| Abstract | Fires are a natural phenomenon in the ecosystem, but in recent decades they have increased in frequency and intensity and represent a natural disaster for the Mediterranean area in Croatia. In these areas, the risk of wildfires increases with rapid climate change and heat waves which amplified intensity and occurrence of wildfires. The risk of wildfires also increases with rural depopulation and land abandonment. Pile burning, a common practice used for fuel reduction, is a widely used for removing agricultural residues. Unfortunately, burning the residue degrade the soil and can sometimes lead to wildfires. After wildfires, the application of post-fire rehabilitation measures are favourable. Mulching of fire affected areas has proven to be an effective means of preventing soil degradation, especially after moderate to high fire severity. So far, in the Republic of Croatia, no sufficient multi-year studies have been conducted about soil and water response in post-fire period.
To complement this issue, two experiments were conducted in Mediterranean rural areas. Three articles were based on moderate (MS) and high (HS) severity pile burning and its effects on soil and water quality, and on runoff and erosion processes. Unburned treatment (UB) was conducted to assess the effects of burning. The last article (4) is focused on the effects of post-fire mulch degradation and its impact on increasing soil quality. It was found that pile burning has very severe effects of the soil and changes its physical and chemical properties. Vegetation regrowth was faster on MS than on HS. These results are supported with a higher concentration of nutrients produced in HS. MS affected higher runoff generation and erosion then on HS and UB, which is explained by the higher variation of slope and ash effects, and the vegetation recovery. Regarding water quality, parameters were more affected shortly after burning, while runoff and erosion were more dependent on precipitation patterns. The effects of runoff water quality were more pronounced at HS, even if the hydrological response was stronger at the MS. The UB treatment showed significant changes in runoff water quality following major rain events, which was attributed to soil saturation. The results indicate that the soils need more time to recover from the disturbance caused by pile burning, and therefore this type of management is detrimental. Pile burning was found to have adverse effects on runoff, so it is recommended that biomass should be used in other ways, especially in the context of soil and water conservation.
The second experiment is based on wildfire affected areas which spared over 900 ha in rural Mediterranean area. This study aims to evaluate the effects of two mulch treatments needles of Pinus halepensis Mill. (PM) and leaves of Olea europaea L. (OM), as compared to an unmulche control (UM) on soil quality. Both mulches improved the soil physical properties. The greatest differences were in soil chemical properties. PM showed higher efficiency in increasing soil carbon and organic matter, while OM increased soil available nutrients (K2O, and P2O5). Considering these results, on-site mulch improves soil quality however the decomposition of native mulch materials showed different effects on enhancing soil properties. It is recommended that the studied post-fire management should be implemented, although consideration should be given to whether native mulches are available in the areas affected by wildfire and scale of area affected. Overall, the data from this study aim to better understand the chemical and physical soil processes affected by post-fire mulch decomposition, which can assist land managers in determining the most appropriate soil conservation measures to mitigate undesirable post-fire responses in Mediterranean environments. Both mulch treatments increased soil nutrient content, but the effect was different due to the different types of the material. The use of native mulch is recommended because it improves soil conditions. |
| Abstract (croatian) | Požari su prirodna pojava u ekosustavu, međutim posljednjih desetljeća pojavljuju se sve češće i većeg intenziteta, te predstavljaju prirodnu katastrofu posebno za ugroženo mediteransko područje u Hrvatskoj. Požari uzrokuju promjene u fizikalnim i kemijskim karakteristikama tla, te uzrokuju promjene u hidrološkim i geomorfološkim karakteristikama zahvaćenog područja. Razumijevanje promjena u ekosustavu pod utjecajem požara, te njihov utjecaj na kvalitetu tla i vode važni su za održivost ekosustava u uvjetima sve većih klimatskih promjena. Svake godine bilježe se sve dulji i intenzivniji toplinski valovi praćeni duljim i intenzivnijim periodima suše nakon kojeg slijede intenzivne i velike količine oborina što nepovoljno djeluje na kvalitetu tla i vode. Požari otvorena prostora, pri čemu se primarno misli na šumske površine ili na napuštene poljoprivredne površine, složena su pojava u kojoj se isprepliću različita termodinamička i aerodinamička događanja. Na njih značajno utječe topografija, karakteristike vegetacije koja gori te lokalni meteorološki uvjeti na mjestu požarišta. U mediteranskom dijelu Republike Hrvatske poljoprivredna proizvodnja se zbog neisplativosti i kompleksnosti provođenja prije 70-ak godina počela premještati sa padina i izgrađenih terasa u reljefski ravnija područja, a napuštene terase sve više zahvaća (obrasta) prirodna vegetacija različite starosti. Ukoliko napuštene poljoprivredne površine (terase) nisu obnovljene unutar kratkog vremenskog razdoblja u njima dolazi do akumulacije gorivoga materijala, što direktno povećava rizik od pojave požara. Također, požari se pojavljuju na mjestima na kojima ih do sad nije bilo, a nerijetko i na već ranije zahvaćenim područjima. Do sada na prostoru Republike Hrvatske, a posebice u mediteranskom dijelu gdje su požari svake godine sve veći problem, nisu u dovoljnoj mjeri provedena višegodišnja istraživanja o procesima u tlu i vodi u post-požarnom periodu. Svrha doktorske disertacije je dati znanstveno utemeljene rezultate o utjecaju požara na degradaciju tla, potencijalnom onečišćenju tla i vode, te o utjecaju post-požarnog malčiranja tla u svrhu konzervacije tla.
Istraživanje doktorske disertacije temeljeno je na dva postavljena eksperimenta u mediteranskom području Republike Hrvatske. Istraživanja na oba eksperimenta započela su 2019. godine. Spaljivanje biomase često je primjenjiva tehnika u ruralnom mediteranskom području, posebice u proljeće ili u kasnu jesen. Nerijetko nepravilno gospodarenje i nepažnja uzrokuju požare otvorenog prostora. Upravo je ova metoda izabrana za eksperimentalno proučavanje posljedica umjerenog i jačeg gorenja na tlo i vodu. Drugi eksperiment postavljen je na lokaciji koju je zahvatio požar otvorenoga prostora, te se proširio na 900 ha poljoprivrednog i šumskog zemljišta. U uzorcima tla, vode (površinskog otjecanja) i erozije (sedimenta) detaljno su analizirana fizikalna i kemijska svojstva tla u analitičkom laboratoriju Agronomskog fakulteta. Odrediti odnos između oborina, jačine požara/gorenja i svojstva tla u odnosu na otjecanje, eroziju i gubitak hranjiva u post-požarnom periodu, utvrditi vremensku dinamiku kvalitete tla na tlima različite jačine gorenja, te nakon primjene malča i procijeniti utjecaj spaljivanja različitih količina biomase na degradaciju tla glavne su istraživačke teme ove doktorske disertacije. U istraživanje je uključeno i utvrđivanje, te dinamika obnove vegetacije. Rezultati istraživanja objavljeni su u 4 međunarodnih recenziranih časopisa iz kojih je ova doktorska disertacija kreirana, te svaki publicirani rad čini zasebni prilog.
U prvom dijelu doktorske disertacije prikazan je uvod u problematiku istraživanja te su na kraju poglavlja iznesene 3 prethodno postavljenje hipoteze i vezano za njih 3 postavljena cilja.
Drugo poglavlje sastoji se od iscrpnog pregleda literature istraživačke teme. Prvo potpoglavlje čini pregled općenitog utjecaja požara na tlo u kojem su obrazložene promjene u fizikalnim i kemijskim svojstvima tla posljedične utjecaju požara. Drugo potpoglavlje odnosilo se na utjecaj požara na kvalitetu vode. U trećem potpoglavlju stavljen je fokus na procese otjecanja i erozije u periodu nakon požara. Četvrto potpoglavlje obuhvatilo je sažeti pregled konzervacije opožarenih područja u post-požarnom periodu. U ovoj doktorskoj disertaciji primijenjena metoda bila je malčiranje opožarene površine.
U trećem poglavlju, rezultati i diskusija, naglasak je stavljen na četiri objavljena znanstvena rada koja čine okosnicu ove doktorske disertacije. Zajedno su objedinjeni i povezani rezultati, gdje su uključena saznanja proizašla iz njihove objave u prestižnim časopisima prvoga kvartila.
Prvi rad obavljen je u časopisu Agronomy na temu promjena koncentracija i ionskih oblika dušika nakon eksperimentalnog spaljivanja biomase u mediteranskom području. Dušik je esencijalan element te ima primarnu ulogu u funkcioniranju ekosustava i procesima u tlu i vodi. Iznosi gubitka sedimenta, otjecanja i gubitaka ukupnog dušika u tlu najviše su zapažene u tretmanu umjerenog gorenja. Koncentracije amonijaka i nitrata u otjecanju bile su veće u oba tretmana spaljivanja biomase u odnosu na kontrolu. Koncentracije u otjecanju bile su najviše u prva 3 mjeseca nakon spaljivanja, a u kasnijem periodu visoke koncentracije u otjecanju pratile su intenzivne i velike količine kiše. Umjereno spaljivanje imalo je veći učinak na gubitak dušika u tlu i kao i na gubitak tla (eroziju) što se može uzeti kao dobar pokazatelj degradacije tla nakon spaljivanja biomase.
Drugi rad objavljen je u časopisu Science of The Total Environment te se odnosi na promjene u fizikalnim i kemijskim svojstvima tla nakon eksperimentalnog spaljivanja biomase. Tlo je uzorkovano 5 dana, te 2, 8, 12 i 15 mjeseci nakon spaljivanja biomase. Također, u ovome radu za vrijeme svakog periodičnog uzorkovanja tla, fotografiran je vegetacijski pokrov te je izračunata postotna pokrivenost pokrovom. Rezultati su pokazali da je obnova vegetacije bila značajno najviša na tretmanu spaljivanja veće količine biomase. Tretman jačeg gorenja utjecao je na veću degradaciju tla što se pokazalo u narušenim fizikalnim svojstvima tla. Oba tretmana spaljivanja biomase nisu značajno utjecala na promjene koncentracije organske tvari u tlu. Ujedno tretman jačeg gorenja utjecao je na povećanje ukupnih koncentracija kalcija u tlu, dok su se ukupne koncentracije aluminija, silicija i željeza u tlu smanjile na istom tretmanu. Zapaženo je i povećanje biljci pristupačnog fosfora (P2O5) 3 mjeseca i biljci pristupačnog kalija (K2O) 5 dana nakon spaljivanja biomase. Utjecaj spaljivanja biomase na tlo definiran je kao složen bez jednosmjernog zaključka, te su sva svojstva reagirala drugačije pod različitim jačinama gorenja. Međutim, nakon 15 mjeseci na oba tretmana različite jačine gorenja zapaženo je približavanje svojstava tla stanju prije gorenja, što je vidljivo prema rezultatima tretmana kontrole. Iako spaljivanje biomase zahvaća relativno malu površinu tla zbog izrazito negativnog utjecaja na tlo preporučljivo je izbjegavanje spaljivanja te korištenje biomase na drugi način.
U trećem radu stavljen je naglasak na kvalitetu vode otjecanja nakon eksperimentalnog spaljivanja biomase. Ovaj rad objavljen je u časopisu Catena. U radu su prikazane koncentracije aniona i kationa u otjecanju tijekom perioda od dvije godine. Uzorci površinskog otjecanja i sedimenta prikupili su se 22 puta nakon pojave većih oborina. Također, u radu su prikazani podaci otjecanja i nanosa sedimenta te su povezani s intenzitetom i količinom kiše. Parametri kvalitete vode pokazivali su veće koncentracije iona neposredno nakon spaljivanja i u prvim mjesecima, dok su vrijednosti otjecanja i erozije bile veće i ovisile o oborinama tijekom cijelog perioda uzorkovanja. Sadržaj ukupnog ugljika u sedimentu bio je najveći u tretmanu jačeg gorenja. Što se tiče volumena otjecanja i erozija veće koncentracije zabilježene su na tretmanu umjerenog spaljivanja što se pripisalo utjecaju vegetacijskog pokrova. Prema dobivenim rezultatima zaključeno je da spaljivanje biomase ima negativni utjecaj na kvalitetu tla, te se ne preporuča spaljivanje biomase kako bi se spriječilo onečišćenje te zaštitila kvaliteta tla i vode.
Četvrti rad odnosio se na gospodarenje i stabilizaciju tla opožarenog područja, te je rad objavljen u časopisu Agronomy. Kao mjera ublažavanja posljedica požara korištena je tehnika malčiranja tla Cilj istraživanja je bio utvrditi utjecaj dva tipa malča prikupljenih direktno na opožarenoj lokaciji. Korištene su vrste malča sačinjene od iglica alepskog bora i malč od lišća masline. Istraživanje je provedeno u trajanju od 15 mjeseci, a uzorci tla prikupljeni su svakih 3 mjeseca. Oba malča utjecala su na povećanje kvalitete tla u odnosnu na nemalčiranu opožarenu površinu. Malč iglica alepskog bora utjecao je povećanje ukupnih koncentracija ugljika, sumpora i organske tvari tla, dok je malč masline utjecao na povećanje koncentracija biljci pristupačnog fosfora (P2O5) i kalija (K2O). Primjena malča preporuča se za stabilizaciju tla te opće povećanje kvalitete tla u periodu nakon požara.
U četvrtom poglavlju zaključci su objedinjeni, te sadrže nove znanstvene spoznaje. U ovom poglavlju sažeti su i dani jasni i znanstveno utemeljeni odgovori na postavljene hipoteze i ciljeve cijelog istraživanja. Svi zaključci utemeljeni su prema prethodno dobivenim vlastitim rezultatima istraživanja. Hipoteza 1., te povezani cilj 1. prihvaćeni su te su sukladno objašnjeni pomoću analiziranih najprikladnijih parametara. Hipoteza 2., te povezani cilj 2. na temu utjecaja malča prihvaćeni su te popratno objašnjeni pomoću utjecaja razgradnje organskog pokrova tla. Hipoteza 3., te povezani cilj 3. nisu prihvaćeni zbog toga što su rezultati sa oba eksperimenta ukazali na negativne posljedice spaljivanja biomase i požara na kvalitetu tla. Vegetacija se brže oporavila na tretmanu jačeg spaljivanja nego na tretmanu umjerenog spaljivanja zbog veće akumulacije biljci pristupačnih hranjiva na tretmanu spaljivanja veće količine biomase. No ujedno, na tretmanu jačeg spaljivanja zamijećene su veće negativne posljedice u fizikalnim svojstvima tla koja su pokazatelj kvalitete tla. |
