Impact of repeated forest fires on biodiversity and the soil. Looking for indicators
Étude de l'impact d'incendies de forêt répétés sur la biodiversité et sur les sols. Recherche d'indicateurs.
Résumé
Goals: This project aimed at assessing the impact of forest fire repetition on vegetation and the soil, in terms of biodiversity, carbon balance and the global ecosystem potential. The study area is the Maures massif (Mediterranean area in the Southeast of France), an ecosystem developed on crystalline rocks. Because of the persistent drought during all the project, we studied the interaction between of fire recurrence and drought recurrence. Protocols: The sampling design includes 3 fire regimes during the last 50 years (many fires = 3-5, medium = 1-2 fires, control = no fire) and 3 time spans since the last fire (very recent = 9-12 months, recent = 3-5 years, old = 15-25 years). Control plots did not burn since either 50 years, or 200 years. 31 plots were laid out, five by treatment except for the old growth control forest (1 plot). The follow-up of the same plots during 3 years allowed furthermore studying the short-term dynamics of the environment after fire. We studied the functional relations between various aerial and soil compartments of the ecosystem at several spatial and temporal scales, combining physical, chemical and biologic factors, to identify key processes and species controlling the resilience of the environment or its resistance to disturbances. Results: Globally, the time since the last fire, thus the ecosystem resilience dynamics, were more influent on most of the measured parameters than the number or the frequency of fires. However, these last ones often play a functionally significant role, their relative importance increasing with the number of fires. The absence of fires for 150 - 200 years allowed a dramatic recovery of the fertility and biological activity. The repletion of the carbon stock in the superficial soil horizons (0 15 cm) and important modifications in flora structure and composition were particularly significant. With a mean fire frequency of one fire every 25 to 50 years, a good global resilience of the ecosystem, its flora and its functioning was observed, but at a low level of potential and at the shrinkage limit: most of the organic matter was limited to the first centimeters of the topsoil (0-5cm) where the biologic activity concentrated at fire's mercy. Most of the parameters which are modified by the fire recovered quantitatively in 15 to 25 years. But 50 years were generally necessary for the resilience of qualitative aspects, notably for the organic matter, biogeochemical cycles, microbiologic functioning of the soil and plant diversity.With higher fire frequencies (4 fires or more in 50 years, or fires occurring at less than 10 years interval), many parameters are durably altered, showing a global degradation of the ecosystem potential: it was particularly true for vegetation composition and structure, soil fauna and the loss of organic matter and its qualitative transformation. This last change led to drop in the activity, the resistance and the resilience of microbial communities. The nitrogen cycle was particularly disturbed. With one to 3 fires in 50 years, these forests do not store nor lose significantly carbon in the superficial soil horizons nor in the living biomass; a higher frequency led the forest to be a carbon source. With no fires over 50 years, and particularly after more than 150 years, these forests become a good carbon sink. The conjunction of numerous fires and repeated droughts led to a collapse of the biological functioning of the ecosystem. Fire and drought amplified mutually their deleterious impact. The persistent drought from 2003 to 2007 stopped the normally fast recovery dynamics in the first year after the fire of year 2003, and even made some biologic parameters decline. Plots with the higher fire frequency up to 2003 were the most impacted by drought. The preliminary effect of drought also dramatically increased the impact of the fires of year 2007. A threshold of 4 successive years of severe drought seems to be a critical threshold for the ecosystem, as well as 4 fires would be a critical threshold for the number of fires in 50 years.
Objectifs : Ce projet avait pour objectif d'évaluer l'impact de la répétition des feux de forêt sur le sol et la végétation en termes de biodiversité, de bilan de carbone et de dégradation générale des potentialités de l'écosystème. La zone d'étude se situe dans le massif des Maures (zone méditerranéenne au Sud-Est de la France, écosystème développés sur roches cristallines). Nous avons simultanément étudié l'interaction entre récurrence des feux et récurrence des sécheresses. Protocoles : Le plan d'échantillonnage comprend 3 régimes d'incendies au cours des 50 dernières années (nombreux = 3-5 feux, peu nombreux = 1-2 feux, témoin) et 3 modalités de date du dernier feu (très récent = 9 mois -1 an, récent =3 ans, ancien = 15-25 ans), les témoins n'ayant pas brûlé depuis soit 50 ans, soit 200 ans ou plus. Il y a 5 placettes par modalité sauf témoin très ancien, soit au total 31 placettes. Le suivi sur plusieurs années des mêmes placettes a permis de plus d'étudier la dynamique à court terme du milieu après le feu. Nous avons étudié les relations fonctionnelles entre différents compartiments aériens et souterrains à plusieurs niveaux des échelles spatiale et temporelle de l'écosystème, en combinant des facteurs physiques, chimiques et biologiques, afin d'identifier des processus et espèces clefs de la résilience du milieu ou de sa résistance aux perturbations. Résultats : Globalement, le temps depuis le dernier feu, donc la dynamique de reconstitution de l'écosystème, influence plus les paramètres mesurés que le nombre ou la fréquence des feux, mais ces derniers jouent cependant un rôle souvent significatif et fonctionnellement important, plus rarement dominant. L'absence de feux durant 150 à 200 ans permet une spectaculaire remontée biologique et du potentiel de l'écosystème, marquée par la reconstitution d'un stock significatif de carbone dans les horizons superficiels du sol (0 à 15 cm) et une modification importante de la structure et composition floristique. Une fréquence moyenne d'incendie de l'ordre d'un feu tous les 25 à 50 ans permet une bonne résilience globale de l'écosystème, de sa flore et de son fonctionnement, mais à un niveau faible de potentialités et en limite de la rupture. L'essentiel du stock de matière organique est limité aux premiers centimètres du sol (0-5cm) où se concentre l'activité biologique. La plupart des paramètres qui sont modifiés par le feu récupèrent quantitativement au bout de 15 à 25 ans. Mais il faut en général 50 ans pour les aspects qualitatifs, notamment au niveau de la matière organique, des cycles biogéochimiques, du fonctionnement microbiologique du sol et de la biodiversité végétale. Avec des fréquences plus élevées, aboutissant à 4 feux ou plus en 50 ans ou à quelques feux très rapprochés (5-10 ans), de nombreux paramètres chimiques et biologiques sont durablement altérés, et marquent une dégradation globale des potentialités du système. On note un changement durable de la composition et de la structure de la végétation et une perte significative de matière organique et sa transformation qualitative, responsables d'une baisse sensible de l'activité, de la résistance et de la résilience microbiologique. Le cycle de l'azote est particulièrement touché. Pour les fonctions de séquestration de carbone : dans un régime moyen d'incendie de l'ordre d'un feu tous les 25 à 50 ans, ces forêts ne stockent pas ni ne perdent significativement de carbone dans les horizons superficiels du sol et dans la biomasse vivante ; elles en perdent par contre en cas de feux répétés plus souvent. Elles possèdent un grand potentiel de stockage (effet puits de CO2) en cas ne non-brûlage sur des durées de 150 à 200 ans. La conjonction de nombreux feux et de sécheresses répétées conduit à un effondrement du fonctionnement biologique de l'écosystème dans ses parties aérienne comme souterraine. Chacune des perturbations (feu et sécheresse) amplifie les effets néfastes de l'autre. La sécheresse persistante a non seulement totalement arrêté la dynamique normalement rapide de l'écosystème entre la 3ème et la 5ème année après le feu, mais a fait largement régresser certains paramètres biologiques. Les placettes les plus impactées par le feu (incendies récents ou nombreux) ont été les plus touchées. L'effet préalable de la sécheresse a aussi considérablement aggravé l'impact d'un feu survenu en 2007. Un seuil de 4 années successives de sécheresse marquée semble constituer un seuil critique pour l'écosystème, de la même manière que 4 feux seraient un seuil critique pour le nombre de feux en 50 ans. Le changement climatique ne peut donc que le fragiliser d'avantage ces écosystèmes, en accentuant les effets néfastes des incendies et en les multipliant.