Characteristics of Burns Conducted under Modified Prescriptions to Mitigate Limited Fuels in a Semi-Arid Grassland

In semi-arid grasslands of the North American Great Plains, fire has traditionally been viewed as having few management applications, and quantitative measurements of fire behavior in the low fuel loads characteristic of this region are lacking. More recently, land managers have recognized potential applications of prescribed fire to control undesirable plant species and to manage habitat for wildlife in this region. Working in the shortgrass steppe of northeastern Colorado over a 7-year period, we quantified peak temperatures, heating duration, and heat dosage produced near ground level during prescribed burns conducted under a wide range of fuel loads and weather conditions. We use an information theoretic approach to develop models that predict peak temperature and heat dosage as a function of weather parameters and fuel loads. Under the weather conditions that we examined, successful burns (>80 % of target area burnt) occurred with fuel loads varying from 350 kg ha−1 to 1175 kg ha−1, while burns with fuel loads <350 kg ha−1 generally failed to spread and burned less than 60 % of target areas. Peak temperatures, heat duration, and heat dosage during shortgrass burns: 1) were lower than reported for mixed grass prairies, 2) increased linearly with increasing fuel loads, and 3) were secondarily influenced by wind speed, ambient air temperature, and relative humidity. Compared to desert grassland, heat doses near the ground surface were similar, but peak temperatures were lower and heat duration longer in shortgrass steppe burns. Our findings provide quantitative predictions for heat production from fires in shortgrass steppe near the ground surface, where most plant meristems are located. Based on these relationships, we provide suggestions for burn prescriptions to achieve goals such as reducing abundance of undesirable plant species and providing habitat for native grassland birds.ResumenEn los pastizales semiáridos de las grandes planicies de Norteamérica, el fuego no ha sido contemplado tradicionalmente como una herramienta adecuada para la gestión del territorio, y no existen mediciones cuantitativas sobre su comportamiento. Recientemente, los gestores del territorio han reconocido las aplicaciones potenciales de las quemas prescritas para controlar especies indeseables y gestionar el hábitat para la fauna silvestre de la región. Trabajando en la estepa de pastos cortos del noreste de Colorado durante un periodo de 7 años, cuantificamos los picos de temperatura, duración del calentamiento y el calor recibido en las cercanías del suelo durante quemas prescritas conducidas bajo un amplio rango de cargas de combustibles y condiciones meteorológicas. Usamos para ello información desde una aproximación teórica para desarrollar modelos que predicen los picos de temperatura y la dosis de calor recibido en función de parámetros meteorológicos y de carga de combustibles. Bajo las condiciones meteorológicas examinadas, las quemas más exitosas (>80 % del área objetivo quemada) ocurrieron cuando las cargas de combustibles variaron entre 350 y 1175 kg ha−1, mientras que aquellas con cargas de combustible menores <350 kg ha−1 generalmente no se propagaban, quemando menos del 60 % del área prescrita. Los picos de temperatura, la duración del calor, y las dosis de calor recibido durante las quemas en esta estepa de pastos cortos fueron: 1) menores que aquellos reportados para las praderas de pastos mixtos, 2) se incrementaron linealmente con aumentos en la carga de combustibles, y 3) fueron influenciados de manera secundaria por la velocidad del viento, la temperatura ambiente, y la humedad relativa. Comparado con el pastizal de desierto, las temperaturas alcanzadas cerca de la superficie del suelo fueron similares, aunque los picos de temperatura fueron menores y la duración del calentamiento fue mayor en las quemas realizadas en la estepa de pastos cortos. En los incendios que ocurren en esta estepa, nuestros resultados permiten predecir cuantitativamente la producción de calor en las cercanías del suelo, donde están ubicados la mayoría de los meristemas de crecimiento. Basados en esas relaciones, brindamos sugerencias para quemas prescritas para lograr metas tales como reducir la abundancia de especies no deseables y proveer de habitat a los pájaros que habitan en esa estepa.