Dinàmica del carboni i el nitrogen en brolles i prats secs mediterranis després del foc

Abstract

Les zones forestals han augmentat a la regió mediterrània al llarg de les últimes dues dècades degut a l’abandonament de l’agricultura. Això, juntament amb l’augment de períodes d’intensa sequera degut a l’efecte del canvi climàtic, ha fet augmentar la freqüència i la intensitat dels focs forestals. Els focs forestals tenen un efecte directe sobre la biogeoquímica dels sòls modificant-ne la qualitat i la quantitat de la matèria orgànica i d’altres macroelements com el nitrogen, imprescindible per la regeneració de la comunitat vegetal. Malgrat la major part de la biomassa vegetal es crema durant un incendi, una part important de matèria orgànica pot ser dipositada de nou al sòl en forma de residus parcialment cremats formant estructures molt recalcitrants. D’altra banda, el nitrogen mineral alliberat després del foc, pot quedar retingut físicament, mitjançant l’associació amb partícules fines del sòl (llims i argiles) o químicament, a partir de la inclusió a la matèria orgànica recalcitrant del sòl, evitant-ne així el seu rentat i, per tant, la pèrdua de l’ecosistema.

Per tal d’entendre millor els canvis en la matèria orgànica del sòl i la dinàmica del N mineral alliberat després del foc, es van seleccionar tres comunitats vegetals diferents (prat de llistó, prat de llistó amb argelaga i brolla de romaní) amb diferències en quant a la proporció de plantes herbàcies i llenyoses i amb la presència o absència d’argelaga (planta fixadora de nitrogen atmosfèric). En aquestes comunitats s’hi van realitzar una sèrie de cremes experimentals i, posteriorment, les cendres van ser marcades amb un isòtop estable del nitrogen (15N). Es van realitzar mostrejos posteriors durant 12 anys per tal d’observar els efectes del foc a llarg termini. Amb els sòls obtinguts es va realitzar: (1) un estudi de la dinàmica del carboni a llarg termini mitjançant una sèrie de simulacions utilitzant el model Roth C, (2) un seguiment del traçador 15N al sòl i a la vegetació al llarg del temps i a diferents profunditats, (3) un estudi de la protecció física i química a la que és sotmesa el N mineral alliberat (marcat amb 15N) mitjançant un fraccionament físic granulomètric i una hidròlisi àcida posterior per observar el grau de recalcitrància d’aquest N incorporat i, finalment, (4) un estudi de la matèria orgànica pirogènica formada per compostos refractaris considerats inerts i de la incorporació del N mineral alliberat després del foc a aquesta matèria orgànica.

La baixa intensitat dels focs forestals que van afectar les brolles i prats secs va provocar que els canvis quantitatius en el C orgànic i en el N total del sòl no fossin gaire destacats després del foc i que la recuperació davant d’aquests canvis fos molt ràpida. A més l’estudi a llarg termini va incloure un període prolongat de sequera que va provocar l’augment d’aports de matèria orgànica al sòl. Per altra banda, una bona part del marcatge amb 15N aplicat pel seguiment del N mineral alliberat just després del foc, al cap de 12 anys, encara estava retingut al sòl a les comunitats vegetals sense plantes lleguminoses. En canvi, la presència de lleguminoses va afavorir les pèrdues de 15N des del primer any després del foc i també durant el període de sequera. Després del foc es va observar un augment de N a les fraccions granulomètriques intermèdies com a conseqüència de l’entrada de material cremat particulat mentre que el N mineral alliberat després del foc es va incorporar principalment a la fracció més grollera i a la fracció més fina del sòl. El N mineral incorporat a les fraccions fines va associar-se a la matèria orgànica més làbil tot i la protecció física que presenten aquestes partícules. Part del N mineral alliberat després del foc va ser ràpidament incorporat a les estructures més refractàries de la matèria orgànica del sòl, però amb variacions al llarg del temps, qüestionant així la permanència al sòl d’aquest tipus de compostos orgànics.

Forestation has increased in the Mediterranean basin over the last two decades, due to the abandonment of formerly agriculturally used areas. This trend and the occurrence of intense drought periods have led to an increase in the frequency and intensity of wildfires. Fires have a direct effect on soil biogeochemistry, promoting changes on quantity and quality of organic matter and other macroelements such as nitrogen. Although most of a plant biomass is burned during a forest fire, some of it can be accumulated in the soil in recalcitrant form. Mineral nitrogen delivered after fire can be physically retained in soil by association with fine particles (silts and clays) or chemically retained with recalcitrant organic matter.

In order to better understand changes in soil organic matter and mineral nitrogen, three different plant communities were selected: grassland (Brachypodium retusum), mixed shrubgrassland (B. retusum and Genista scorpius ) and shrubland (Rosmarinus officinalis). We set experimental fires and then monitored the fate of a 15N-tracer applied to the mineral nitrogen pool over 12 years. Thus, we studied: (1) carbon dynamics in a long term by Roth C simulations, (2) the fate of 15N in plants and soil at different depths, (3) physical and chemical protection of mineral nitrogen by soil size fractionation and acid hydrolysis and, finally (4) pyrogenic organic matter and the incorporation of mineral nitrogen delivered after fire into recalcitrant organic matter.

Due to the low intensity of the experimental fires, small changes in organic carbon and total nitrogen content were detected and recuperation from these changes was fast. Moreover, the long-term study included a long drought period which promoted increases in organic matter inputs to soil. On the other hand, a large amount of 15N applied just after fire was still retained in soils after 12 years, but only in plant communities without legumes. In mixed shrubgrassland the presence of legumes (G. scorpius) promoted 15N loss from the first year after fire and also during the drought period. Fire had a shredding effect on organic matter and mineral nitrogen distributed to fine particles associated to the labile organic matter. Part of the mineral nitrogen delivered after fire was incorporated into refractory particles, but the temporal variation of this newly incorporated nitrogen questioned the stability of those highly resistant compounds in soil.