Development and participatory evaluation of fireline intensity and flame property models for managed burns on Calluna-dominated heathlands

Abstract

BackgroundPrescribed burning plays an important role in the management of many ecosystems and can also be used to mitigate landscape-scale fire risk. Safe and effective application of prescribed fire requires that managers have a robust understanding of potential fire behavior in order to decide on the appropriate tools and tactics for any burning operation. Shrubland ecosystems, including heaths and moors, are known to exhibit intense fire behavior under marginal burning conditions under which fire would not be expected to spread in other vegetation types. This makes developing fire behavior predictions for such systems important. Traditional managed burning is widely used as a tool in Calluna vulgaris (L.) Hull-dominated heath and moorland landscapes in northwest Europe, but in some regions, especially the United Kingdom, there is significant debate over fire use. Despite the controversy, there is general agreement on the need to (1) understand relationships between fuel structure and potential fire behavior, and (2) improve burning practice to optimize potential trade-offs between different ecosystem services. Our aim was to provide knowledge to improve management practice by developing models of potential fireline intensity and flame length. We conducted 27 burns in three developmental stages of Calluna with different stand structures and estimated fireline intensity, flame length, flame height, and flame angle. Flame properties were assessed using photographs and visual observation. We evaluated our models using a participatory research approach for which conservation and land managers submitted basic observations on fire behavior and fire weather for their burns.ResultsFireline intensity and flame height increased significantly across age-related Calluna phases. Regression modeling revealed that fireline intensity could be adequately estimated by a combination of fuel height and wind speed, with taller fuels and higher wind speeds related to more intense fires. Predictions were, however, improved by accounting for live fuel moisture content. Flame length and height were modeled as a function of fireline intensity using standard approaches, but adequately performing models for flame angle could not be established. Evaluation data provided by land managers was noisy, but their qualitative assessments of fire behavior and estimates of flame length were significantly correlated with predictions from our models.ConclusionsFire intensities and flame properties seen in northern Calluna heathlands are similar to those encountered in shrublands associated with climates and fuels more commonly perceived as representing high fire danger. The results demonstrated that our models perform tolerably well although there is substantial uncertainty in their predictions. The models were used to develop a fire behavior nomogram that can provide an indication of potential fireline intensity and flame length prior to commencing a burn.ResumenAntecedentesLas quemas prescriptas juegan un rol importante en el manejo de varios ecosistemas y pueden también ser usadas para mitigar el riesgo de incendio a escala de paisaje. La aplicación efectiva y segura del fuego prescripto requiere que quienes lo aplican tengan un conocimiento robusto del comportamiento potencial del fuego para poder decidir sobre las tácticas y herramientas apropiadas en cualquier operación de quema. Los ecosistemas de arbustales, incluyendo brezales y páramos, son conocidos por exhibir un comportamiento de fuego intenso en condiciones marginales, bajo las cuales el fuego no se propagaría en otros ecosistemas. El manejo tradicional de quemas es ampliamente usado como una herramienta de manejo en Calluna vulgaris (L.) Hull dominados por brezales y páramos en el noroeste de Europa, aunque en algunas regiones, especialmente en el Reino Unido, hay un debate significativo sobre el uso del fuego. A pesar de esa controversia, hay un consenso general sobre: 1) entender las relaciones entre estructura del combustible y comportamiento potencial del fuego, y 2) mejorar las prácticas de quemas para optimizar el potencial balance entre diferentes servicios ecosistémicos. Nuestro objetivo fue proveer del conocimiento para mejorar las prácticas de manejo mediante el desarrollo de modelos de intensidad de línea y longitud de llama. Condujimos 27 quemas en tres estados de desarrollo de Calluna en stands con diferentes estructuras, y estimamos intensidad de línea, longitud de llama, altura de llama, y ángulo de llama. Evaluamos nuestro modelo mediante la aproximación a una investigación participativa para la cual conservacionistas y manejadores de tierras enviaron observaciones básicas sobre comportamiento y meteorología del fuego de sus quemas.ResultadosLa intensidad de línea y la altura de llama se incrementaron significativamente a través de las fases relacionadas con la edad de Calluna. Los modelos de regresión revelaron que la intensidad de línea puede ser adecuadamente estimada mediante una combinación de la altura del combustible y la velocidad del viento, con combustibles más altos y mayores velocidades de viento relacionadas con fuegos más intensos. Las predicciones fueron por supuesto mejoradas cuando se tuvo en cuenta la humedad del combustible vivo. La longitud y altura de llama fueron modeladas usando aproximaciones standard, aunque aun usando modelos adecuados no fue posible establecer el ángulo de llamas. La evaluación de los datos provistos por manejadores de tierras fue intrincado, aunque las determinaciones cualitativa del comportamiento del fuego y las estimaciones de longitud de llama se correlacionaron significativamente con predicciones de nuestros modelos.ConclusionesLas intensidades de fuego y las propiedades de las llamas observadas en los brezales de Calluna del norte son similares a aquellos encontrados en arbustales asociados con climas que se perciben como representativos de un alto grado de peligro. Los resultados demostraron que nuestros modelos se comportan de manera aceptable, aunque hay cierto grado de incertidumbre en sus predicciones. Los modelos fueron usados para desarrollar un nomograma de comportamiento que puede proveer una indicación de la intensidad potencial de la línea de fuego y de la longitud de llama antes de comenzar con la quema.