Testing vegetation flammability : examining seasonal and local differences in six mediterranean tree species

Abstract

Fire is an important factor controlling vegetation structure, with 40% of terrestrial ecosystems owing their distribution and ecological properties to the accompanying fire regime. In recent decades climate and land use change led to shifts in fire regimes rendering ecosystems more vulnerable to fire. The greatest effects of these changes are expected in the Mediterranean regions. Vegetation is the only factor affecting fire regime which can be directly managed. Promotion of less flammable species is considered to be a valid management option for reducing negative consequences of wildland fires, but reliable information on vegetation flammability and its fluctuations is still lacking. This study strived to bring new insight on the relationship between environmental conditions, fluctuations of morphological characteristics, physiological activity and measured flammability related parameters of Mediterranean tree species. Only a small part of the field study data is included in the final thesis. The field study was conducted from May to October 2010 in the Mediterranean biogeographic region of Croatia, where three sampling locations were positioned along a climate gradient. Selected species included: Aleppo pine (Pinus halepensis Mill.), Holm oak (Quercus ilex L.), olive (Olea europaea L.), carob (Ceratonia siliqua L.), pomegranate (Punica granatum L.), and strawberry tree (Arbutus unedo L.). If possible, all the species were sampled on all the locations during each sampling event. Presented results include: results of the leaf litter flammability method pretesting, regular measurements on leaf litter samples, and monthly measurements on fresh leaf samples. P. granatum samples were not included in the method pretesting, instead laurel (Laurus nobilis L.), mastic (Pistacia lentiscus L.) and Japanese mock orange (Pittosporum tobira Thunb.) were sampled in order to increase the diversity of the materials included. All measured traits of leaf litter) are reported and the relationships between them examined. For fresh leaves only ignition related traits and moisture content results are presented, the relationship between them is examined, and potential effects of the Keetch-Byram drought index on these parameters are explored. Initially, the application of already established epiradiator based methods was intended. Nevertheless, method pretesting identified several flaws of established methods. It revealed that an epiradiator is not a stabile heat source as previously thought, recognising a need for monitoring and stabilizing epiradiator temperature to ensure similar heat exposure at the beginning of each tests. Furthermore, pretesting results demonstrated that materials that rarely flame under certain testing conditions can readily flame if testing conditions are slightly altered, thus challenging the presumption that low ignition frequency always corresponds to low fire danger (flammability) – a basic presumption of the vegetation flammability tests. Results of leaf litter flammability testing showed that properties of the leaf litter particles significantly change within the fire season, and indicated that species specific weathering and decomposition could play an important role in these changes. They demonstrated that a change in a single leaf trait can have opposite effects on different flammability parameters, and that these relationships are dependent on the incoming heat flux. Results of fresh leaves testing identified phenological changes as important factor governing fluctuation of moisture content and ignition related parameters, and showed that the relationship between drought indices and moisture content is not limited to shallow rooting species. They challenged the presumption that increasing leaf thickness is related to “fire retardance” – a relationship found if samples are tested outside their natural moisture content range. Instead, this study, in which fresh leaves were tested within their natural moisture content range, implies that higher sclerophylly is related to higher ignition frequency, indicating an opposite trend and confirming the importance of moisture content as one of the most important factors governing fire behaviour of the materials. All the gathered data indicated that, O. europaea, Q. ilex and P. halepensis exhibit higher tendency to ignite than C. siliqua and P. granatum; A. unedo showed high variation in ignition related parameters. Nevertheless, ignition related parameters reveal only a part of the information on fire behaviour of the material. Overall results demonstrated that the experimental setup can have tremendous impacts on the results of flammability tests, thus data interpretation should be done with caution. Furthermore, instead of attributing single flammability scores based on all measured parameters, interpretation of test results in relation to their influence on fire behaviour is advocated.

Feuer ist ein wichtiger Kontrollfaktor für die Vegetationsstruktur. Etwa 40% aller terrestrischen Ökosysteme werden durch das Feuerregime beeinflusst. In den letzten Jahrzehnten führten Klima- und Flächennutzungsänderung zu Verschiebungen in den Feuerregimen und machen Ökosysteme anfälliger für Brände. Besonders im Mittelmeerraum sind weitreichende Auswirkungen zu erwarten. Die Vegetation stellt den einzigen Faktor dar, über den das Feuerregime direkt beeinflussbar ist. Die Förderung von gering entflammbaren Pflanzenarten kann eine Maßnahme sein, um die negativen Folgen von Waldbränden zu reduzieren. Aber zuverlässige Informationen über die Entflammbarkeit und deren Schwankungen fahlen. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, neue Erkenntnisse zum Zusammenhang zwischen Umweltbedingungen, morphologischen Eigenschaften, physiologischer Aktivität und Entflammbarkeits-Parametern mediterraner Baumarten zu gewinnen. Hier ist ein Teil der Freilandstudien Daten presentiert. In Freilandstudien wurde die in situ Reaktion ausgewählter Baumarten auf lokale Wetter und Klimabedingungen beurteilt. Dazu wurden drei Versuchsflächen in der mediterranen Region Kroatiens entlang eines Klimagradienten angelegt und von Mai bis Oktober 2010 beprobt. Die untersuchten Arten sind: Aleppo-Kiefer (Pinus halepensis Mill.), Steineiche (Quercus ilex L.), Olive (Olea europaea L.), Johannisbrot (Ceratonia siliqua L.), Granatapfel (Punica granatum L.) und Erdbeerbaum (Arbutus unedo L.). So weit möglich, wurden alle Arten in jeder Beprobung erfasst. Die Ergebnisse eines methodischen Vorversuchs der Laub-Entflammbarkeit, wiederkehrender Messungen von Laubproben, und monatlicher Messungen von frischen Blattproben werden präsentiert. Laubproben von P. granatum sind im methodischen Vorversuch nicht enthalten, stattdessen wurden Lorbeer (Laurus nobilis L.), Mastixstrauch (Pistacia lentiscus L.) und Chinesischer Klebsame (Pittosporum tobira Thunb.) beprobt. Alle erfassten Parameter der Laubstreu werden vorgestellt. Für frisches Blattmaterial wurden Entflammbarkeits-Parameter und Feuchtegehalt in Beziehung zum Keetch-Byram Trocknis-Index gesetzt. Ursprünglich war beabsichtigt, bereits etablierte, Epiradiator-basierte Methoden anzuwenden. Die methodischen Vorversuche haben jedoch einige gravierende Fehler der etablierten Methoden aufgezeigt. Sie zeigten, dass ein Epiradiator keine verlässliche und stabile Wärmequelle darstellt. Somit ist eine kontinuierliche Beobachtung und Stabilisierung der Epiradiator-Temperatur notwendig. Weiterhin zeigten die Vorversuche, dass Materialien, die unter bestimmten Versuchsbedingungen nur selten entflammen, bei geringfügig geänderten Testbedingungen schnell entzünden. Dies stellt eine Grundannahme von Entflammbarkeitstests in Frage: dass nämlich eine niedrige Entzündungs-Frequenz einer niedrigen Brandgefahr (Entflammbarkeit) entspräche. Die Ergebnisse der Entflammbarkeitsversuche mit Laubstreu zeigten, dass die sich Eigenschaften der Laubpartikel innerhalb der Waldbrandsaison signifikant verändern. Bei diesen Veränderungen spielen die artenspezifische Verwitterung und Zersetzung eine wichtige Rolle. Sie zeigten ferner, dass eine Veränderung einer einzigen Blatteigenschaft gegensätzliche Effekte auf verschiedene Entflammbarkeitsparameter haben kann. Die Ergebnisse der Versuche mit frischen Blättern identifizierten phänologische Veränderungen als wichtigen Faktor, der Schwankungen von Feuchtigkeitsgehalt und Entzündungs-relevanten Parametern regelt. Ferner zeigten sie, dass die Beziehung zwischen Dürreindizes und Feuchtigkeitsgehalt nicht auf flachwurzelnde Arten beschränkt ist. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu der Behauptung, dass eine hohe Blattdicke feuerhemmend wirkt – ein Zusammenhang, der bei Untersuchungen der getrockneten Blätter beobachtet wird. Stattdessen implizieren die Ergebnisse der vorliegenden Studie, in der frische Blätter innerhalb des Bereiches ihrer natürlichen Feuchtigkeitsgehalte getestet wurden, dass ein höherer Hartlaubanteil eine höhere Entzündungshäufigkeit nach sich zieht. Dies verdeutlicht die Relevanz des Feuchtigkeitsgehaltes als einen der wichtigsten Faktoren, der das Brandverhalten beeinflusst. Die gewonnen Daten belegen, dass O. europaea, Q. ilex und P. halepensis tendenziell schneller entzündlich sind als C. siliqua und P. granatum; die erfassten Entzündungsparameter für A. unedo variierten sehr stark. Jedoch ergibt sich aus den Entzündungs-relevanten Parametern nur ein Teil der Information über das Brandverhalten der untersuchten Materialien. Zusammenfassend belegt die vorliegende Arbeit, dass der Versuchsaufbau einen enormen Einfluss auf die Messergebnisse und Folgerungen von Entflammbarkeitstest hat. Frühere Daten sollten daher mit Vorsicht interpretiert werden. Darüber hinaus wird empfohlen, statt einer Einstufung von Arten in einzelne Entflammbarkeitsstufen eine Bewertung von Testergebnissen anhand ihrer Bedeutung für das Verhalten im Brandfall vorzunehmen.