The Influence of Fire on the Radiocarbon Signature and Character of Soil Organic Matter in the Siskiyou National Forest, Oregon, USA

Forest fires contribute a significant amount of CO2 to the atmosphere each year, and CO2 emissions from fires are likely to increase under projected conditions of global climate change. In addition to volatilizing aboveground biomass and litter layers, forest fires have a profound effect on belowground carbon (C) pools and the cycling of soil organic matter as a whole. However, the influence of fire on belowground organic matter cycling is not well defined and varies widely with fire severity. We measured soil organic matter (SOM) characteristics across a range of fire severities two years after the 2002 Biscuit Fire in southwest Oregon, USA, to address the following questions: (1) Which C pools are preferentially volatilized or transformed to charcoal under low-severity and high-severity fire? (2) How does fire change the distribution of SOM among density fractions and depths? (3) How does fire affect the general character of SOM including such variables as abundance, C:N ratio, 13C abundance, and 14C abundance? We examined soils from a mixed hardwood-evergreen forest across a range of burn severities: unburned, low severity, mixed severity, and high severity. Results indicated that increasing burn severity led to progressive loss of forest floor mass, but not to progressive loss of C from the mineral soil. Although fire significantly increased the charcoal content of the soils, fire did not significantly change the distribution of soil organic matter between heavy and free or light fractions. Other significant changes in soil organic matter characteristics included a progressive increase in nitrogen (N) with increasing burn severity, possibly due to the encroachment of N-fixing shrubs following the loss of native vegetation. Although qualitative changes in total root abundance following fire were noted, differences among burn severity treatments were not statistically significant. Increased concentrations of rock fragments in burned areas may be suggestive of erosion in these areas, consistent with previous studies documenting varying degrees of soil erosion following fire. In addition, although 13C abundances were similar among severely burned and unburned plots, soils from severely burned plots were significantly depleted in 14C in comparison to soils from unburned plots. This 14C depletion is most likely the combined result of erosion and preferential combustion of organics enriched in 14C relative to the bulk soil, perhaps reflecting a historical pattern of fire occurrence and severity across the landscape.ResumenLos incendios forestales contribuyen significativamente al incremento anual de CO2 en la atmósfera, y es probable que las emisiones de CO2 provenientes de estos incendios incrementen en las condiciones proyectadas de cambio climático global. Además de volatilizar la biomasa superficial y la hojarasca, los incendios forestales tienen un profundo efecto sobre los depósitos de carbono (C) subterráneo y en el ciclo de la materia orgánica. Sin embargo, la influencia de los incendios en el ciclo de la materia orgánica subterránea no ha sido totalmente comprendida y varía mucho en función de la severidad de cada incendio. En este estudio medimos las características de la materia orgánica del suelo (MOS) en un rango diverso de severidades de fuego dos años después del incendio Biscuit, ocurrido en 2002 en el sureste de Oregon, en los EUA y formulamos las siguientes preguntas: (1) ¿Cuáles depósitos de C son volatilizados o transformados en carbono vegetal bajo incendios de alta y baja severidad? (2) ¿A raíz del incendio, cómo cambia la distribución de la SOM en sus distintas fracciones en cuanto a densidad y profundidad del suelo? (3) ¿Cómo afecta el incendio el carácter general de la SOM incluyendo aquellas variables como abundancia, relación C:N, y abundancia de 13C y 14C? Examinamos suelos provenientes de bosques perennifolios mixtos de crecimiento lento a lo largo del siguiente rango de severidades de fuego: sin quemar, baja, mixta y alta. Los resultados indicaron que el incremento en la severidad del incendio lleva a la pérdida progresiva de la masa del suelo forestal, pero no a pérdidas progresivas de carbono en el suelo mineral. Aunque el incendio incrementó significativamente el contenido de carbono en el suelo, no produjo cambios significativos en la MOS en sus distintas fracciones. Otros cambios significativos en las características de la MOS incluyeron un incremento progresivo en el nitrógeno (N) a medida que aumentó la severidad, debido posiblemente al incremento en arbustos fijadores de nitrógeno después de la pérdida de vegetación nativa. Aunque los cambios cualitativos en la abundancia total de raíces fueron notables después del incendio, éstos no fueron significativos entre los distintos niveles de severidad. Los incrementos observados en la concentración de fragmentos de rocas en áreas quemadas podrían sugerir procesos erosivos, lo que ha sido documentado anteriormente por estudios previos. Aunque la abundancia de 13C fue similar en parcelas quemadas y no quemadas, el 14C en las parcelas quemadas severamente disminuyó significativamente en relación a las parcelas no quemadas. Este agotamiento en el 14C es probablemente el resultado de los efectos combinados de la erosión y la combustión de compuestos orgánicos enriquecidos con 14C y relativos a la masa total del suelo, que probablemente reflejen el patrón histórico de incidencia y la intensidad de los incendios en el paisaje.