1La región mediterránea europea tiene una larga historia de incendios forestales naturales que juegan un papel en la dinámica de la vegetación de la zona. Sin embargo, los incendios forestales actualmente descontrolados amenazan no solo la vegetación natural, la biodiversidad del paisaje, las comunidades y las economías, sino que también liberan grandes cantidades de gases de efecto invernadero (GEI), lo que contribuye al aumento de la temperatura global. Las temperaturas más altas y los veranos más secos han aumentado el riesgo de incendios forestales en las áreas mediterráneas europeas. Además, el creciente abandono de las zonas montañosas está provocando la expansión descontrolada y elevada de las cargas de combustible. La planificación e implementación de operaciones de gestión dirigidas a reducir la carga inflamable de la biomasa puede ayudar significativamente a reducir los impactos negativos de los incendios forestales no controlados (Corona, Ascoli, Barbati et al., 2015; Rodríguez-Rigueiro, Santiago-Freijanes, Mosquera-Losada et al., 2021).
2La herbivoría pírica (que ha sido definida por Fühlendorf, Engle, Kerby et al. (2009) como la combinación de fuego controlado y régimen de pastoreo en un mismo contexto espacial y temporal) ha demostrado beneficios en la gestión de áreas montañosas reduciendo la biomasa combustible al mismo tiempo que produce un retorno económico para las comunidades locales (Rigueiro-Rodríguez et al., 2012).
3A pesar de las condiciones de quema controlada, la quema prescrita aún puede tener efectos significativos en el contenido de agua y la temperatura del suelo (que se consideran, junto con las actividades de las raíces, factores clave que controlan flujos de GEI, especialmente CO2; Zhao, Wang, Xu et al., 2015). El evento de combustión (incluso a bajas intensidades) también daría como resultado un aumento en las cantidades biomasa vegetal y raíces de plantas muertas (Kim, Makoto, Takakai et al., 2011) y, por lo tanto, alteraría las actividades de las raíces, la descomposición de la materia orgánica, la disponibilidad de sustrato y la dinámica del C (carbono) y N (nitrógeno) del suelo (Certini, 2005; Wang, Xu, Zheng et al., 2015). Todos estos parámetros están estrechamente relacionados con tres importantes intercambios de gases de efecto invernadero en la interfaz suelo-atmósfera, a saber, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O). En este trabajo monitorizamos durante 16 meses (2020-2021) los flujos de intercambio suelo-atmósfera de gases de efecto invernadero un año después de llevar a cabo la quema prescrita (combinada con pastoreo). Además, en 2021 se establecieron 2 áreas experimentales más con el objetivo de comparar con el efecto de la quema controlada a corto plazo y con un incendio de alta intensidad.
4El experimento se llevó a cabo en dos áreas montañosas de la provincia de Lugo, en la región de Galicia (noroeste de España).
- 1 Directiva comunitaria 92/43.
- 2 Directiva comunitaria 92/43.
- 3 Artículo 16 de la ley 9/2001 (Xuanta de Galicia).
5Por un lado, se establecieron 3 parcelas de estudio (Zona Experimental A), en el Monte Comunal de O Cerredo (Rao, en el municipio de Navia de Suarna). Esta zona pertenece a la Región Biogeográfica Atlántica Europea y está incluida en varias Redes de Protección: Reserva de la Biosfera, ZEC (Zona de Especial Conservación1), ZEPA (Zona de Especial Protección para las Aves2), ZEPVN (Zona de Especial Protección de los Valores Naturales3). La mayor parte de la vegetación es matorral (85%, según el SIOSE de 2014), siendo mayoritaria Erica australis y Erica arborea, que tienen una distribución homogénea, entre las que también se encuentran homogéneas y en menor medida Calluna vulgaris, Cytisus scoparius, Chamaespartium tridentatum y Daboecia cantabrica. Además, hay algunas manchas menores de Ulex minor que representan el 5% del matorral. Las parcelas de estudio se sitúan a una altitud aproximada de 1394 m sobre el nivel del mar. En marzo de 2019 se realizó una quema controlada de 2 ha. En septiembre de 2019 se realizó pastoreo de caballos (3 caballos ha – 1) en 1 ha durante 37 días. En junio de 2020 se realizó pastoreo de caballos (3 caballos ha – 1) durante 15 días y pastoreo de ganado bovino (3 vacas ha – 1) durante 36 días. También se estableció una parcela control en la zona sin quema.
6En marzo de 2021 se realizó una segunda quema controlada de 1 ha en el mismo monte Comunal a una distancia aproximada de 500 m de la Zona A. Esta zona se denominará de aquí en adelante Zona Experimental B.
7La última zona de estudio (Zona Experimental C) se sitúa también en el municipio de Navia de Suarna (en la parroquia de Queizán, a unos 20 km de las Zonas Experimentales A y B) en un área que sufrió un incendio descontrolado de alta intensidad en abril de 2021 y afectó a un total de aproximadamente 20 ha (16 fueron de monte raso y las 2,5 restantes de arbolado). La zona de estudio se situó en el área perteneciente al matorral, que estaba dominada por Erica australis y Erica arborea y con menor presencia Ulex minor y Pteridium aquilinum.
8Los GEI fueron muestreados utilizando la técnica de cámara cerrada (Hutchinson y Moiser, 1981).
9En la zona experimental A, se colocaron 4 cámaras de cloruro de polivinilo (PVC; 25 cm de diámetro interno) por parcela en los tres tratamientos (zona de quema prescrita con pastoreo, zona de quema prescrita, zona sin quema), que se insertaron 5 cm en el suelo en junio de 2020 y solo se retiraron en las parcelas pastoreadas cuando los animales estaban dentro. Las primeras muestras se recogieron en junio de 2020, 14 meses después de la realización de las quemas prescritas. Se monitorizaron los flujos de GEI durante 16 meses.
10En la zona experimental B, se colocaron 4 cámaras de la misma forma que descrita anteriormente en la zona de quema prescrita. En este caso se recogieron muestras de GEI antes (1 semana) y después de la realización de la quema (7 meses).
11Finalmente, en la zona experimental C, se colocaron 4 cámaras en una zona control que no se vió afectada por el fuego y en la zona afectada, separadas aproximadamente 20 metros y con el mismo tipo de vegetación. El muestreo se realizó durante 6 meses.
12Cada cámara de PVC (25 cm de altura) se cubrió con una capa reflectante de película de aluminio para evitar aumentos de la temperatura interna, que se midió introduciendo termómetros antes de cerrar las cámaras. En cada muestreo de gas del suelo, se recogieron 20 ml de gas a los 0, 20 y 40 min después del cierre de la cámara y se transfirieron a un vial de vidrio de borosilicato Exetainer® de 12 ml al vacío (modelo 038W, Labco, High Wycombe, Reino Unido) de CO2, CH4 y N2O se midieron con un sistema de cromatografía de gases (Agilent 7890B, Agilent, Santa Clara, CA, Estados Unidos) equipado con un detector de ionización de llama (FID) acoplado a un metanizador + un detector de conductividad eléctrica (ECD).
13Los flujos de gas se calcularon teniendo en cuenta el aumento lineal de la concentración de gas dentro de la cámara con el tiempo (40 min) y corrigiendo los valores de temperatura del aire.
14En cada muestreo de GEI se recogió una muestra de suelo cercana a cada cámara con un cilindro metálico de volumen conocido con el objetivo de reportar su densidad y contenido en humedad.
15Los efectos estadísticos de los tratamientos en los flujos de GEI se determinaron a través de una ANOVA de una vía seguida por una prueba «post-hoc» Tukey. Se realizó también un análisis de correlaciones Spearman entre las propiedades fisicoquímicas y los flujos de GEI. Todos los análisis se llevaron a cabo utilizando software v. 3.0.2 (R Core Team, 2013)
16Los suelos presentan un pH ácido (4,07), alto contenido en C (14,4%), y bajo contenido en nutrientes: N (0,89%), P (0,053%), K (0,84%) y Ca (0,12%).
17La media de los flujos de CO2 en la Zona Experimental A (Fig. 1a) fue respectivamente en los tratamientos de Fuego prescrito combinado con pastoreo, Fuego prescrito y Zona no Quemada de 2240,7, 2823,7 y 2351,8 mg C-CO2 m – 2 día – 1. En el caso de la nueva quema prescrita realizada en 2021 (Zona Experimental B) la media fue de 1741,7 mg C-CO2 m – 2 día – 1 (fig. 1b) y las medias de flujos de CO2 en la zona de incendio natural (Zona Experimental C) fue de 1427,7 mg C-CO2 m – 2 día – 1 y de 1679,1 mg C-CO2 m – 2 día – 1 1 en la zona afectada por el incendio y zona cercana control respectivamente (fig. 1c). El mayor flujo de CO2 se encontró en la zona de quema prescrita en 2020 en el tratamiento sin pastoreo, que fue estadísticamente superior a las zonas de quema controlada combinada con pastoreo y a la zona sin quemar (p < 0,05). Los menores flujos se encontraron en los tratamientos de nueva quema prescrita en 2021 y de incendio natural y su zona control.
18En promedio, en la Zona experimental A, los flujos de CO2 fueron mayores en el segundo año de estudio (2021, p < 0,05) y esto fue también significativo para el tratamiento de Quema prescrita sin pastoreo (p < 0,05; fig. 1a).
Figura 1 – Evolución de los flujos suelo-atmósfera diarios de CO2 en las tres zonas experimentales: Zona Experimental A (a), Zona Experimental B (b) y Zona Experimental (C)
Con el objetivo de facilitar la visualización, cada zona se presenta en un gráfico por separado, aunque los análisis estadísticos incluyen la comparación entre los 6 tratamientos. Las diferentes letras indican diferencias significativas en el promedio de los valores obtenidos para cada tratamiento
Fuente: Mosquera-Losada, Ferreiro-Domínguez, Rigueiro-Rodríguez et al.
19En el caso de la quema prescrita realizada en 2021 (Zona Experimental B), no parece que haya un patrón de cambio en la evolución de los flujos de CO2 antes y después de la quema (fig. 1b).
20En el caso de la Zona Experimental C (incendio de alta intensidad y zona control), no se encontraron diferencias entre la zona ardida y su zona control (a menos de 50 m de distancia) en ninguno de los tiempos estudiados.
21Los flujos de CH4 fueron principalmente negativos, con unos promedios de – 0,52, – 0,51 y – 0,37 mg C-CH4 m – 2 día – 1 en los tratamientos de Fuego prescrito combinado con pastoreo, Fuego prescrito y Zona no Quemada respectivamente (Zona Experimental A, fig. 2a). En el caso de la nueva quema prescrita de 2021, la media de CH4 fue de – 0,51 mg C-CH4 m – 2 día – 1 (Zona Experimental B, fig. 1b), y, en la zona de incendio descontrolado (Zona Experimental C, fig. 1c), las medias de los flujos de CH4 fueron de – 0,41 mg C-CH4 m – 2 día – 1 y – 0,14 mg C-CH4 m – 2 día – 1 respectivamente en la zona control y zona ardida.
22No hubo diferencias significativas entre ninguno de los tratamientos ni entre las Zonas Experimentales estudiadas, aunque se encontró una tendencia a un aumento de secuestro de CH4 con el paso del tiempo en la Zona Experimental B. En los primeros días de muestreo de la Zona Experimental C hubo una tendencia a una emisión de CH4 en los suelos afectados por el fuego mientras que los suelos control actuaron como un sumidero.
Figura 2 –Evolución de los flujos suelo-atmósfera diarios de CH4 en las tres zonas experimentales: Zona Experimental A (a), Zona Experimental B (b) y Zona Experimental C (c)
Con el objetivo de facilitar la visualización, cada zona se presenta en un gráfico por separado, aunque los análisis estadísticos incluyen la comparación entre los 6 tratamientos. Las diferentes letras indican diferencias significativas en el promedio de los valores obtenidos para cada tratamiento
Fuente: Mosquera-Losada, Ferreiro-Domínguez, Rigueiro-Rodríguez et al.
23Los flujos de N2O fueron cercanos a 0 en todos los tratamientos, sin prácticamente intercambio suelo-atmósfera. Las medias de N2O en la zona experimental A fueron de 0,041, – 0,003 4 y – 0,016 mg N2O-N m – 2 día − 1 en los tratamientos de quema controlada con pastoreo, quema controlada y zona sin quema respectivamente.
24En el caso de la Zona B (nueva quema prescrita), los flujos fueron de 0,016 mg N2O-N m – 2 día − 1 y finalmente en la zona C (incendio de alta intensidad) de 0,017 mg N2O-N m – 2 día − 1 y 0,062 mg N2O-N m – 2 día − 1 en los casos de la parcela control y la zona ardida respectivamente.
25Al igual que en el caso del CH4, no se encontraron diferencias significativas en los flujos de N2O entre tratamientos. En la Zona Experimental A se encontraron picos específicos de emisión principalmente en los tratamientos de Quema controlada con pastoreo y en la zona no quemada. En la Zona Experimental C se observó una tendencia a una mayor emisión o menor secuestro de N2O en los suelos afectados por el fuego durante los primeros días de muestreo.
Figura 3 – Evolución de los flujos suelo-atmósfera diarios de N2O en las tres zonas experimentales: Zona Experimental A (a), Zona Experimental B (b) y Zona Experimental C (c)
Con el objetivo de facilitar la visualización, cada zona se presenta en un gráfico por separado, aunque los análisis estadísticos incluyen la comparación entre los 6 tratamientos. Las diferentes letras indican diferencias significativas en el promedio de los valores obtenidos para cada tratamiento
Fuente: Mosquera-Losada, Ferreiro-Domínguez, Rigueiro-Rodríguez et al.
26Finalmente, se llevó a cabo un análisis de correlación entre los flujos de los distintos GEI medidos y algunos de los factores que influyen en mayor medida en éstos: como la densidad del suelo, el contenido en humedad o la temperatura (tabla 1). Únicamente se encontró una relación de los parámetros edáficos y los flujos de GEI en el caso del CO2 y CH4, y ambos mostraron comportamientos opuestos: el CO2, por ejemplo, estuvo positivamente correlacionado con el contenido en agua del suelo y la temperatura ambiente, mientras que el CH4 se vio negativamente afectado por la densidad del suelo y la temperatura. En esta misma dirección se observó que los flujos de CH4 y CO2 estuvieron correlacionados negativamente.
27En el caso del N2O, no se encontró una relación significativa entre este y los parámetros edáficos estudiados, sin embargo, se observó una correlación positiva con los flujos tanto de CO2 como de CH4.
Tabla 1 – Resultados de la correlación de Spearman entre los flujos de GEI y las principales propiedades fisicoquímicas
Solo se presentan las correlaciones significativas (p < 0,05), las celdas verdes indican correlaciones significativas positivas y las celdas rojas indican correlaciones significativas negativas
Fuente: Mosquera-Losada, Ferreiro-Domínguez, Rigueiro-Rodríguez et al.
28Durante un incendio, la biomasa vegetal superficial y subterránea, la capa de humus y la materia orgánica del suelo (MOS) pueden quemarse, liberando CO2, CH4 y N2O (Shorohova, Kuuluvainen, Kangur et al., 2009; Yarie y Billings, 2002). Las tasas de liberación o captura de GEI en el suelo también pueden verse alteradas en áreas afectadas por incendios como resultado de cambios en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo durante la sucesión del fuego (Certini, 2005; Hart, DeLuca, Newman et al., 2005).
29La producción de CO2 del suelo es una consecuencia de la respiración de las raíces y la descomposición microbiana de la materia orgánica y está fuertemente influenciada por las características del suelo, como la temperatura y el contenido de agua (Davidson y Janssens, 2006). Los procesos superficiales del suelo (como el tipo y el grado de desarrollo de la vegetación) pueden influir en las variables estructurales del suelo definidas anteriormente. Otros factores externos (como el pastoreo de animales) pueden afectar los flujos de GEI indirectamente al influir en el desarrollo del cultivo (Ball, Crichton y Horgan, 2008) o directamente por la deposición de desechos o el pisoteo del suelo. Uno de los mayores impactos del fuego en el suelo son cambios en la MOS (Certini, 2005) y generalmente resultan en una reducción de la respiración del suelo (Luo y Zhou, 2006). Gupta y Mackenzie (2016) observaron un efecto negativo de la actividad enzimática y la respiración del suelo después de un incendio, posiblemente debido a los cambios inducidos por el fuego en la disponibilidad del sustrato C. Es importante por lo tanto tener en cuenta también los procesos bióticos edáficos para predecir los flujos de CO2 post-incendio. En esta misma línea, Sullivan, Kolb, Hart et al. (2011) encontraron que la disminución en la respiración microbiana después de una quema prescrita podría contribuir a la menor emisión de CO2.
30Sin embargo, en el presente estudio encontramos un aumento en las emisiones de CO2 desde el suelo en el tratamiento de Quema prescrita en 2020 en comparación con el área no quemada que podría atribuirse a un aumento en la actividad microbiana debido a la liberación de materia orgánica (más fácilmente descomponible) preveniente de la vegetación después del fuego (Knicker, González-Vila y González-Vázquez, 2013); junto con el aporte de cenizas que pueden actuar como fertilizante para los cultivos al liberar los nutrientes presentes en la biomasa y mejorar aún más el crecimiento de las plantas. Además el crecimiento de los arbustos (ligado al rebrote) posterior al fuego, podría conducir a un aumento de los compuestos carbonados derivado de las raíces (rizodepósitos), que son fuente para el crecimiento y la actividad de los microorganismos del suelo (McNear Jr, 2013). Del mismo modo, Fest, Livesley, von Fischer et al. (2015) también encontraron que la quema de baja intensidad aumentó ligeramente el flujo de CO2 del suelo en los sistemas forestales de eucaliptos. Esto se atribuyó a los aportes más altos de compuestos fácilmente descomponibles, la temperatura superficial del suelo más alta por la disminución de la cubierta vegetal o la diferente asignación de C en los tejidos subterráneos y aéreos (Fest, Livesley, von Fischer et al., 2015). Por el contrario, en el caso del incendio de alta intensidad (Zona Experimental C), aunque no fue significativo, pero sí se vio una ligera emisión de CO2 superior en los suelos control que en los suelos afectados por el fuego, esto podría ser porque la mayor intensidad del fuego en esta zona afectó también con mayor intensidad a la materia orgánica y comunidades bacterianas del suelo.
31Durante todo el período de medición, el suelo actuó como sumidero de CH4, con alguna excepción en los últimos meses de muestreo. El suelo puede actuar como sumidero o fuente de CH4, dependiendo de la disponibilidad de O2 para la actividad microbiana. Por lo tanto, la metanogénesis del suelo (producción de CH4) requiere una anaerobiosis estricta y bajos potenciales de oxidación-reducción (Le Mer y Roger, 2001) que aún pueden tener lugar en algunos micro nichos específicos en suelos bien oxigenados. En la literatura, se encuentran estudios reportando tanto impactos positivos (Sullivan, Kolb, Hart et al., 2011) como no significativo de los incendios en la absorción de CH4 en suelo forestal (Kim, Makoto, Takakai et al., 2011). En nuestro caso, no se encontraron diferencias estadísticas entre ninguno de los tratamientos, aunque sí que se vio una tendencia a una mayor capacidad de retención de CH4 con el paso del tiempo en el caso de la quema prescrita de 2021 (Zona Experimental B). También, aunque sin ser significativo, en los suelos afectados por el fuego natural de alta intensidad se encontró una mayor capacidad de absorción de CH4 en los suelos control durante los primeros meses de monitorización. Esto podría indicar que los fuegos (sobre todo de alta intensidad) afectan a las comunidades microbianas metanotróficas. En esta misma línea, Burke, Zepp, Tarr et al. (2004) y Kulmala, Aaltonen, Berninger et al. (2014) encontraron que después de un fuego de alta intensidad los bosques boreales disminuyen sus tasas de absorción de CH4 a medio plazo comparados con suelos no quemados, pero, sin embargo, a largo plazo algunos estudios encontraron incluso un aumento en las tasas de absorción (Köster E., Köster K., Berninger et al., 2015).
32Finalmente, no hubo prácticamente emisiones de N2O a la atmósfera desde los suelos. En el caso de la Zona Experimental A, se encontró algún punto aislado de emisiones positivas, que podría estar relacionado en los primeros días de muestreo (correspondientes al momento de pastoreo del ganado) a la presencia de parches de excrementos de animales de pastoreo distribuidos heterogéneamente. Estas emisiones se encontraron en solo una de las cuatro cámaras de muestreo (datos no mostrados) y esto podría deberse a la emisión de N2O desde parches de excrementos que se explica principalmente por una mayor nitrificación y desnitrificación, en asociación con una mayor abundancia de bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) y bacterias desnitrificantes (Cai, Chang y Cheng, 2017). Sin embargo, se encontraron también puntos concretos de emisiones después de la salida de los animales que podrían estar relacionados con otros condicionantes externos. Sin embargo, no se encontró una correlación significativa con ninguno de los parámetros fisicoquímicos estudiados.
33Como se ha dicho anteriormente, la literatura muestra que los flujos de CO2, CH4 y N2O responden significativamente a parámetros ambientales como disponibilidad de C y N, humedad del suelo, temperatura, densidad o pH (Chapuis-Lardy, Wrage, Metay et al., 2007) y que estas propiedades se ven a su vez significativamente afectadas por los fuegos (Certini, 2005). En este estudio, parámetros como la humedad o densidad del suelo y la temperatura atmosférica se encontraron significativamente correlacionados con los flujos de CH4 y CO2 (aunque resultaron afectarles de forma contraria).
34Aunque los efectos en las emisiones de GEI durante un fuego están bien documentados, los efectos a medio y largo plazo de éstos en el intercambio de gases suelo-atmósfera está todavía poco estudiado. Además, actualmente, la información disponible sobre los efectos de la herbivoría guiada y los efectos de la interacción entre las quemas prescritas y la herbivoría en las emisiones de CO2, CH4 y N2O del suelo es escasa.
35Este estudio contribuye a la comprensión de la importancia y la complejidad de las respuestas tanto por encima como por debajo del suelo (vegetación y microbiota) a los cambios inducidos por el fuego en las propiedades fisicoquímicas del suelo para determinar la variabilidad temporal del intercambio de gases suelo-atmósfera. Aunque el efecto de los fuegos de baja intensidad en los suelos parece ser escaso o nulo, los cambios que estos fuegos provocan en la vegetación (junto con otros procesos como el pastoreo) pueden llegar a modificar significativamente el intercambio y los flujos de GEI.
Este trabajo ha sido financiado por la Unión Europea dentro del programa Interreg SUDOE (Open2preserve SOE2/ P5/ E0804). Nuria Ferreiro-Domínguez contó con el apoyo de la Xunta de Galicia, Consellería de Educación, Universidade e Formación Profesional (Programa de axudas á etapa posdoutoral modalide B DOG no 213, 08/11/2019 p. 48018, exp: ED481D 2019/009). Vanessa Álvarez-López agradece la beca postdoctoral «Juan de la Cierva-formación» (ref: FJCI-2017-32852) financiada por el «Ministerio de Ciencia Innovación y Universidades» (España).