The effects of prescribed burning on the vigour of Mediterranean pine species

Abstract

La crema prescrita consisteix en l’ús planificat del foc en condicions ambientals adequades per tal d’aconseguir objectius de gestió prèviament definits. S’executa amb l’objectiu de reduir el risc d’incendis tot i que també s’utilitza per a la gestió de pastures i la conservació de la biodiversitat. La crema sota arbrat pot reduir el risc d’incendi de capçades, però també pot afectar el metabolisme primari i secundari de l’arbre. Tanmateix, les cremes haurien de minimitzar els efectes negatius del foc als arbres i maximitzar els positius. Així doncs, és important comprendre de quina manera els components específics del règim de foc, com són la intensitat del foc, severitat i estació de crema, afecten el funcionament de l’arbre. L’objectiu d’aquesta tesi és comprendre la influència que els factors del règim de cremes prescrites tenen en el metabolisme primari i secundari de tres espècies de pi amb tolerància al foc contrastada: Pinus nigra ssp. salzmannii (Dunal) Franco, P. sylvestris L. i P. halepensis Mill., utilitzant una combinació de tècniques dendrocronològiques, isotòpiques i de quantificació terpènica.

El creixement post-crema va dependre del temps transcorregut des de la crema, l’espècie, la resistència de l’arbre, la severitat del foc i del creixement de l’arbre abans de la crema. L’any de la crema, el creixement es va reduir en P. halepensis i no es va veure afectat en P. nigra i P. sylvestris. Amb el pas del temps, el creixement es va incrementar en P. nigra, es va recuperar en P. halepensis i es va reduir en P. sylvestris. La probabilitat de morir va ser menor en P. nigra que en P. sylvestris. L’estació de crema va emergir com un factor important per explicar la mortalitat inicial: la probabilitat que un pi mori és més alta a la primavera que a la tardor per a un cert nivell de capçada socarrimada. La mortalitat tardana va ser més alta a les cremes de tardor que a les de primavera degut als majors temps de combustió registrats a la base dels troncs.

Una reducció rellevant de la competència arbrada va augmentar significativament el creixement mitjançant un efecte positiu en la fusta de tardor de P. nigra i P. sylvestris, a mesura que el dany causat pel foc a la tija va disminuir. A més, vam demostrar que una crema executada just després d’un any sec no redueix la resiliència dels pins en comparació amb la dels pins no cremats. En P. halepensis, una reducció significativa de la competència va resultar en majors creixements amb el pas del temps, especialment en pins amb un menor volum de capçada socarrimada. Aquest augment va coincidir amb un any sec i es va associar amb una major conductància estomàtica, el que suggereix que la disponibilitat d’aigua va millorar després de la crema. La crema també va afectar al metabolisme secundari, específicament a la quantitat i al tipus de terpens segons l’espècie de pi i la severitat. A major volum de capçada socarrimada, la concentració de terpens a l’acícula dels pins 24 h post-crema fou major, però 1 any després es va produir una notable disminució. Aquesta reducció va ser més pronunciada en pins beneficiats per l’augment de la disponibilitat de recursos després de la crema, el que suggereix que els productes assimilats pels pins es van assignar al creixement en lloc de a mecanismes de defensa.

Aquesta tesi proporciona informació valuosa per ajudar en la millora de la planificació de les cremes als boscos de pi mediterranis, en termes d’intensitat, severitat i estació de crema, oferint una nova finestra d’oportunitat per a l’ús de la crema prescrita com a eina de gestió forestal.

Prescribed burning is the planned use of fire to meet clear management objectives under suitable environmental conditions. It is usually executed to reduce fire hazard, but also to manage range and conserve biodiversity. Prescribed burning applied under a forest canopy can reduce crown fire hazard; however, underburning might affect the primary and secondary metabolism of trees. Planning underburning to reduced fire hazard, while minimizing the negative effects and maximizing the positive effects on trees, requires understanding how specific components of the fire regime, such as fire intensity, severity and season, affect tree performance. The goal of this doctoral thesis is to understand the influence of prescribed burning regime factors and related fire impacts on the primary and secondary metabolisms of three pine species with contrasting fire tolerances: Pinus nigra ssp. salzmannii (Dunal) Franco, P. sylvestris L. and P. halepensis Mill., using a combination of dendrochronological, isotope and terpene quantification techniques.

Post-burning growth variations depended on the time since burning, the pine species, tree resistance, fire severity and tree performance before burning. In the year of burning, growth was reduced in P. halepensis and unaffected in P. nigra and P. sylvestris. However, as time passed, growth increased in P. nigra, recovered in P. halepensis and decreased in P. sylvestris. P. nigra had a lower probability of dying than P. sylvestris. Burning season emerged as an important factor for explaining initial post-burning pine mortality, since for a certain level of crown injury the probability of a pine dying was higher in spring than in fall. In contrast, delayed pine mortality was higher in fall than in spring burns probably due to the longer combustion times recorded during the fall burns at the base of the trunk.

A relevant release of tree competition increased growth through a positive effect on the latewood of P. nigra and P. sylvestris as stem injury decreased. Moreover, we showed that burning just after a dry year did not reduce the growth resilience of pines in comparison with unburned pines. In P. halepensis a relevant competition release, especially in pines with lower crown volume scorched, resulted in higher growth rates as time since burning increased. This growth response coincided with a dry year and was associated with higher stomatal conductance, suggesting that water availability was enhanced after burning. Burning also affected the secondary metabolism of pines, and specifically the amount and type of terpene production depending on the pine species and fire severity. Thus, as crown injury increased, needle terpene concentration 24h post-burning also augmented. However, a remarkable decrease occurred at one year post-burning. This reduction was more pronounced in pines benefited by the increase in resource availability after burning, suggesting that pines were allocating assimilates to growth rather than to defence.

From a fuel management point of view, this thesis provides valuable information that can be used to better plan prescribed burning in Mediterranean Pinus forests, in terms of required fire intensity, severity and burning season, offering a new window of opportunity for the use of prescribed burning as a forest management tool.