Låg allvarliga vildmarksbränder och föreskrivna brännskador har länge antagits av forskare och resursförvaltare vara ofarliga för marken, men så kanske inte är fallet, visar ny forskning.

Enligt två nya studier av ett team från University of California, Merced (UCM) och Desert Research Institute (DRI), Låggradiga brännskador – där elden rör sig snabbt och marktemperaturen inte överstiger 250oC (482oF) – orsakar skador på markstrukturen och organiskt material på sätt som inte är direkt uppenbara efter en brand.

"När du har en allvarlig brand, du bränner bort det organiska materialet från jorden och påverkan är omedelbar, " sa Teamrat Ghezzehei, Ph.D., huvudforskare för de två studierna och docent i miljömarkfysik vid UCM. "I en brand med låg svårighetsgrad, det organiska materialet brinner inte av, och det finns ingen synlig förstörelse direkt. Men förbränningen försvagar markstrukturen, och om du inte kommer tillbaka vid ett senare tillfälle och noggrant tittar på jorden, du skulle inte märka skadan. "

DRI-forskaren Markus Berli, Ph.D., forskningsdocent i miljövetenskap, blev intresserad av att studera detta fenomen när han besökte ett bränt område nära Ely, Nev. 2009, där han gjorde den oväntade iakttagelsen att en föreskriven, Låg svår brand hade resulterat i skador på markstrukturen i det brända området. Han och flera kollegor från DRI genomförde en uppföljningsstudie på en annan kontrollerad brännskada i området, och upptäckte att jordstrukturen som verkade vara bra direkt efter en brand men försämrades under veckorna och månaderna som följde. Berli slog sig sedan ihop med Ghezzehei och ett team från UCM som inkluderade doktoranden Mathew Jian, och docent Asmeret Asefaw Berhe, Ph.D., att undersöka vidare.

Jord består av stora och små mineralpartiklar (grus, sand, slam, och lera) som är sammanbundna av organiskt material, vatten och andra material för att bilda aggregat. När jordaggregat utsätts för allvarliga bränder, det organiska materialet brinner, förändra markens fysiska struktur och öka risken för erosion i brända områden. I områden med låg svårighetsgrad där organiskt material inte upplever betydande förluster, teamet undrade om markstrukturen försämrades av en annan process, till exempel genom kokning av vatten som hålls i jordaggregat?

I en studie publicerad i AGU Geophysical Research Letters i maj 2018, UCM-DRI-teamet undersökte denna fråga, använda jordprover från ett oförbränt skogsområde i Mariposa County, Kalifornien och från oförbrända buskar i Clark County, Never att analysera effekterna av låga bränder på markstrukturen. De värmde upp jordaggregat till temperaturer som simulerade förhållandena för en brand med låg svårighet (175oC/347oF) under en 15-minutersperiod, letade sedan efter förändringar i jordens inre portryck och draghållfasthet (kraften som krävs för att dra isär ballasten).

Under experimentet, de observerade att portrycket i jordaggregaten steg till en topp när vattnet kokade och förångades, föll sedan när bindningarna i jordaggregaten bröts och ånga försvann. Tensile strength measurements showed that the wetter soil aggregates had been weakened more than drier soil samples during this process.

"Our results show that the heat produced by low-severity fires is actually enough to do damage to soil structure, and that the damage is worse if the soils are wet, " Berli explained. "This is important information for resource managers because it implies that prescribed burns and other fires that occur during wetter times of year may be more harmful to soils than fires that occur during dry times."Next, the research team wondered what the impact of this structural degradation was on the organic matter that the soil structure normally protects. Soil organic matter consists primarily of microbes and decomposing plant tissue, and contributes to the overall stability and water-holding capacity of soils.

In a second study that was published in Frontiers in Environmental Science in late July, the UCM-DRI research team conducted simulated burn experiments to weaken the structure of the soil aggregates, and tested the soils for changes in quality and quantity of several types of organic matter over a 70-day period.

They found that heating of soils led to the release of organic carbon into the atmosphere as CO2 during the weeks and months after the fire, and again found that the highest levels of degradation occurred in soils that were moist. This loss of organic carbon is important for several reasons, Ghezzehei explained.

"The loss of organic matter from soil to the atmosphere directly contributes to climate change, because that carbon is released as CO2, " Ghezzehei said. "Organic matter that is lost due to fires is also the most important reserve of nutrients for soil micro-organisms, and it is the glue that holds soil aggregates together. Once you lose the structure, there are a lot of other things that happen. Till exempel, infiltration becomes slower, you get more runoff, you have erosion."

Although the research team's findings showed several detrimental effects of fire on soils, low-severity wildfires and prescribed burns are known to benefit ecosystems in other ways—recycling nutrients back into the soil and getting rid of overgrown vegetation, till exempel. It is not yet clear whether the negative impacts on soil associated with these low-severity fires outweigh the positives, Berli says, but the team hopes that their research results will help to inform land managers as they manage wildfires and plan prescribed burns.

"There is very little fuel in arid and semi-arid areas, and thus fires tend to be short lived and relatively low in peak temperature, " Ghezzehei said. "In contrast to the hot fires and that burn for days and weeks that we see in the news, these seem to be benign and we usually treat them as such. Our work shows that low-severity fires are not as harmless as they may appear."