Predicting wildfire impacts on the prehistoric archaeological record of the Jemez Mountains, New Mexico, USA

Abstract

Background Wildfires of uncharacteristic severity, a consequence of climate changes and accumulated fuels, can cause amplified or novel impacts to archaeological resources. The archaeological record includes physical features associated with human activity; these exist within ecological landscapes and provide a unique long-term perspective on human–environment interactions. The potential for fire-caused damage to archaeological materials is of major concern because these resources are irreplaceable and non-renewable, have social or religious significance for living peoples, and are protected by an extensive body of legislation. Although previous studies have modeled ecological burn severity as a function of environmental setting and climate, the fidelity of these variables as predictors of archaeological fire effects has not been evaluated. This study, focused on prehistoric archaeological sites in a fire-prone and archaeologically rich landscape in the Jemez Mountains of New Mexico, USA, identified the environmental and climate variables that best predict observed fire severity and fire effects to archaeological features and artifacts. Results Machine learning models (Random Forest) indicate that topography and variables related to pre-fire weather and fuel condition are important predictors of fire effects and severity at archaeological sites. Fire effects were more likely to be present when fire-season weather was warmer and drier than average and within sites located in sloped, treed settings. Topographic predictors were highly important for distinguishing unburned, moderate, and high site burn severity as classified in post-fire archaeological assessments. High-severity impacts were more likely at archaeological sites with southern orientation or on warmer, steeper, slopes with less accumulated surface moisture, likely associated with lower fuel moistures and high potential for spreading fire. Conclusions Models for predicting where and when fires may negatively affect the archaeological record can be used to prioritize fuel treatments, inform fire management plans, and guide post-fire rehabilitation efforts, thus aiding in cultural resource preservation. Antecedentes Incendios de severidades no características, como consecuencia del cambio climático y la acumulación de combustibles, pueden causar impactos amplificados y novedosos en recursos arqueológicos. El registro arqueológico está compuesto de características físicas asociadas con la actividad humana; estos existen dentro de paisajes ecológicos y proveen de una perspectiva única, a largo plazo, de las interacciones humano-ambientales. El potencial del fuego para dañar materiales arqueológicos es muy preocupante debido a que esos recursos son irreemplazables y no renovables, tienen significados sociales y religiosos para los seres humanos, y son protegidos por un cuerpo de legislación bien extenso. Aunque estudios previos han modelado la severidad ecológica del fuego en función de variables ambientales y climáticas, la fidelidad de esas variables como predictoras de los efectos del fuego en sitios arqueológicos no han sido evaluadas. Este estudio, focalizado en sitios prehistóricos arqueológicos en un lugar propenso al fuego en un paisaje arqueológicamente rico de la Montañas Jemez en Nuevo México, EEUU, determinó las variables ambientales y climáticas que mejor predijeron la severidad observada y los efectos del fuego en las características y artefactos arqueológicos. Resultados Los modelos de aprendizaje automático ( Machine learning models, Random Forest ) indican que la topografía y las variables relacionadas con el tiempo meteorológico previo al incendio y las condiciones de los combustibles, son importantes predictores de los efectos del fuego y su severidad en sitios arqueológicos. Los efectos del fuego más probables que estuvieron presentes en estos sitios se dieron cuando el tiempo meteorológico durante la estación de fuego fue más cálido y seco que el promedio, y éstos estaban ubicados en áreas con pendiente y arbolados. Los predictores topográficos fueron muy importantes para distinguir áreas no quemadas, moderadamente quemadas y quemadas a alta severidad tal como fueron determinadas en relevamientos arqueológicos post-fuego. Los impactos de la alta severidad fueron más frecuentes en sitios arqueológicos con orientación sur o en pendientes cálidas y pronunciadas, con menor acumulación de humedad superficial y con un alto potencial de propagación del fuego. Conclusiones Los modelos para predecir cuándo y cómo los incendios pueden afectar negativamente los registros arqueológicos, pueden usarse para priorizar los tratamientos de combustible, guiar los esfuerzos de rehabilitación post-fuego, e informar sobre el planeamiento del manejo del fuego, ayudando entonces a la preservación del recurso cultural.