий азот увеличивается после предписанного пожара из-за низких температур, которые облегчают включение золы, богатой азотом (Úbeda et al., 2005; Afif and Oliveira, 2006), последующее разложение лесного покрова, которое может высвободить существенный количество N (Schoch and Binkley, 1986); и осаждение золы в нескольких формах, которые затем включаются в почву (Certini, 2005). Общее содержание азота в почвах, сжигаемых периодически, больше, чем в почвах на несгоревших участках согласно Brye (2006), Muqaddas et al. (2015) и Scharenbroch et al. (2012 год). Muqaddas et al. (2015) сообщают о заметной потере общего азота в чаще сжигаемых участках (каждые 2 года) и заключают, что менее частые сжигания (каждые 4 года) не влияют на N бассейнов. Аналогичным образом, Бланкеншип и Артур (1999)сообщили о больших значениях содержания азота после одного предписанного пожара, но обнаружили, что эти значения уменьшились со вторым предписанным огнем, проведенным через год в дубовой экосистеме (Кентукки, США). В заключение, повторение огня является ключевым фактором в определении устойчивости метода, и для определения его оптимальной частоты требуется больше исследований. Точно так же важно помнить, что мусор и дафф часто накапливаются в лесных районах, и казалось бы, что эффекты предписанных пожаров в этих почвенных горизонтах заметно отличаются от эффектов, описанных выше для минеральных почв. Действительно, почти все авторы, изучающие почвы на лесных полах с этими характеристиками, сообщали о потерях запасов углерода, азота и питательных веществ (Covington and Sackett, 1984; Белл и Бинкли, 1989; Guinto et al., 2001; Caldwell et al., 2002; Gundale et al., 2005; Lavoie и др., 2010), благодаря полному сгоранию этих слоев почвы. Несколько методов эффективны в снижении сжигания лесного пола, например, при сжигании, когда оно мокрое зимой, весной или ранним летом, поскольку пожары потребляют меньше лесного пола (McNabb и Cromack, 1990). Сжигание этих органических горизонтов может привести к увеличению содержания C, N и питательных веществ в первых нескольких сантиметрах минерального грунта, что, как обсуждалось, связано с включением золы в почву (Lavoie et al., 2010).

В заключение, пулы азота обычно подвергаются положительному воздействию после предписанного пожара, как сообщается в этом обзоре. Тем не менее, важно контролировать управление растительностью, пытаясь не доходить до температуры выше 200 ° C, чтобы избежать улетучивания. Интересно знать, доступны ли эти большие значения N в среднесрочной или долгосрочной перспективе или они являются эфемерными.

Содержание питательных веществ