Modelització de la dinàmica de combustible en ecosistemes arbustius mediterranis

Abstract

Els incendis forestals han esdevingut una de les principals problemàtiques ambientals a l'àrea mediterrània. En les darreres dècades, el nombre de focs i d'àrea cremada han augmentat notablement. A més dels factors de risc associats a les condicions climatològiques i topogràfiques, el comportament del foc ve condicionat per l'estructura de la vegetació i, per tant, dels patrons successionals d'acumulació de fitomassa aèria. La tesi descriu el procés de desenvolupament i aplicació d'un model semimecanístic de la dinàmica de combustible en ecosistemes arbustius mediterranis. Aquest procés ha constat de les següents fases: <br/>Revisió de treballs previs<br/>S'ha dut a terme una revisió dels estudis que aborden la dinàmica de diferents formacions arbustives presents a l'àrea mediterrània ibèrica i, amb aquesta, de les principals característiques estructurals de la vegetació relacionades amb el risc d'incendi. La taxa d'acumulació de combustible varia d'acord amb diferents factors vinculats al creixement de la vegetació. Malgrat això, es poden establir uns patrons comuns per a diferents formacions arbustives mediterrànies. Aquesta compilació ha posat de manifest que un indret cremat pot tenir un elevat risc d'incendi en un temps relativament curt, però molt variable, després del foc. Aquest rang de temps se situa en 5-10 anys per a molts matollars, i de 1-2 anys per als herbassars densos. Aquesta informació, que és escassa per aquest tipus de vegetació i en aquesta àrea d'estudi, és una eina valuosa en el camp de la predicció del comportament del foc i de la gestió preventiva del risc.<br/>Estudi experimental en brolles mediterrànies<br/>S'ha estudiat la dinàmica de combustible en brolles mediterrànies a partir d'una cronoseqüència de tres incendis de 3, 10 i 17 anys al Baix Camp (Tarragona). S'ha recol·lectat la biomassa aèria en 8 quadrats de 9 m2 per incendi, distribuïts en vessants nord i sud. Al laboratori s'han determinat diferents paràmetres estructurals (mort/viu i classes de gruixària) i funcionals (producció de brots) de la comunitat. Els resultats han mostrat les tendències principals en la dinàmica d'aquestes comunitats en relació al risc d'incendi. No s'han observat diferències significatives entre les càrregues de combustible recollides en diferents orientacions per a un mateix incendi. La taxa d'acumulació de combustible és més elevada en els períodes inicials de la successió i s'atenua en els períodes posteriors, coincidint amb la presència d'un nombre major d'espècies arbustives però amb clara dominància del garric (Quercus coccifera). També s'ha observat una estabilització de la biomassa foliar de la comunitat. L'increment de les diferents fraccions de material arbustiu viu i mort i del combustible herbaci condiciona l'augment del risc d'incendi amb l'edat regenerativa de la brolla. Finalment, s'ha utilitzat el sistema BEHAVE de simulació de propagació d'incendis forestals per avaluar quantitativament el risc associat a cada escenari regeneratiu. <br/>Desenvolupament, calibratge i validació d'un model de la dinàmica de combustible en ecosistemes arbustius mediterranis<br/>La gestió del foc a l'àrea mediterrània requereix de noves eines metodològiques que abordin la complexitat de funcionament dels sistemes i la seva aplicabilitat. Aquest apartat descriu l'aproximació aportada pel mòdul arbustiu de GOTILWA+, un model funcional que simula el creixement d'una coberta arbustiva a partir de processos de base i que vincula les seves sortides a variables estructurals rellevants en la gestió del foc. El model incorpora els plantejaments de base del model forestal GOTILWA+ que es fonamenten en els fluxos d'aigua i carboni en el sistema. La descripció conceptual del model es complementa amb una anàlisi de sensibilitat i un exercici de calibratge. Posteriorment, s'han desenvolupat un seguit d'exercicis de validació del model a partir de dades d'estudis de camp en garrigues a Catalunya i al Baix Llenguadoc. El model reprodueix de forma realista la dinàmica successional de la biomassa vegetal, segons els objectius del model (base mecanística i aplicabilitat de les sortides) i atenent al nivell de simplificacions assumides. <br/>Aplicació en escenaris de canvi climàtic<br/>La major part dels models de circulació atmosfèrica GCMs prediuen un augment de la temperatura i una disminució de la precipitació a l'àrea mediterrània en aquest segle, tot i la incertesa en la predicció del règim futur de precipitacions. Els ecosistemes mediterranis es poden veure seriosament afectats per aquests canvis pel que fa al seu funcionament, estructura i distribució. A l'àrea mediterrània, els ecosistemes arbustius presenten un especial interès perquè han protagonitzat una notable expansió en les darreres dècades a causa del creixent impacte del foc i dels canvis d'usos del sòl. A fi d'avaluar les respostes d'aquests ecosistemes a diferents escenaris de canvi climàtic s'han dissenyat un seguit d'experiments de simulació amb el mòdul arbustiu de GOTILWA+. El model s'ha fet córrer sota diferents escenaris de GCMs generats a partir de les darreres prediccions d'emissions de l'IPCC. Els resultats apunten cap a una disminució de la disponibilitat d'aigua al sòl i a un creixement notable de la necromassa i el combustible fi en aquest tipus de comunitats. Aquestes tendències, en cas de confirmar-se, podrien tenir uns efectes evidents en el règim de pertorbacions.

Wildland fires are one of the most important environmental problems in Mediterranean regions. In the last decades, the number of fires and burnt surface has increased remarkably. Phytomass successional patterns determine structural characteristics of the vegetation and, hence, fire risk. This thesis describes the modelling process of the fuel dynamics in Mediterranean shrublands. This process involves the following phases:<br/>A review of previous studies<br/>This chapter reviews studies on fuel dynamics in different Mediterranean shrublands, specially located in Iberian coastal area. The fuel accumulation rate varies depending on different factors involved in vegetation growth. In spite of this, it is possible to establish common patterns for different Mediterranean vegetation-types. This compilation remarks that a burned place shows a high fire risk in a relatively short time after fire. This time lapse is 5-10 years for shrublands and 1-2 years for grasslands. This information, which is scarce for this kind of vegetation in the study area, is useful for fire risk management and fire behaviour prediction.<br/>An experimental study of the successional fuel dynamics in a Mediterranean shrubland<br/>Successional changes of vegetation structural properties related to fire behaviour in a Mediterranean shrubland were studied through a wildfire chronosequence, which comprises fires of 3, 10 and 17 years of regenerative age in southern Catalonia. Aerial biomass was collected from 8 plots of 9 m2 for each fire. Plots were located on south- and north-facing slopes. Laboratory processing of plant material allowed us to determine structural (diameter classes and dead to live ratio) and functional (leaves and twigs production) community parameters. No significant differences between fuel loads in opposite slopes for the same fire were found. The fuel accumulation rate was higher in the early successional stages than in the later ones. Dominance of kermes oak (Quercus coccifera) in mature successional stages was also observed. Leaves biomass reaches a steady state in the intermediate successional period, earlier than total biomass. The increase in the different components of fuel complex (fine materials and dead fuel) determines the increase of fire hazard with the regenerative age of the shrubland. Finally, the BEHAVE fire simulation system has been used to evaluate, in a quantitative way, the fire risk related to fuel dynamics. <br/>Mediterranean shrublands dynamics modelling <br/>Fire management in the Mediterranean area requires of new methodological tools that link the functional system complexity and their applicability. This paper describes the approach contributed by the shrubland module of GOTILWA+, a functional model that simulates the growth of a shrubland cover from basic processes and that tie model outputs to relevant structural variables in fuel management. The model incorporates GOTILWA+ forest model layouts, which are based on ecosystem water and carbon fluxes. The model conceptual framework description is complemented by sensitivity analysis and a calibration exercise. The last phase constitutes a validation exercise using field data from studies in garrigues dominated by Quercus coccifera (kermes oak) in Catalonia and southern France. The model is able to reproduce realistically the successional dynamics of plant biomass according to the model purposes (mechanistic based framework and output applicability) and considering the level of assumed simplifications. <br/>A model application: climatic change and Mediterranean shrublands <br/>Most atmospheric Global Circulation Models GCMs predict a temperature increase and a precipitation decrease in the Mediterranean area during this century, though predictions of future precipitation regimes are uncertain. Mediterranean ecosystems would be seriously affected by these changes at functional, structural and distributional levels. Shrubland ecosystems are significant components of the Mediterranean landscapes. A set of simulation experiments with the GOTILWA+ shrubland module were designed to evaluate ecosystem responses to different GCMs climate change scenarios derived from the last IPCC emission scenarios. Results predict a decrease in soil water availability and an increase in fine fuel growth and standing necromass. These structural changes would affect the future disturbance regime.