Understanding and modelling hydrological and soil erosion processes in burnt forest catchments

Forest fires implications in overland flow and soil erosion have been researched for several years. Therefore, is widely known that fires enhance hydrological and geomorphological activity worldwide as also in Mediterranean areas. Soil burn severity has been widely used to describe the impacts of fire on soils, and has being recognized as a decisive factor controlling post-fire erosion rates. However, there is no unique definition of the term and the relationship between soil burn severity and post-fire hydrological and erosion response has not yet been fully established. Few studies have assessed post-fire erosion over multiple years, and the authors are aware of none which assess runoff. Small amount of studies concerning pre-fire management practices were also found. In the case of soil erosion models, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and the revised Morgan–Morgan–Finney (MMF) are well-known models, but not much information is available as regards their suitability in predicting post-fire soil erosion in forest soils. The lack of information is even more pronounced as regards post-fire rehabilitation treatments. The aim of the thesis was to perform an extensive research under the post fire hydrologic and erosive response subject. By understanding the effect of burn severity in ecosystems and its implications regarding post fire hydrological and erosive responses worldwide. Test the effect of different pre-fire land management practices (unplowed, downslope plowed and contour plowed) and time-since-fire, in the post fire hydrological and erosive response, between the two most common land uses in Portugal (pine and eucalypt). Assess the performance of two widely-known erosion models (RUSLE and Revised MMF), to predict soil erosion rates during first year following two wildfires of distinctive burn severity. Furthermore, to apply these two models considering different post-fire rehabilitation treatments in an area severely affected by fire. Improve model estimations of post-fire runoff and erosion rates in two different land uses (pine and eucalypt) using the revised MMF. To assess these improvements by comparing estimations and measurements of runoff and erosion, in two recently burned sites, as also with their post fire rehabilitation treatments. Model modifications involved: (1) focusing on intra-annual changes in parameters to incorporate seasonal differences in runoff and erosion; and (2) inclusion of soil water repellency in runoff predictions. Additionally, validate these improvements with the application of the model to other pine and eucalypt sites in Central Portugal. The review and meta-analysis showed that fire occurrence had a significant effect on the hydrological and erosive response. However, this effect was only significantly higher with increasing soil burn severity for inter-rill erosion, and not for runoff. This study furthermore highlighted the incoherencies between existing burn severity classifications, and proposed an unambiguous classification. In the case of the erosion plots with natural rainfall, land use factor affected annual runoff while land management affected both annual runoff and erosion amounts significantly. Time-since-fire had an important effect in erosion amounts among unplowed sites, while for eucalypt sites time affected both annual runoff and erosion amounts. At all studied sites runoff coefficients increase over the four years of monitoring. In the other hand, sediment concentration in the runoff, recorded a decrease during the same period. Reasons for divergence from the classic post-fire recovery model were also explored. Short fire recurrence intervals and forest management practices are viewed as the main reasons for the observed severe and continuing soil degradation. The revised MMF model presented reasonable accuracy in the predictions while the RUSLE clearly overestimated the observed erosion rates. After improvements: the revised model was able to predict first-year post-fire plot-scale runoff and erosion rates for both forest types, these predictions were improved both by the seasonal changes in the model parameters; and by considering the effect of soil water repellency on the runoff, individual seasonal predictions were considered accurate, and the inclusion of the soil water repellency in the model also improved the model at this base. The revised MMF model proved capable of providing a simple set of criteria for management decisions about runoff and erosion mitigation measures in burned areas. The erosion predictions at the validation sites attested both to the robustness of the model and of the calibration parameters, suggesting a potential wider application.

As implicações dos fogos florestais na escorrência superficial e erosão dos solos têm sido objeto de estudo desde há vários anos. Como tal, é do conhecimento geral, que os fogos tendem a aumentar a atividade hidrológica e geomorfológica em todo o mundo e também nas zonas mediterrânicas. A severidade da queima do solo tem sido utilizada para descrever o impacto dos fogos nos solos e reconhecida como um fator decisivo no controle das taxas de erosão pós-fogo. No entanto, não existe uma definição única do termo e a relação entre severidade de queima do solo com a resposta hidrológica e erosiva não é ainda totalmente conhecida. Por outro lado, escasseiam os estudos com registos de taxas de erosão pós-fogo durante um período de quatro anos, nenhum dentro desse período com registos de escorrência superficial pós-fogo. Menos estudos ainda, que retratem a resposta erosiva pós-fogo, mencionando práticas de gestão florestal anteriores ao mesmo. No caso da modelação de erosão dos solos, apesar dos modelos aplicados ‒ a Equação Universal de Perdas do Solo Revista (RUSLE) e o modelo de Morgan-Morgan-Finney (MMF) ‒ serem bem conhecidos, a informação referente à sua aplicabilidade para prever taxas de erosão em solos florestais após o fogo é bastante limitada. No caso da aplicabilidade destes modelos, considerando tratamentos de mitigação após incêndio, ainda menos informação existe. O objetivo deste trabalho é o aprofundar do conhecimento relativo à resposta hidrológica e erosiva após incêndios florestais através do estudo dos efeitos da severidade de queima nos ecossistemas e das suas implicações na resposta hidrológica e erosiva em todo o mundo. Para este fim, testámos também o efeito de diferentes práticas de gestão florestal (não lavrado, lavrado no sentido do declive e lavrado segundo as curvas de nível), executadas previamente ao incêndio florestal, entre dois dos usos do solo mais comuns em Portugal: o pinheiro e o eucalipto. Testámos ainda a eficiência com que dois modelos, amplamente conhecidos (RUSLE e MMF revisto), conseguem prever, em duas severidades distintas e com tratamentos de reabilitação pós fogo, as taxas de erosão durante o ano que seguiu ao incêndio florestal. Com essa informação, que veio melhorar as estimativas, alterámos o modelo e verificámos a sua eficiência, tanto nas previsões de escorrência superficial como na erosão do solo em pós-fogo e em pós-fogo com tratamentos de reabilitação. Essas alterações, que consistiam em (1) passar todos os inputs numa escala sazonal para incorporar as variações sazonais sentidas na formação de escorrência superficial e erosão do solo, e (2) inclusão do efeito hidrófobo do solo à água nas previsões da escorrência superficial. Adicionalmente, validar estas melhorias noutra área florestal independente no centro de Portugal para pinhal e eucaliptal, pós-fogo e pós-fogo com tratamentos de reabilitação. A revisão e a meta-análise demonstraram que a ocorrência de um fogo florestal provoca alterações significativas na resposta hidrológica e erosiva. No entanto, este efeito só é significativamente diferente com o aumento da severidade da queima do solo para a erosão e não para a geração de escorrência superficial. Este estudo também aludiu a incoerência entre várias classificações de severidade de queima e propõe ainda uma classificação não ambígua. No caso das parcelas de erosão com chuva natural, verificou-se que o uso do solo é um fator que afeta a geração de escorrência; em contrapartida, a gestão florestal afeta tanto a escorrência como a erosão do solo. O tempo decorrido desde o incêndio surge como fator de elevada importância entre locais não lavrados, relativamente às perdas de solo, e entre eucaliptais, relativamente à escorrência e erosão. Em todos os locais os coeficientes de escorrência aumentaram do primeiro para o quarto ano de estudo. Noutra nota, notou-se um decréscimo nas concentrações de sedimentos na escorrência durante o mesmo período. Foi explorada a discrepância entre este estudo e entre os modelos clássicos de recuperação pós-fogo; também o curto intervalo entre fogos e as constantes práticas de gestão florestal são vistas como as principais razões pela severa e continuada degradação dos solos. O modelo de MMF revisto apresentou uma razoável acuidade nas previsões enquanto que, o RUSLE claramente sobrestimou as taxas de erosão observadas. Ambos os modelos demonstraram capacidades para serem usados como ferramentas operacionais para ajudarem gestores a determinar áreas de risco de erosão pós-fogo e a tomarem ações prioritárias. O Modelo MMF revisto permitiu determinar as taxas de erosão durante o primeiro ano, após o fogo, para os dois usos do solo estudados: o pinheiro e o eucalipto. Essas previsões melhoraram com a implementação da modelação sazonal e com a inclusão da hidrofobia do solo à água para as previsões de escorrência. Por fim, o modelo de MMF revisto provou ser capaz de providenciar um conjunto de critérios para ajudar à tomada de decisões por parte dos gestores relativamente à escorrência, erosão e tratamentos de mitigação em áreas recentemente ardidas. Este modelo sugere, segundo os resultados obtidos aquando da validação e calibração, uma elevada robustez e um potencial de ser aplicado a outras áreas.

Doutoramento em Ciências e Engenharia do Ambiente