Estudio de la erosión química en suelos afectados por incendios forestales en el noroeste de España

Resumen

Los incendios forestales constituyen uno de los problemas ambientales más importantes de los últimos tiempos en Galicia, ganando aun más relevancia si se toma en cuenta que los fuegos ocurridos en el territorio gallego representaron el 53% de los ocurridos en todo el Estado español en el período 1991-2004 (Vega, 2007). Esta cifra es aun más alarmante si se considera que la zona forestal de esta comunidad autónoma representa el 16% de toda España. Galicia y Portugal son los dos territorios de la Unión Europa con mayor incidencia del fuego, y se encuentran entre las zonas del mundo con mayor número de incendios por hectárea y habitante. Los efectos de los incendios forestales, a parte de las cuantiosas pérdidas económicas directas que generan, deterioran de forma muy notable la calidad del aire, el agua y el suelo. En relación con el agua, los aportes de sedimentos y nutrientes, con las primeras lluvias del otoño, constituyen uno de los impactos más importantes que reciben los ecosistemas acuáticos, teniendo en cuenta, sobre todo, que se producen en épocas donde los caudales son todavía muy bajos y, por tanto, los efectos de los aportes exógenos son más graves. Los estudios de pérdida de nutrientes por lavado en el suelo como consecuencia de los incendios se pueden realizar a diferentes escalas de estudio: a) en el laboratorio, utilizando columnas de lavado sobre suelos sometidos a determinados choques térmicos (Soto & Díaz-Fierros, 1993), b) en el campo, a nivel de perfil, horizonte o capa de suelo, analizando los cambios en la forma y contenido de los nutrientes del suelo (De Ronde, 1990), c) en parcela experimental, del tipo parcelas USDA de 2x20 metros (Díaz-Fierros, 1990) o de otros tamaños (Cerdà et al., 2010). La variante de utilizar simuladores de lluvia permite realizar un mejor control de la precipitación, aunque las parcelas, por cuestiones prácticas, son siempre de menor tamaño. Y d) en cuencas, sobre todo de tipo pareado, donde los controles sirven como referencia para los cambios generados por el fuego (Tiedemann et al., 1979; Martin et al., 2000; Ranalli, 2004; Rhoades, 2011). Sin duda, los estudios en cuencas son los de referencia para este tipo de problemas, aunque dado el elevado número de factores que deben ser considerados en estos procesos (tipo de cuenca, climatología, usos del suelo, características del incendio, etc.) pocas veces se puede llegar a inferir con seguridad todas las relaciones causales que intervienen en el lavado de nutrientes en el suelo. En este sentido, los estudios de laboratorio, en microcosmos controlados, pueden ser una herramienta útil para establecer en una primera etapa de cuáles pueden ser los mecanismos fundamentales que intervienen en el lavado de nutrientes como consecuencia del fuego. Este trabajo parte de la idea de que las cuencas fluviales afectadas por incendios forestales experimentan alteraciones que en la mayor parte de los casos dan origen a cambios en la composición química de sus aguas (Tiedemann et al., 1979; Ranalli, 2004) y en los procesos hidrológicos (DeBano et al., 1970; Díaz-Fierros et al., 1987; Soto et al., 1994; Martin & Moody, 2001; Fernández et al., 2005; Shakesby & Doerr, 2006). El incremento de las escorrentías superficiales que se favorece por la pérdida de vegetación y la formación de capas hidrófobas en el suelo tras el fuego (DeBano, 2000; Shakesby, 2011) incrementa los aportes químicos particulados y, en general, el lavado de las sustancias acumuladas en la superficie del suelo. Este conjunto de procesos, complejos y variados, actuando simultáneamente sobre los mecanismos de transporte de las sustancias químicas hacia los cauces da origen a cambios en la composición del agua que están muy lejos de ser homogéneos. El principal objetivo de esta tesis doctoral es estudiar el efecto de los incendios forestales en suelos muy ricos en materia orgánica, así como de reacción ácida, que de acuerdo con la bibliografía, presentan diferencias con la mayoría de otros tipos de suelos en la composición del agua de las cuencas afectadas. La mayoría de las cuencas quemadas que se han estudiado con estas características corresponden a climas boreales (Bayley et al., 1992 y McEachern et al., 2000), mientras que los considerados en este estudio corresponden a un clima templado, por lo que su estudio aporta datos importantes para completar el conocimiento de los efectos de los incendios ocurridos en este tipo de suelos sobre la composición química del agua y sus propiedades físico-químicas. Se ha acotado el campo de investigación al estudio de la composición química del agua de cuencas afectadas por incendios forestales, así como su repercusión sobre la hidrología de las mismas, en tres líneas de investigación: 1.- Repercusión de los incendios forestales en los procesos hidrológicos. Se realizó un análisis hidrológico de dos cuencas pareadas con el fin de conocer los distintos procesos relacionados con los caudales circulantes y las posibles afecciones en los coeficientes de escorrentía producidas por un incendio ocurrido en el verano del 2007 que afectó a una de las cuencas en un 50%. A partir de los resultados obtenidos, podemos distinguir dos procesos que pueden explicar las diferencias que se presentan entre la cuenca quemada y no quemada tras su análisis hidrológico. El primero de ellos es derivado de los cambios que experimenta el suelo tras el incendio (Shakesby & Doerr, 2006), y que han sido ampliamente estudiados, como son los cambios en la tasa de infiltración (DeBano et al., 1970; Díaz-Fierros et al., 1987; Soto et al., 1994; Martin & Moody, 2001), estabilidad estructural de los agregados (Fernández et al., 2005), repelencia al agua (Doerr et al., 2006) etc. El segundo, es resultado de las alteraciones ocurridas en la cubierta vegetal, con consecuencias directas sobre la evapotranspiración que disminuye sensiblemente, y sobre la rugosidad del territorio con afectación en la escorrentía superficial. El análisis comparativo de la evolución de las láminas de escorrentía mensuales muestra que durante los meses de mayor precipitación éstas son superiores en la cuenca quemada durante los dos primeros años, y que durante el tercero se igualan prácticamente al de la no quemada. El cálculo de los coeficientes de escorrentía anuales vuelve a ratificar este hecho, mostrando que las diferencias entre los coeficientes que se presentan en ambas cuencas, durante los dos primeros años hidrológicos, se igualan en el último año, hecho que se podría justificar en ambos casos por la regeneración de la vegetación tras el incendio (Inbar et al., 1998). Esta recuperación de la vegetación arbórea como es el caso de los matorrales (presencia de más de un 50% en la cuenca quemada), se debe a que éstos poseen mecanismos naturales de regeneración que dependiendo de la intensidad del incendio y del ecosistema afectado, pueden tardar entre 1 y 5 años (Casal et al., 1984). La escorrentía superficial determinada en las cuencas analizadas por un método de separación de flujo (HYSEP, Sloto & Crouse, 1996) muestra que, en la cuenca quemada sólo se presenta ligeras diferencias atribuibles al incendio en su evolución, en comparación a la no quemada. Este hecho quizás se deba al efecto barrera de la vegetación de ribera no afectada por el incendio o a la necesidad de un análisis a menor escala que permita describir con más detalle su comportamiento (análisis de eventos individuales). En el caso de las escorrentía basal, la cuenca quemada refleja que el incendio forestal afectó netamente al comportamiento de las misma. Este hecho se presenta de manera más evidente durante las épocas de estiaje y más acentuada durante el primer año de estudio, donde el caudal base de la cuenca quemada es muy superior al de la no quemada. La evolución de las relaciones de las componentes basales durante las épocas de estiaje en ambas cuencas muestra que éstas van disminuyendo en el segundo año hasta igualarse en el último. Existen trabajos como los de Soto et al. (1997) donde estudiando parcelas quemadas y no quemadas, se observan excesos de flujo subsuperficial en las parcelas quemadas, hecho que se justifica por la menor evapotranspiración y por las recargas de los flujos subsuperficiales (Smakthin, 2001). En general, la intensidad alta del incendio, puede justificar también la respuesta hidrológica que presenta la cuenca quemada con respecto a la no quemada. Estudios como los de Soto et al.(1994); Úbeda & Sala (1998); Ferreira et al. (2005) y González-Pelayo et al. (2006) muestran siempre mayores escorrentías en zonas quemadas de intensidad media a alta. 2.- Efecto de los incendios forestales sobre la composición química de las aguas superficiales. Para estudiar el efecto de los incendios forestales en la química del agua se analizaron los efectos de tres incendios ocurridos durante los veranos de los años 2005, 2006 y 2007, y que afectaron en diferentes proporciones a las cuencas de estudio. Para un análisis más estructurado de las afecciones de los incendios en las diferentes cuencas se realizó: a) una comparación de tres cuencas quemadas durante el verano de 2005, y tres no quemadas de la misma zona y de iguales características, para establecer los posibles efectos del incendio en la química del agua a partir de las diferencias que se presentan entre ambos grupos de cuencas, b) una descripción y análisis de la evolución de la química del agua de una cuenca antes y después de haber sido afectada por un incendio forestal en el verano de 2006, y que servía de blanco de referencia de las cuencas afectadas por el incendio de 2005, c) un análisis de la evolución de la química del agua de dos cuencas pareadas, de las cuales una de ellas fue afectada por un incendio forestal durante el verano de 2007. Los resultados obtenidos permiten establecer que los incendios forestales ocurridos en la zona de estudio durante los años 2005, 2006 y 2007 repercutieron en la composición química del agua de las cuencas afectadas, y que este efecto puede mantenerse en el agua en algunos casos hasta los dos años después durante los cuales se realizó el seguimiento de las mismas. En el caso de las cuencas afectadas por los incendios de 2005 y 2006, se puede observar que la intensidad del incendio, clasificado de moderado a fuerte (Chandler et al., 1983), y el pequeño tamaño de la cuenca probablemente justifiquen su fuerte respuesta química en el agua. Los parámetros de calidad del agua (pH, conductividad eléctrica, concentración de nitrógeno y cationes) reflejan de manera general que los incendios que afectaron a las cuencas ubicadas en una zona de suelos forestales ácidos, de clima templado-húmedo, y con elevados contenidos en materia orgánica, presentan cambios significativos en comparación con las cuencas que no sufrieron el efecto de los incendios. La mayor parte de los parámetros (conductividad eléctrica, nitrógeno y cationes) experimentan incrementos de 1.5 a 5 veces en las cuencas quemadas frente a las concentraciones de las que no experimentaron el efecto del fuego. Estos incrementos son consecuencia, en primer lugar, de la movilización de nutrientes que se produce en el suelo y la vegetación quemada como consecuencia del incendio que por su severidad tiene efectos importantes sobre estos procesos. Pero también se observa que las lluvias copiosas de la zona y su proximidad al mar pueden aportar un suplemento de determinados iones (Cl-, SO4 -2, Na+, Mg+2, etc.) en los suelos quemados donde la cobertura vegetal fue total o parcialmente eliminada. Estos incrementos en la concentración de nutrientes y en la conductividad eléctrica de las cuencas quemadas se mantienen, con ligeros descensos, al cabo de los dos años de estudio, situación similar a la de muchos estudios donde la severidad del incendio fue de estas características o superiores (Tiedemann et al., 1979; Gluns & Toews, 1989; Bayley et al., 1992; Gerla & Galloway, 1998). El dato más singular de este estudio aparece en la disminución del pH del agua de las cuencas quemadas, atribuible al desplazamiento de hidrogeniones en el complejo de cambio y a la materia orgánica disuelta en el agua o a la oxidación del amonio a nitratos. En la mayor parte de los estudios sobre cuencas quemadas se observa lo contrario (incrementos en el pH). Solamente existen algunos datos en la bibliografía de cuencas quemadas de climas más fríos o de incendios en humedales (Bayley et al., 1992; McEachern et al., 2000) donde se observa también esta disminución en el pH del agua. En último lugar, en el caso de las cuencas pareadas analizadas, éstas muestran que la disposición espacial del incendio en una cuenca puede tener o no influencia en la hidroquímica de los ríos, pudiendo disminuir la respuesta del efecto del incendio cuando existe un filtro verde que separa la zona quemada de los flujos de agua. Diferentes trabajos publicados muestran que puede existir una gran variabilidad de la respuesta química de los ríos dependiente de la intensidad de la quema, el tipo de suelo, la pendiente, etc. (Knighton, 1977; Schinder et al., 1980). En este caso en particular la vegetación puede ejercer un efecto barrera que impide que el material generado por el incendio llegue al cauce del río (Vitousek & Reiners, 1975; Chapin, 1980). Finalmente, en relación con las alteraciones de la calidad del agua, tanto continental como marina, se estima que los cambios negativos introducidos en la composición química del agua por los incendios, a pesar de su duración en el tiempo, deben de tener poca influencia sobre las comunidades bióticas previsiblemente afectadas (Rieman & Clayton, 1997; Gresswell, 1999; Rinne & Carter, 2003). 3.- Simulación a nivel de microcosmos de las condiciones de un incendio forestal en muestras de suelo inalteradas, y de las condiciones naturales que los afectan post incendio con ayuda de un simulador de lluvia. Para llevar a cabo el análisis en microcosmos, se emplearon grandes muestras de un Umbrisol léptico recogidas en condiciones naturales, que fueron sometidas en laboratorio a choques térmicos y a un proceso de lavado mediante lluvia simulada. De esta forma, al controlar los factores, tipo de fuego y precipitación, se crearon condiciones experimentales adecuadas para un análisis detallado de los principales procesos implicados. Se diseñaron cajas de acero inoxidable que permitieron la recogida del agua de escorrentía de dos formas, en primer lugar el agua que constituye la escorrentía superficial o escorrentía directa y el agua de infiltración o drenaje que constituye la escorrentía subsuperficial. Para una descripción más detallada de los choques térmicos, y para determinar la idoneidad del uso de la medida del color como indicador de su intensidad, se llevaron a cabo medidas individuales de color en la superficie de cada muestra de suelo. Se realizaron dos experiencias de simulación de lluvia consecutivas, cada una totalizando 150 mm de lluvia, separadas entre sí por un intervalo de 15 días. Durante las simulaciones de lluvia se recolectaron las aguas superficiales y de drenaje de las seis cajas lisimétricas, determinando su composición cada 300 ml de agua recogida. Los suelos fueron analizados antes del choque térmico y después de las dos secuencias de simulación de lluvia. El estudio del empleo del color como indicador de la intensidad del calentamiento del suelo mostró que los parámetros de color Hue Munsell y hab CIELAB son los que marcan la diferencia entre incendios de intensidad baja (200-220ºC) y moderada (410-430ºC). A este respecto los resultados son muy prometedores y los futuros estudios irán dirigidos al establecimiento de intervalos más estrechos de temperatura que permitan obtener información acerca de los cambios en los compuestos de hierro, que serán completados con datos físicos, químicos y mineralógicos. En la caracterización del choque térmico sobre el suelo es importante considerar además de la temperatura, que se mostró como insuficiente para explicar la respuesta del suelo, la cantidad de calor aportada que, entre otros parámetros, está fuertemente influida por su contenido de humedad. La utilización de los grados-hora acumulados a diferentes profundidades ofrece un método sencillo para estimar la cantidad de calor aportada al suelo por un incendio. Las experiencias de simulación de lluvia muestran que dos episodios de simulación, cada uno de 150 mm, son suficientes para lavar la mayor parte de los cationes liberados por el choque térmico. Incluso, para los cationes divalentes, bastaría con un primer episodio para lavar más del 75% de los cationes. Se aprecian diferencias significativas en la respuesta de los cationes al lavado después de choques térmicos de severidad creciente. Los monovalentes comienzan a incrementar su lavado de forma neta a partir de los 200ºC y los 67.59 grados-hora, mientras que los divalentes lo hacen a partir de los 220ºC y los 194.62 grados-hora. En general, a medida que se incrementa la severidad del choque térmico, dentro de los niveles analizados en este estudio, aumenta la cantidad de cationes lavados. Sin embargo, en condiciones intermedias de severidad se aprecia una disminución del lavado, que es más acusada en los monovalentes. Este hecho, reseñado ya por otros autores (Giovannini et al., 1990; Soto & Díaz-Fierros, 1993), precisa mayores estudios para un mejor conocimiento de sus causas. Expresadas las pérdidas de cationes por lavado en kg/ha se encuentra que estos valores oscilan de 3.6 a 61.6, no alejándose demasiado en orden de magnitud, a las pérdidas registradas en la bibliografía. Desde un punto de vista aplicado, estas pérdidas, no parecen revestir graves problemas para el medio acuático. Sin embargo, sus consecuencias sobre la fertilidad del suelo son importantes pues suponen reducciones en los cationes de cambio del orden del 80%. La determinación de nitrógeno en los lixiviados generados, muestra que, el calor aportado al suelo probablemente influye en el incremento de sus pérdidas, que se presentaron a partir de los 200ºC y 67 grados-horas con 150 mm de lluvia simulada. Este hecho fue corroborado en los suelos sometidos a temperaturas similares (410 y 430ºC) y con grados-hora aportados distintos (278 y 470) y en los que se registraron pérdidas superiores (1.6 veces) en los lixiviados generados con mayor grado de calor aportado. De todas formas este comportamiento tendría que ser motivo de un estudio más detallado que permitiera afirmar que a diferentes grados de calor hora y con el uso de lámparas de infrarrojos se producen estas pérdidas. En el caso de la conductividad y el pH se observa un comportamiento dependiente de la temperatura aplicada al suelo, detectándose aumentos de estos parámetros conforme aumenta la temperatura a la que fue sometido. Un aspecto de gran interés es la respuesta del pH, cuyo incremento estaría en contradicción con los valores determinados en las cuencas analizadas en este estudio. Este comportamiento puede llevar a pensar que quizás no se puedan reproducir en laboratorio todas las condiciones que hacen que el pH de los suelos ácidos ricos en materia orgánica de zona templada húmeda, no aumente o presente valores inferiores por efecto del fuego. Los resultados obtenidos permitieron determinar que la utilización de lluvia simulada, en el laboratorio, sobre grandes muestras de suelos tomadas con preservación de sus condiciones naturales, se muestra como un procedimiento muy útil para estudiar los procesos de lavado de sustancias en suelos sometidos a choque térmicos similares a los que se producen en los incendios forestales. Las posibilidades de control de la lluvia y de la severidad del fuego, así como el mantenimiento de unas condiciones similares a las naturales, lo sitúan en una posición intermedia entre los clásicos estudios de laboratorio y los estudios de campo con parcelas. Este método, puede ofrecer en el futuro amplias posibilidades de investigación, hasta ahora muy poco exploradas.