SOMMARIO Gli incendi interessano vaste aree di superficie terrestre, più di ogni altro fattore naturale di disturbo. Essi sono un fattore ecologico primario nella formazione e nell’evoluzione degli ecosistemi forestali. Gli incendi hanno un forte impatto sulla sostanza organica del suolo, sulla sua abbondanza ma anche sulla sua composizione, che può subire profonde alterazioni. Durante la combustione hanno luogo reazioni che portano alla neo-formazione di composti aromatici, più o meno condensati, ad elevata recalcitranza. Nonostante gli studi intrapresi da tempo sul tema, ad oggi rimangono molte incertezze sui cambiamenti indotti dagli incendi sulla quantità, composizione e recalcitranza della sostanza organica del suolo. Gli obbiettivi di questa ricerca sono stati: (i) attestare l’impatto, nel brevissimo periodo, che hanno due fuochi di differente intensità sulla composizione e la quantità della sostanza organica del suolo; (ii) valutare l’applicazione complementare di tecniche spettroscopiche e termiche nello studio dei cambiamenti indotti da un incendio sulla sostanza organica del suolo; (iii) stimare, sul lungo periodo, l’effetto che ha un’elevata frequenza degli incendi sulla composizione e la permanenza della sostanza organica del suolo. Le analisi svolte in questa tesi hanno prodotto diversi dati utili, contribuendo alla comprensione dell’impatto degli incendi sulla sostanza organica del suolo. Per questo studio sono stati selezionati diversi siti forestali che, recentemente o in passato, sono stati percorsi da uno o più incendi. I primi due siti studiati sono stati Orentano (Italia) e Mount Gordon (Australia). Questi due siti sono stati paragonati per mettere in risalto l’effetto di incendi di differente intensità sulla quantità e sulla composizione della sostanza organica del suolo. I risultati sono stati analizzati cercando di trovare un indice di facile utilizzo in grado di definire sinteticamente l’intensità dell’incendio percepita al livello del suolo e il grado di deterioramento di quest’ultimo. Lo studio dei principali componenti della lettiera, come gli zuccheri e la lignina, e la composizione della sostanza organica totale rilevata con analisi all’NMR, non hanno fornito alcun parametro utile a risalire al grado di intensità dell’incendio a cui il suolo è stato soggetto. A Roccastrada, Toscana, è stato analizzato un suolo bruciato utilizzando contemporaneamente tecniche termiche e spettroscopiche contraddistinte dall’essere rapide e relativamente economiche. In questo modo è stato possibile caratterizzare efficacemente alcuni importanti cambiamenti della composizione della sostanza organica del suolo indotti dal passaggio del fuoco. Il passaggio del fuoco ha comportato una significativa riduzione della frazione organica, meno resistente alla degradazione biochimica, ed un relativo arricchimento di quella più recalcitrante. In più, il passaggio del fuoco ha portato alla formazione di composti contenenti azoto re-arrangiati in strutture relativamente resistenti alla degradazione. Infine è stata analizzata una sequenza climatica/altitudinale di suoli sull’Etna per valutare l’effetto di lungo termine degli incendi sulla composizione e la stabilità della sostanza organica del suolo. Sull’Etna, alle altitudini meno elevate, dove la frequenza degli incendi è maggiore, il tempo di residenza della frazione stabile della sostanza organica, carbone compreso, si è rivelato minore che alle quote superiori, mentre è stato rilevato un accumulo della frazione meno resistente e più facilmente degradabile. Ciononostante, in alcuni casi il carbone (macroscopico) contribuiva significativamente allo stock di carbonio totale nell’intero profilo del suolo, con tempi di permanenza stimati, con la tecnica del radiocarbonio, fino a 1400-1500 anni. Quindi un’elevata frequenza degli incendi sembra avere un “potere ringiovanente” sulla sostanza organica, rimuovendo, dalla superficie dei suoli in maniera non selettiva, parte della frazione con elevati tempi di residenza e biologicamente più recalcitrante. SUMMARY Fire affects more land surfaces than any other natural disturbance. It is a major driving factor in forest ecosystems formation and evolution. It has a strong impact on soil organic matter, primarily by changing its abundance. Also, soil organic matter composition is substantially affected by fire. During the combustion, many reactions take place, leading to the formation of thermally-condensed aromatic compounds characterised by high recalcitrance. However, there are still many uncertainties and contrasting results dealing with fire-induced changes in soil organic matter abundance, composition and recalcitrance. The aims of this study were: (i) assessing the immediate impact of two wildfires of different severity on soil organic matter composition and abundance; (ii) evaluating the complementary application of thermal and spectroscopic techniques to assess fire-induced changes to soil organic matter; (iii) estimating the long-term effect of a high fire frequency on soil organic matter composition and stability. This investigation provided useful information and contributes to the understanding of the overall impact of fire on soil organic matter. To carry out this study, we selected some forest sites that have been affected by one or more recent or past wildfires. Two sites, Orentano (Italy) and Mount Gordon (Australia), were contrasted to highlight the effect of wildfires of different severity on soil organic matter abundance and composition. The results were further analysed to find a possible reliable index of fire severity in soil, eventually useful to define the damage degree of soil quality or charring degree of necromass. Biogeochemical parameters, such as soil sugar and lignin contents and composition, as well as the black carbon spectroscopic properties, did not result useful for this purpose. At Roccastrada, Tuscany, Italy, the soil of a burnt pine forest was investigated by using a set of thermal and spectroscopic – rapid and cheap – techniques, that efficaciously characterised some important fire-induced changes in soil organic matter composition. They provided indications also on the burning temperatures occurred in soil. Fire produced a substantial reduction in the most labile organic fraction and a relative enrichment in recalcitrant organic matter. Additionally, the fire led to the formation of nitrogen-bearing compounds characterised by a fairly resistant structure. A topo-climosequence on Mt. Etna was finally analysed for estimating the long-term effect of wildfires on soil organic matter composition and stability. The residence time of the stable soil organic matter fraction – charcoal included – decreased from high to lower elevations, where fire frequency is higher. At lower elevations, labile organic matter, more easily degradable, accumulated in the mineral soil. Macroscopic charcoal fragments were present in significant amounts in the soil profile, showing radiocarbon ages up to 1400-1500 years. High fire frequency resulted to act as a powerful rejuvenating factor to soil organic matter, removing part of the very old, biologically recalcitrant organic matter from the surface horizons.

The impact of wildfires on the abundance, composition and recalcitrance of soil organic matter / Giovanni Mastrolonardo. - STAMPA. - (2013).

The impact of wildfires on the abundance, composition and recalcitrance of soil organic matter

MASTROLONARDO, GIOVANNI
2013

Abstract

SOMMARIO Gli incendi interessano vaste aree di superficie terrestre, più di ogni altro fattore naturale di disturbo. Essi sono un fattore ecologico primario nella formazione e nell’evoluzione degli ecosistemi forestali. Gli incendi hanno un forte impatto sulla sostanza organica del suolo, sulla sua abbondanza ma anche sulla sua composizione, che può subire profonde alterazioni. Durante la combustione hanno luogo reazioni che portano alla neo-formazione di composti aromatici, più o meno condensati, ad elevata recalcitranza. Nonostante gli studi intrapresi da tempo sul tema, ad oggi rimangono molte incertezze sui cambiamenti indotti dagli incendi sulla quantità, composizione e recalcitranza della sostanza organica del suolo. Gli obbiettivi di questa ricerca sono stati: (i) attestare l’impatto, nel brevissimo periodo, che hanno due fuochi di differente intensità sulla composizione e la quantità della sostanza organica del suolo; (ii) valutare l’applicazione complementare di tecniche spettroscopiche e termiche nello studio dei cambiamenti indotti da un incendio sulla sostanza organica del suolo; (iii) stimare, sul lungo periodo, l’effetto che ha un’elevata frequenza degli incendi sulla composizione e la permanenza della sostanza organica del suolo. Le analisi svolte in questa tesi hanno prodotto diversi dati utili, contribuendo alla comprensione dell’impatto degli incendi sulla sostanza organica del suolo. Per questo studio sono stati selezionati diversi siti forestali che, recentemente o in passato, sono stati percorsi da uno o più incendi. I primi due siti studiati sono stati Orentano (Italia) e Mount Gordon (Australia). Questi due siti sono stati paragonati per mettere in risalto l’effetto di incendi di differente intensità sulla quantità e sulla composizione della sostanza organica del suolo. I risultati sono stati analizzati cercando di trovare un indice di facile utilizzo in grado di definire sinteticamente l’intensità dell’incendio percepita al livello del suolo e il grado di deterioramento di quest’ultimo. Lo studio dei principali componenti della lettiera, come gli zuccheri e la lignina, e la composizione della sostanza organica totale rilevata con analisi all’NMR, non hanno fornito alcun parametro utile a risalire al grado di intensità dell’incendio a cui il suolo è stato soggetto. A Roccastrada, Toscana, è stato analizzato un suolo bruciato utilizzando contemporaneamente tecniche termiche e spettroscopiche contraddistinte dall’essere rapide e relativamente economiche. In questo modo è stato possibile caratterizzare efficacemente alcuni importanti cambiamenti della composizione della sostanza organica del suolo indotti dal passaggio del fuoco. Il passaggio del fuoco ha comportato una significativa riduzione della frazione organica, meno resistente alla degradazione biochimica, ed un relativo arricchimento di quella più recalcitrante. In più, il passaggio del fuoco ha portato alla formazione di composti contenenti azoto re-arrangiati in strutture relativamente resistenti alla degradazione. Infine è stata analizzata una sequenza climatica/altitudinale di suoli sull’Etna per valutare l’effetto di lungo termine degli incendi sulla composizione e la stabilità della sostanza organica del suolo. Sull’Etna, alle altitudini meno elevate, dove la frequenza degli incendi è maggiore, il tempo di residenza della frazione stabile della sostanza organica, carbone compreso, si è rivelato minore che alle quote superiori, mentre è stato rilevato un accumulo della frazione meno resistente e più facilmente degradabile. Ciononostante, in alcuni casi il carbone (macroscopico) contribuiva significativamente allo stock di carbonio totale nell’intero profilo del suolo, con tempi di permanenza stimati, con la tecnica del radiocarbonio, fino a 1400-1500 anni. Quindi un’elevata frequenza degli incendi sembra avere un “potere ringiovanente” sulla sostanza organica, rimuovendo, dalla superficie dei suoli in maniera non selettiva, parte della frazione con elevati tempi di residenza e biologicamente più recalcitrante. SUMMARY Fire affects more land surfaces than any other natural disturbance. It is a major driving factor in forest ecosystems formation and evolution. It has a strong impact on soil organic matter, primarily by changing its abundance. Also, soil organic matter composition is substantially affected by fire. During the combustion, many reactions take place, leading to the formation of thermally-condensed aromatic compounds characterised by high recalcitrance. However, there are still many uncertainties and contrasting results dealing with fire-induced changes in soil organic matter abundance, composition and recalcitrance. The aims of this study were: (i) assessing the immediate impact of two wildfires of different severity on soil organic matter composition and abundance; (ii) evaluating the complementary application of thermal and spectroscopic techniques to assess fire-induced changes to soil organic matter; (iii) estimating the long-term effect of a high fire frequency on soil organic matter composition and stability. This investigation provided useful information and contributes to the understanding of the overall impact of fire on soil organic matter. To carry out this study, we selected some forest sites that have been affected by one or more recent or past wildfires. Two sites, Orentano (Italy) and Mount Gordon (Australia), were contrasted to highlight the effect of wildfires of different severity on soil organic matter abundance and composition. The results were further analysed to find a possible reliable index of fire severity in soil, eventually useful to define the damage degree of soil quality or charring degree of necromass. Biogeochemical parameters, such as soil sugar and lignin contents and composition, as well as the black carbon spectroscopic properties, did not result useful for this purpose. At Roccastrada, Tuscany, Italy, the soil of a burnt pine forest was investigated by using a set of thermal and spectroscopic – rapid and cheap – techniques, that efficaciously characterised some important fire-induced changes in soil organic matter composition. They provided indications also on the burning temperatures occurred in soil. Fire produced a substantial reduction in the most labile organic fraction and a relative enrichment in recalcitrant organic matter. Additionally, the fire led to the formation of nitrogen-bearing compounds characterised by a fairly resistant structure. A topo-climosequence on Mt. Etna was finally analysed for estimating the long-term effect of wildfires on soil organic matter composition and stability. The residence time of the stable soil organic matter fraction – charcoal included – decreased from high to lower elevations, where fire frequency is higher. At lower elevations, labile organic matter, more easily degradable, accumulated in the mineral soil. Macroscopic charcoal fragments were present in significant amounts in the soil profile, showing radiocarbon ages up to 1400-1500 years. High fire frequency resulted to act as a powerful rejuvenating factor to soil organic matter, removing part of the very old, biologically recalcitrant organic matter from the surface horizons.
2013
Giacomo Certini, Cornelia Rumpel
ITALIA
Giovanni Mastrolonardo
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Tipologia: Tesi di dottorato
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