The legacy of fire: long-term changes to the forest understory from periodic burns in a New England oak-hickory forest

Abstract

Background Over the last century, fire exclusion has caused dramatic structural and compositional changes to southern New England forests, highlighting the need to reintroduce fires into the historically pyrogenic landscape to study the response. We investigated the effects of a single overstory thinning and midstory removal to create an open oak-hickory woodland structure, followed by repeated prescribed burns. We hypothesized that burning would create greater floristic diversity comprising fire-tolerant woody regeneration and shade-intolerant herbaceous flora. We followed shifts in plant structure, composition, and diversity over a 23-year period, using a before-after-control-impact design with data collected once prior to burning and twice after burn treatments had begun and with soil samples collected after nearly 20 years of burning. Results We observed a dense ingrowth of saplings on unburned plots that were largely absent from burned plots and a shift in midstory composition to favor mesic sweet birch ( Betula lenta L.) in the unburned treatment, as opposed to the hickories ( Carya Nutt. spp.) and oaks ( Quercus L. spp.) that dominated the burned treatment. Burning resulted in a significantly greater density, richness, Shannon diversity, and evenness of understory vegetation (forbs, shrubs, tree seedlings). These four measures remained high on burned plots, despite a decrease in both floristic diversity and evenness on unburned plots and a reduction in unburned site-level richness. Understory composition varied significantly by year and burn treatment, with unburned plots largely characterized by shade-tolerant species while burned plots showed an enhanced abundance of heliophilic plants. Conclusions Our results suggest that periodic burning increases nutrient microsite heterogeneity and periodically maintains greater understory light, both of which in turn increase understory plant density and diversity and cause a shift in understory composition. This study shows that repeated prescribed burns in an open New England woodland have lasting structural and compositional effects capable of restoring pre-settlement, pyrogenic vegetation patterns. Antecedentes Durante la última centuria, la exclusión del fuego ha causado cambios dramáticos en la estructura y composición en los bosques del sur de Nueva Inglaterra, subrayando la necesidad de reintroducir los fuegos en ese paisaje históricamente pirógeno para estudiar su respuesta. Investigamos los efectos de un único raleo de copas y remoción del estrato medio para crear un bosque de estructura abierta de roble-nogal, seguido de repetidas quemas prescriptas. Hipotetizamos que las quemas podrían crear una mayor diversidad florística que comprenda una regeneración de leñosas tolerantes al fuego y una flora intolerante a la sombra. Seguimos los cambios en la estructura de las plantas, composición y diversidad por un período de treinta y tres años, usando un diseño de control de impactos antes post tratamientos, con datos colectados una vez previo a la quema y dos veces luego de comenzado el tratamiento, y con muestras de suelo colectadas casi veinte años después de las quemas. Resultados Observamos un denso crecimiento de plántulas en parcelas no quemadas que estuvieron ausentes en las parcelas quemadas, y un cambio en la composición del estrato medio que favoreció al abedul dulce ( Betula lenta L.) en el tratamiento no quemado, en oposición a los nogales ( Carya Nutt. spp.) y robes ( Quercus L. spp.), que dominaron en el tratamiento quemado. El tratamiento quemado resultó en una mayor densidad. riqueza, diversidad de Shannon y equitatividad en la vegetación del sotobosque (hierbas, arbustos, y plántulas de árboles). Estas cuatro medidas permanecieron altas en las parcelas quemadas, a pesar del decrecimiento tanto en diversidad florística y equitatividad en las parcelas no quemadas y en la reducción de la riqueza a nivel de sitio en parcelas no quemadas. La vegetación del sotobosque varió significativamente en función de los años y del tratamiento de quema, con las parcelas no quemadas largamente caracterizadas por especies tolerantes a la sombra mientras que las parcelas quemadas mostraron una mayor abundancia de especies heliófilas. Conclusiones Nuestros resultados sugieren que las quemas periódicas incrementan la heterogeneidad de los nutrientes en los micrositios y mantienen periódicamente mayor luz en el sotobosque, ambos incrementando en el tiempo la densidad y diversidad de plantas y causando cambios en la composición del sotobosque. Este estudio muestra que quemas prescriptas repetidas en un bosque abierto de Nueva Inglaterra tienen efectos estructurales y composicionales duraderos capaces de restaurar los patrones pirógenos de la vegetación anteriores a la colonización.