Exploring the use of spectral indices to assess alterations in soil properties in pine stands affected by crown fire in Spain

Abstract

Background Forest fires have increased in extent and intensity in the Mediterranean area in recent years, threatening forest ecosystems through loss of vegetation, changes in soil properties, and increased soil erosion rates, particularly in severely burned areas. However, establishing the relationships between burn severity and soil properties that determine infiltration remain challenging. Determining where soil burn severity evaluation should be carried out is critical for planning urgent measures to mitigate post-fire soil erosion. Although previous research has indicated that spectral indices are suitable for assessing fire severity, most of the classifications used consider combined effects in vegetation and soil. Moreover, the relationship between spectral indices and soil burn severity has scarcely been explored until now. Results We selected three pine stands in Spain for study immediately after being burned by wildfires. We analyzed various soil properties (soil saturated hydraulic conductivity, mean weight diameter of soil aggregates, and soil organic carbon) in relation to six levels of soil burn severity in all three stands. In addition, we established 25 field plots in the burned areas. We computed ten spectral indices for each plot by using Sentinel-2 satellite data. The soil burn severity categories indicated the degree of degradation of important soil properties related to soil erosion susceptibility. Of the spectral indices considered, the relativized burn ratio (RBR) was the best predictor of cumulative infiltration and mean weight diameter of soil aggregates. The differenced mid-infrared bispectral index (dMIRBI) was most closely correlated with soil organic carbon content. Conclusions The findings demonstrate the potential applicability of remote sensing to determining changes in soil properties after fire. Antecedentes Los incendios forestales han incrementado en intensidad y extensión en la zona del Mediterráneo en años recientes, amenazando ecosistemas forestales a través de pérdidas de vegetación, y cambios en las propiedades e incrementos en la tasa de erosión de los suelos, particularmente en áreas severamente quemadas. Sin embargo, el poder establecer relaciones entre la severidad del fuego y las propiedades de los suelos que determinan la infiltración, es todavía un desafío. Determinar dónde debe de ser llevada a cabo la evaluación de la severidad del fuego resulta crítico para planificar medidas urgentes para mitigar la erosión del suelo en el post fuego. Aunque investigaciones previas han indicado que los índices espectrales son adecuados para determinar la severidad del fuego, la mayoría de las clasificaciones usadas consideran los efectos combinados en el suelo y la vegetación. Además, la relación entre los índices espectrales y la severidad del fuego en el suelo ha sido escasamente explorada hasta el presente. Resultados Seleccionamos tres rodales de pinos en España para ser estudiados inmediatamente después de haber sido afectados por incendios forestales. Analizamos varias propiedades de los suelos (conductividad hidráulica saturada, diámetro medio ponderado de agregados del suelo, y carbono orgánico del suelo), en relación a seis niveles de severidad del fuego sobre el suelo en los tres rodales. Adicionalmente, establecimos 25 parcelas en las áreas quemadas. Computamos diez índices espectrales para cada parcela usando datos del satélite Sentinel-2. Las categorías de severidad del fuego en el suelo indicaron el grado de degradación de propiedades importantes del suelo relacionadas con la susceptibilidad de erosión del suelo. De los índices espectrales considerados, la relación de índice de quemado (RBR) fue el mejor predictor de la infiltración acumulada y del diámetro medio de los agregados del suelo. El índice diferencial de infrarrojo-medio bi-espectral (dMIRBI) fue cercanamente correlacionado con el contenido de carbono orgánico del suelo. Conclusiones Los resultados demuestran la aplicación potencial de los sensores remotos para determinar cambios en las propiedades del suelo luego de un incendio.