Relating Fire-Caused Change in Forest Structure to Remotely Sensed Estimates of Fire Severity

Fire severity maps are an important tool for understanding fire effects on a landscape. The relative differenced normalized burn ratio (RdNBR) is a commonly used severity index in California forests, and is typically divided into four categories: unchanged, low, moderate, and high. RdNBR is often calculated twice—from images collected the year of the fire (initial assessment) and during the summer of the year after the fire (extended assessment). Both collection times have been calibrated to field measurements, but field data with both pre-fire and post-fire observations of matched plots are typically not available. This study uses a large network of field plots (n = 175) that was surveyed the year of and one year after a large wildfire in the central Sierra Nevada, USA, to quantify forest structure, mortality, and fire effects within fire severity categories from both the initial and extended RdNBR assessments. Most plots were classified in the same severity category in both assessments, particularly when mortality was high. Comparing initial and extended assessments, plots with lower pre-fire basal area were more likely to be classified at lower severity in the extended assessment, while plots with greater tree density were more likely to be classified at higher severity. High-severity plots had significantly greater pre-fire density of small trees. The high-severity category clearly captured stand-replacing fire effects (>95% basal area mortality, >99% tree density mortality), with typically all trees exhibiting high levels of crown consumption and scorching. In other severity categories, most large-sized and intermediate-sized trees survived, and moderate-severity fire favored survival of shade-intolerant species. Results suggest that both the initial and extended RdNBR assessments give an accurate representation of forest structural change in mixed-conifer forests following fire, particularly those of high severity.ResumenLos mapas de severidad del fuego son una herramienta importante para comprender los efectos del fuego sobre el paisaje. La diferencia relativa del rango de quema normalizado (RdNBR) es usado comúnmente como un índice de severidad en bosques de California, y es típicamente dividido en cuatro categorías: sin cambios, bajo, moderado, y alto. El RdNBR es calculado frecuentemente dos veces—en imágenes colectadas el año de ocurrencia del fuego (determinación inicial) y luego durante el verano del año posterior al incendio (determinación extendida). Ambas determinaciones se calibran con datos de campo, aunque esos datos pre fuego y post fuego de parcelas superpuestas no siempre están disponibles. En este estudio se usó una gran red de parcelas de campo (n = 175), que fue relevada el año de ocurrencia y luego el año posterior a un gran incendio ocurrido en la Sierra Nevada Central, EEUU, para cuantificar la estructura forestal, la mortalidad, y los efectos del fuego dentro de las determinaciones de categorías de severidad (RdNBR) en los períodos inicial y extendido. La mayoría de las parcelas fue clasificada en la misma categoría de severidad por ambas determinaciones, en particular cuando la mortalidad fue alta. Comparando las determinaciones iniciales y extendidas, las parcelas con menores áreas basales pre-fuego fueron clasificadas mayoritariamente como de baja severidad en la determinación extendida, mientras que las parcelas con mayor densidad arbórea fueron clasificadas mayoritariamente como de alta severidad. Las parcelas que mostraron una alta severidad tenían, previo al fuego, una densidad significativamente mayor de árboles de pequeño porte. La categoría de alta severidad claramente capturó los efectos de un fuego de renovación total del rodal (>95% de mortalidad del área basal, >99% de mortalidad relacionado a la densidad de los árboles), con todos los árboles exhibiendo típicamente altos niveles de chamuscado y consumo de sus coronas. En otras categorías de severidad, la mayoría de los árboles de tamaño grande a intermedio sobrevivieron, y una severidad moderada favoreció la sobrevivencia de especies intolerantes a la sombra. Los resultados sugieren que la determinación del RdNBR, tanto inicial como extendido, proporciona una representación certera de los cambios estructurales en bosques mixtos de coníferas después de un incendio, particularmente en aquellos de alta severidad.