El fuego en el norte de la Patagonia Andina: entendiendo sus controles biofísicos para proyectar el régimen de incendios ante escenarios de cambio climático

Abstract

El norte de la Patagonia Andina presenta un paisaje sujeto a fuego. Con el cambio climático se espera que en esta región aumente la temperatura y disminuya la precipitación, lo cual aumentaría notablemente la incidencia de incendios. En este contexto es de vital importancia avanzar en el entendimiento sobre los diversos factores que controlan el fuego, para así poder anticiparnos a los cambios que se esperan en el régimen de incendios. Para ello resulta necesario, además, desarrollar modelos que representen y simulen estos procesos para así proyectar el régimen de incendios ante condiciones ambientales cambiantes. En esta tesis estudiamos cómo los factores físicos (clima y topografía), la vegetación y la presencia humana controlan el fuego en esta región, desarrollamos modelos que permiten simular el régimen de incendios, y realizamos proyecciones de incidencia del fuego bajo escenarios de clima futuro. Previo al desarrollo de modelos de simulación, abordamos el estudio de los controles físicos y bióticos del fuego a dos escalas. A escala de sitio, evaluamos cómo el contrastante microclima de comunidades vegetales aledañas regula la humedad del combustible, contribuyendo a diferencias en inflamabilidad. Y a escala de paisaje, analizamos cómo el clima y la topografía regulan la incidencia del fuego interactuando con la vegetación. En el norte de la Patagonia Andina dos tipos de comunidades dominan el paisaje: matorrales, de relativamente alta inflamabilidad y dominados por especies rebrotantes, y bosques, de menor inflamabilidad y con baja resiliencia al fuego. Sus diferencias en inflamabilidad se deben en gran parte a su contrastante estructura: los matorrales presentan mayor cantidad y continuidad de combustibles finos. Comparando bosques y matorrales aledaños, encontramos que, además, los bosques presentan un microclima más frío y húmedo que los matorrales, en donde la humedad de combustibles muertos es mayor. De esta manera, su menor inflamabilidad se puede explicar por su menor cantidad y continuidad de combustibles finos, pero también por una mayor humedad del combustible muerto. La menor inflamabilidad de los bosques también se refleja en una menor incidencia del fuego cuando el proceso se estudia a escala de paisaje. Sin embargo, a esta escala, otros factores pueden confundir el efecto de la vegetación. Por ejemplo, los bosques tienden a ocupar las zonas de mayor precipitación y altitud (menor temperatura), y los matorrales ocupan las zonas más cercanas a poblados, expuestos a una mayor frecuencia de igniciones. Para poder modelar el régimen de incendios controlando por las variables adecuadas, evaluamos cómo la topografía y la precipitación media anual controlan el fuego interactuando con la vegetación. Mapeamos todos los incendios ocurridos en un período de 24 años (1999-2022) en el norte de la Patagonia Andina (39° a 44.5° S), y evaluamos cómo variaba la probabilidad de que las celdas se hubieran quemado en todo el período en función de características ambientales. Encontramos que la incidencia de incendios disminuye con la altitud y con la precipitación, pero el efecto de la precipitación en gran parte se debe a cómo se ordenan comunidades de estructura contrastante a lo largo del gradiente: los tipos de vegetación con mayor cantidad y continuidad de combustible fino y menor humedad intrínseca del combustible se presentaron en zonas de precipitación baja e intermedia. A su vez, detectamos un claro efecto unimodal de la productividad, tanto dentro como entre comunidades. Partiendo del entendimiento sobre cómo distintos factores controlan la incidencia del fuego desarrollamos un simulador del régimen de incendios, compuestos por tres modelos espacialmente explícitos: ignición, escape y propagación. Los modelos fueron definidos en tiempo y espacio discretos, con una resolución espacial de 30 m y temporal de 14 días. Las igniciones pueden ser causadas por rayos o por actividad humana, y una vez que ocurren pueden quemar completamente la celda original y escapar de ella. Dado el escape, el modelo de propagación regula cómo se contagia fuego celda a celda. En todos los modelos se incluyeron efectos de las condiciones atmosféricas, utilizando el índice de peligrosidad Fire Weather Index, la vegetación (tipo de vegetación y su productividad) y la topografía. Además, en los modelos de ignición por humanos y escape se consideró la distancia al poblado y al camino más cercanos, y en el modelo de propagación se incluyó el efecto del viento. Para estimar los modelos de ignición y escape utilizamos los registros de focos del Parque Nacional Nahuel Huapi, mientras que el modelo de propagación fue estimado utilizando los polígonos de incendios mapeados para el objetivo anterior. En los tres modelos hallamos un claro efecto del clima, indicando que a mayor FireWeather Index (mayor temperatura, menor humedad del aire, menor precipitación y mayor velocidad del viento) la probabilidad de ignición, escape y propagación aumentan. Encontramos que, si bien las igniciones humanas son más frecuentes que las causadas por rayos, las últimas tienen mayor probabilidad de escape por ocurrir lejos de caminos, en donde el control temprano es dificultoso. Con estos modelos proyectamos la incidencia del fuego en el Parque Nacional Nahuel Huapi para los períodos 2040-2049 y 2090-2099, considerando cuatro escenarios climáticos contrastantes. Las simulaciones indican que para 2040-2049 la probabilidad de quema anual aumentará en un factor de entre 2.07 y 2.61, mientras que para 2090-2099 se esperan aumentos en factores de entre 1.36 y 31.17, dependiendo del escenario climático. Nuestro trabajo señala la importancia de implementar políticas eficientes de manejo del fuego para atenuar sus efectos sobre las sociedades y los ecosistemas. En particular, con el aumento de la incidencia del fuego se espera que los bosques andino-patagónicos se retraigan, a expensas de un aumento en la cobertura de matorrales y pastizales. Estas transiciones, a su vez, promoverían aún más la ocurrencia de incendios.

Northwestern Patagonian is a fire-prone landscape. With climate change, this region is expected to experience increased temperature and decreased precipitation, which would significantly enhance fire activity. In this context, advancing our understanding of the various factors that control fire is crucial to anticipate changes in the fire regime. Additionally, it is necessary to develop models that represent and simulate these processes to project future fire regimes under changing environmental conditions. In this thesis, we study how physical factors (climate and topography), vegetation, and human presence influence fire in this region. We developed models to simulate fire regimes and project fire activity under future climate scenarios. Before developing simulation models, we examined the physical and biotic controls of fire at two scales. At the site scale, we evaluated how the contrasting microclimate of adjacent plant communities regulates fuel moisture, contributing to differences in flammability. At the landscape scale, we analyze how climate and topography regulate fire activity by interacting with vegetation type. In northwestern Patagonia, two vegetation types dominate the landscape: shrublands, which are relatively flammable and dominated by resprouting species, and forests, which are less flammable and less resilient to fire. Their differences in flammability are largely explained by their contrasting structure: shrublands have a higher amount and continuity of fine fuels. By comparing adjacent forests and shrublands, we found that forests also have a cooler and more humid microclimate than shrublands, where dead fuel moisture is higher. Thus, their lower flammability can be explained not only by their lower fine fuel amount and continuity but also by higher dead fuel moisture. The lower flammability of forests is also reflected in a lower fire activity when analyzed at the landscape scale. However, at this scale, other factors can confound the effect of vegetation. For example, forests tend to occupy areas with higher precipitation and elevation (lower temperature), while shrublands are found closer to human settlements, where ignition frequency is higher. To properly model the fire regime while controlling for relevant variables, we analyzed how topography and mean annual precipitation regulate fire activity while interacting with vegetation type. We mapped all fires that occurred in a 24-year period (1999-2022) in northwestern Patagonia (39° to 44.5° S) and assessed how the probability of grid cells burning at least once in the study period varied as a function of environmental variables. We found that fire activity decreases with elevation and precipitation, but the effect of precipitation is largely due to how vegetation types with contrasting structure are distributed along the gradient: vegetation types with higher fine fuel amount and continuity and lower intrinsic fuel moisture are found in low and intermediate precipitation areas. Additionally, we detected a clear unimodal effect of productivity, both within and among vegetation types. Building on our understanding of how different factors control fire activity, we developed a fire regime simulator composed of three spatially explicit fire models: ignition, escape, and spread. The models were defined in discrete time and space, with a spatial resolution of 30 m and a temporal resolution of 14 days. Ignitions can be caused by lightning or human activity, and once they occur, they may completely burn the original cell and escape from it. Given the escape, the spread model regulates how fire propagates cell by cell. All models include the effects of atmospheric conditions through the Fire Weather Index, vegetation (vegetation type and productivity), and topography. Additionally, the human ignition and escape models consider the distance to the nearest settlement and road, while the spread model incorporates wind effects. We estimated the ignition and escape models using fire records from Nahuel Huapi National Park, while the spread model was estimated using mapped fire polygons from the previous analysis. In all three models, we found a clear effect of fire weather, with the Fire Weather Index increasing the probability of ignition, escape, and spread. We found that, although human ignitions are more frequent than lightning ignitions, the latter have a higher probability of escape because they occur far from roads, making early suppression more difficult. Using these models, we projected fire activity in Nahuel Huapi National Park for the periods 2040-2049 and 2090-2099, considering four contrasting climate scenarios. The simulations indicate that for 2040-2049, the annual burn probability will increase by a factor of 2.07 to 2.61, while for 2090-2099, increases are expected by factors ranging from 1.36 to 31.17, depending on the climatic scenario. Our study highlights the importance of implementing effective fire management policies to mitigate its effects on societies and ecosystems. In particular, with increasing fire activity, the Andean-Patagonian forests are expected to decline, at the expense of the expansion of shrublands and grasslands. These transitions, in turn, would further promote fire occurrence.