Fire is a natural phenomenon that has affected the Earth’s land surface to varying degree over the last 400 millions years. Under the climatic conditions of the Mediterranean, fire has been a recurrent component that human societies have controlled since millennia. Recently, however, following 50 years of rural depopulation, land management using fire has largely disappeared here and with forest regrowth, fire now affects a dense and often contiguous biomass. Wildfire in the Mediterranean has thus become a risk due to its high intensity and the difficulty in controlling it. It is particularly the intense, uncontrolled fires which can result in adverse environmental effects, modifying soil properties, promoting high erosion rates and hence desertification. In addition, fire endangers properties and human lives. This PhD thesis addresses some environmental aspects of wildfire with special consideration of its effects on soils. The study of the environmental aspect presented here together with social and economic studies will allow a better management of fire-affected areas and the regional planning. Fire can result in changes in vegetation, micro and macro fauna, biochemical cycles, soil properties, and hydrological and geomorphological processes due to the heat input, but also due to the environmental conditions after the loss of vegetation and the added cover with ash. Wildfire produces a sudden transformation to the characteristics and functioning of the ecosystem, and leaves an influence that can affect it for years in a very dynamic and variable way depending on multiple factors. Ash is one of the key elements affecting burned areas. In the context of this study, ash is the residue of the organic material after the fire and blankets the soil temporally with a layer of variable thickness, physical and chemical properties, which depend on fuel characteristics and fire severity. It is of major importance for the biogeochemical cycles, including the carbon cycle. It modifies soil infiltration and runoff generation, affects erosion rates, and changes physical and chemical soil properties. Even after being removed from the soil surface by slope wash, wind erosion or dissolution, ash may still affect the matter and energy cycles, and can modify the properties of soils if incorporated. Despite its implications, ash has not seen much attention in the scientific studies of wildfire and it remains one of the least understood elements of the post-fire ecosystem. In contrast, changes in soil organic matter and soil aggregation, runoff and erosion, and the recovery of vegetation, have been intensively and repeatedly studied. To date, ash has been considered largely only as an important element in the nutrient cycle and as a soil fertiliser. Very few studies have explored ash effects on soil hydrology and erosion, and from the research to date, few definitive conclusions have been obtained. What we do know now is that ash properties are very variable, which results in different and sometimes contrasting effects. The general objective of this PhD thesis, "Ash and water repellency effects on soil hydrology in fire affected Mediterranean ecosystems" is to study the effects of ash on pedological, hydrological and geomorphological processes. Particular attention is given to the wettability of ash and its effects on soil water repellency because of their potential relevance in controlling water, sediment and nutrient fluxes in the fire affected ecosystem. The thesis is presented in five scientific papers based on work carried out between July 2008 and June 2012. Three of them have been published in international journals (Geoderma and Catena), and all have been presented at national and international conferences for their public discussion before publication. The starting point of the Thesis was a bibliographic review on the effect of fire in soil properties published in the "Boletín de la AGE" (Journal of the Spanish Geographers Association) with the title "Efectos de los incendios forestales en la vegetación y el suelo en la cuenca mediterránea: revisión bibliográfica". After putting the research in context, different studies and experiments were carried out. In the first one, which results are in press in Catena with the title: "Spatial and temporal variations of water repellency and probability of its occurrence in calcareous Mediterranean rangeland soils affected by fires", it was studied the changes in soil water repellency immediately after a forest fire and in catchments burned 10 and 20 years ago. This work also examined the seasonal variations in water repellency related with soil moisture and spatial variations under different vegetation types and within microplots under the same vegetation type, and proved that ash can affect soil water repellency after a fire. The probability of water repellency occurrence was also calculated. This work raised new questions about water repellency of ash, and since no studies had been published on this issue, this became the main objective of the following part of this work. Its outcomes are now published in Geoderma under title "The wettability of ash from burned vegetation and its relationship to Mediterranean plant species type, burn severity and total organic carbon content". Involving laboratory experiments, this work also examined the relationships between ash water repellency, organic carbon content and its colour, and how ash incorporation into the soil affects soil water repellency. At this point, the need became evident to also investigate the effects of ash on water repellency when ash covers the soil. Therefore, different experiments were carried out to explore, at the same time, the role of ash in runoff generation and chemical composition of runoff water and its role in the erosion produced after the fire when different types of ash cover different soils with various thickness. The results obtained from the related laboratory experiments are in press in the journal Geoderma, "Hydrological effects of a layer of vegetation ash on underlying wettable and water repellent soil", and the results obtained in the field experiments are published in the Proceedings of the III International FESP Conference "Fire effects on soil properties" in Guimaraes (Portugal) with the title "Runoff rates, water erosion and water quality from a soil covered with different types of ash". This PhD Thesis contributes to the scientific knowledge with the following general findings: 1) Regarding the spatial and temporal variations of water repellency in Mediterranean calcareous soils and the prediction of its probability of occurrence: • Water repellency can be a common soil property in the calcareous soils of Mediterranean forests. Soil water repellency in the study area ranged seasonally from 40-95 % spatial coverage. Some samples showed extreme water repellency, but this was generally reduced at 1 cm depth. An increase in water repellency was found at 1 cm depth after a forest fire, however, water repellency decreased to very low levels at the surface and at depth after one year. It is suggested that this decrease was due to the gradual washing out of hydrophobic substances and the lack of fresh organic and hydrophobic material inputs after fire, together with the topsoil's cover of wettable material composed of ash and soil. The results obtained at the Sierra de Enguera study sites indicate that the recovery to the pre-fire water-repellent conditions may take more than 10 years. • Variability of soil water repellency under Pinus halepensis, Quercus coccifera and Rosmarinus officinalis within the same site of 1 ha was as high as within the same vegetation type and as within a plot of 10 cm × 10 cm. The lower variability was found in bare soil plots, which were mostly wettable. Water repellency was also variable depending on soil moisture, being highest under dry summer conditions. • A statistical model that allows estimation of the probability of water repellency occurrence in mature Mediterranean calcareous soils was derived using covariates and fixed factors that are straightforward and economic to measure (vegetation type, soil depth and moisture content). This is a simple model that may represent a powerful tool to estimate water repellency occurrence under different seasonal and meteorological conditions. Further work is required to determine the wider applicability of this model to other areas. 2) Concerning ash properties: • Ash from vegetation fires can be water repellent. A greater frequency and persistence of water repellency in ash from Pinus halepensis and associated vegetation forests was found for a low severity fires and, in laboratory generated ash the generated at temperatures between 200–300 °C, whereas above 400 °C repellency was absent. Ash generated from Quercus coccifera and Pinus halepensis litter exhibited higher water repellency levels compared to Rosmarinus officinalis. Ash water repellency might be reduced after wetting. Water repellency was related to the ratio of organic/inorganic carbon content in ash and type of organic carbon compounds. The colour of ash was found not to be a good predictor of either water repellency or total organic carbon content when ash from different wildfires was compared. • The organic carbon content in ash from wildfire in this study ranged from 4.6% to 31.1% and from the ash produced in the laboratory from 22.9% to 60.3%. The higher contents in ash generated in the laboratory ash might be the result of a combustion process that is not directly comparable to that experienced in the field. 3) Regarding the longevity of ash on the ground, it was shown that an ash layer of more than 5 mm produced in a low severity wildfire remained on the ground following two laboratory rainfall simulations of 82 mm h-1 during 40 min with a slope of 10º. Similarly, thicknesses of more than 5 mm of ash produced in the laboratory at very high temperature remained covering the soil after two field rainfall simulations events of 55 mm h-1 with a slope of 5º. Ash layers with lower thicknesses left the soil uncovered after these events. 4) Regarding the effects of ash on soil water repellency: • If ash covers the soil, a layer of wettable ash of more than 5 mm thickness can reduce soil water repellency by increasing the hydraulic pressure and the contact between water and soil, and hence promoting fingered subsurface flow especially during the first rain event after the fire. After the first rainfall event, and if the soil is still wet, ash did not produce a significant reduction on soil water repellency compared with bare soil. • When ash is incorporated into the soil, it can increase or reduce soil water repellency depending on its wettable or water repellent nature. In the case of water repellent ash, the increase can be especially important if ash is incorporated by dry mechanisms as such as wind erosion and deposition, or bioturbation. 5) With respect to the effects of an ash layer covering the soil on the hydrological response: • Ash may enhance overland flow if the hidraulic conductivity of ash (Kash) is lower than rainfall intensity, which can happen when ash is compacted and crusted due to its high content of calcium carbonate, or when ash is water repellent. • In all the other cases, when Kash> rainfall intensity and especially for the first rainfall event, ash delays the onset of overland flow proportionally to its thickness due to its high water storage capacity. • Once ash is saturated, overland flow and subsurface flow between the ash and soil starts until both layers reach an equilibrium, after which the soil infiltration rate dominates the process. • Soil infiltration rates can be modified by ash, (a) resulting in a higher soil infiltration rate by decreasing the degree of soil water repellency (see point 4) or by reducing the soil’s susceptibility to crusting (ash acts as a mulch), and (b) reducing the soil infiltration rate by enhancing pore clogging, which depends on the particle sizes of soil and ash. 6) Ash does protect the soil from splash erosion and prevents sheet erosion as long as the ash layer is not saturated and overland flow does not occur. This reduction is especially important for bare water repellent soils, for which erosion is usually higher than for wettable soil conditions after a fire. The sediment yield produced from soils covered with ash is associated with overland flow (see point 5). During intense rainfall events, and if ash is already saturated, ash can increase the transport capacity of the sediment, contributing to high erosion events. 7) The nutrients released from ash can modify water quality increasing its pH, electrical conductivity and especially cation content. The nutrients solubilised are not necessarily the same as the elemental composition of ash itself. Runoff composition depends on the volume of water produced (see point 5), on the solubility of the ash components and on the chemical interactions with water from rainfall and soil. After the first intense rain event, most of the nutrients are solubilised and lixiviated or washed out, however, some of them may increase in the runoff or soil water some weeks later due to chemical interactions with water from rainfall and soil nutrients.El fuego es un factor ecológico natural en la Tierra y ha actuado con diferente intensidad desde hace 400 millones de años. En condiciones de clima mediterráneo el fuego es un factor recurrente que las sociedades humanas han controlado desde hace milenios. Sin embargo, tras medio siglo de abandono agrícola y ganadero, la gestión del monte mediterráneo mediante el uso del fuego es inexistente. Además, con la recuperación de la vegetación, el fuego afecta ahora a una densa y continua masa forestal, convirtiendo los incendios en un riesgo por la dificultad en ser controlados y por su elevada intensidad. Este tipo de incendios descontrolados son los que pueden inducir efectos ambientales adversos al producir la alteración de las propiedades edáficas y favorecer elevadas tasas de erosión, potenciando procesos de Desertificación. Además, el fuego también pone en riesgo propiedades y vidas humanas. Esta Tesis Doctoral trata algunos de los aspectos ambientales de los incendios forestales, con especial atención a los suelos. Sin duda, el estudio de las aspectos biofísicos como los aquí presentados, junto con estudios socio-económicos, permitirán una mejor gestión de las zonas afectadas por incendios, y con ello la planificación del territorio. Los cambios que produce el fuego en la vegetación, la micro y macrofauna, los ciclos biogeoquímicos, las propiedades del suelo y los procesos hidrológicos y geomorfológicos, se deben al calentamiento producido por el mismo incendio, pero también a las condiciones ambientales surgidas tras la pérdida de la cubierta vegetal y el recubrimiento con cenizas. Es decir, el paso del fuego transforma súbitamente el aspecto y el funcionamiento del ecosistema allí donde se produce, y deja una herencia que lo afectará durante años de manera muy dinámica y variable dependiendo de múltiples factores. Las cenizas son uno de los factores clave para entender la evolución de las zonas afectadas por incendios forestales. En el contexto de este estudio, las cenizas se consideran el residuo del material orgánico tras el paso del fuego. Estas cubren el suelo temporalmente formando una capa de espesor y características físicas y químicas variables, las cuales dependen del material original y de la severidad del incendio. Las cenizas influyen decisivamente en los ciclos biogeoquímicos, incluido el del carbono, modifican las tasas de infiltración del suelo y la generación de escorrentía, controlan las tasas de erosión y alteran las propiedades físicas y químicas de los suelos. Incluso después de ser lavadas, disueltas o erosionadas, seguirán influyendo en los ciclos de la materia y la energía al modificar las propiedades del agua y de los suelos donde se incorporen. Sin embargo, son uno de los elementos más desconocidos del ecosistema post-incendio ya que fueron relativamente olvidadas por la investigación científica. Contrariamente, se estudió la erosión y producción de escorrentías, los cambios en la materia orgánica y la agregación del suelo o la evolución de la vegetación de forma intensiva y reiterada, pero los estudios llevados a cabo sobre incendios forestales sólo habían considerado las cenizas como un factor relevante en el ciclo de nutrientes y como fertilizador del suelo. Muy pocos estudios habían explorado los efectos de las cenizas en la hidrología y erosión del suelo y, de la investigación que se está llevando a cabo, todavía no se han obtenido conclusiones definitivas. Lo que ahora sabemos sin duda es que las propiedades de las cenizas presentan una gran variabilidad, y con ello respuestas diversas e incluso contrastadas. El objetivo general de esta Tesis Doctoral, "Efectos de las cenizas y la repelencia al agua en la hidrología de suelos afectados por incendios forestales en ecosistemas mediterráneos", es estudiar los efectos de las cenizas sobre los procesos hidrológicos, edáficos y geomorfológicos. Se ha prestando especial atención a la repelencia al agua, tanto de las propias cenizas como a sus efectos en la repelencia al agua del suelo al ser factores decisivos para entender su papel como gestores del agua, sedimentos y nutrientes. La tesis se presenta como un compendio de cinco artículos científicos realizados entre julio de 2008 y junio de 2012. Tres de estos trabajos han sido publicados en revistas internacionales de alto índice de impacto (Geoderma y Catena), y todos los resultados fueron presentados en congresos nacionales o internacionales para su discusión publica antes de su redacción. El primer trabajo y punto de partida de la Tesis Doctoral, fue una revisión bibliográfica sobre el efecto del fuego en las propiedades del suelo publicada en el Boletín de la AGE (Asociación de Geógrafos de España) y titulada "Efectos de los incendios forestales en la vegetación y el suelo en la cuenca mediterránea: revisión bibliográfica". Tras poner en contexto esta investigación, se procedió a la realización de experimentos y estudios concretos. En el primero y cuyos resultados están en prensa en la revista Catena con el título de "Spatial and temporal variations of water repellency and probability of its occurrence in calcareous Mediterranean rangeland soils affected by fires", se estudió la evolución de la repelencia al agua en el suelo inmediatamente tras un incendio y en cuencas quemadas 10 y 20 años antes, en un ecosistema mediterráneo con suelo calcáreo. Se examinaron además las variaciones mensuales debidas a los cambios en la humedad del suelo y las variaciones espaciales debajo de diferentes tipos de vegetación y en microparcelas debajo de un mismo individuo y se comprobó que las cenizas afectan a la repelencia al agua tras el incendio. También se calcularon las probabilidades de encontrar repelencia al agua en estos suelos. Este experimento sugirió nuevas cuestiones sobre si las cenizas podían ser repelentes al agua y, como no existían estudios sobre ello, este fue el objetivo del siguiente trabajo "The wettability of ash from burned vegetation and its relationship to Mediterranean plant species type, burn severity and total organic carbon content" publicado en Geoderma. Mediante experimentos de laboratorio se estudió también la relación de la repelencia al agua de las cenizas con el contenido de carbono orgánico y su color, y cómo afecta la incorporación de cenizas a la repelencia al agua del suelo. Llegado este punto se creyó necesario además conocer su efecto en la repelencia al agua del suelo cuando las cenizas lo cubren. Por tanto, se procedió a la realización de varios experimentos más intentando aportar a la vez información sobre su papel en la generación de escorrentías, en la composición química de éstas, y en la erosión producida tras un incendio, cuando diferentes cenizas cubren diferentes suelos con capas de varios espesores. Los resultados obtenidos con los experimentos del laboratorio están en prensa en la revista Geoderma con el título "Hydrological effects of a layer of vegetation ash on underlying wettable and water repellent soil", mientras que los obtenidos con experimentos en el campo están publicados en las Actas del III Congreso Internacional FESP "Fire effects on soil properties" en Guimaraes (Portugal) con el título "Runoff rates, water erosion and water quality from a soil covered with different types of ash". Esta Tesis Doctoral aporta al conocimiento científico una serie de contribuciones de entre las que destacan las siguientes: 1) En cuanto a las variaciones espaciales y temporales de la repelencia al agua en suelos calcáreos mediterráneos y la predicción de la probabilidad que esté presente en el suelo: • La repelencia al agua puede ser una propiedad común en los suelos calcáreos de los bosques mediterráneos. En las zonas estudiadas, la presencia de la repelencia al agua del suelo osciló estacionalmente entre 40-95% con algunas muestras manifestando repelencia extrema, pero disminuyendo en profundidad. Asimismo, se encontraron incrementos en la repelencia del suelo a 1 cm de profundidad tras un incendio forestal, aunque la repelencia al agua se redujo a niveles muy bajos tras un año tanto en superficie como en profundidad. Este cambio pueden debido al lavado de sustancias hidrofóbicas o a su degradación, al recubrimiento de la superficie del suelo con sedimentos producto de la erosión post-incendio que están compuestos de partículas del suelo y cenizas hidrofílicas y a la falta de deposición de material orgánico hidrofóbico fresco al no haber temporalmente vegetación como consecuencia del incendio. Los resultados indican que el restablecimiento de la repelencia al agua a niveles de antes del incendio tarda más de 10 años según los resultados de esta investigación en la Sierra de Enguera (Valencia). • La variabilidad de la repelencia al agua del suelo bajo Pinus halepensis, Quercus coccifera y Rosmarinus officinalis en la misma zona de estudio de 1 es igual de amplia que entre individuos de la misma especie y dentro de una parcela 10 cm × 10 cm. La menor variabilidad aparece en suelos desnudos donde la mayoría de las muestras fueron hidrofílicas. La repelencia al agua también es también variable según la humedad del suelo, siendo mayor en condiciones secas de verano. • A partir de covarianzas y factores fijos simples de cuantificar (tipo de vegetación, profundidad del suelo y humedad del suelo) se desarrolló un modelo estadístico que permite estimar la probabilidad de encontrar repelencia al agua en el suelo en diferentes estaciones y condiciones meteorológicas en bosques mediterráneos maduros. El modelo obtenido puede representar una herramienta útil aunque se requiere más estudio y comprobaciones para poder aplicarlo a otras áreas. 2) En referencia a las propiedades de las cenizas estudiadas: • Las cenizas procedentes de incendios forestales pueden ser repelentes al agua. La mayor presencia y persistencia de repelencia al agua en cenizas de bosques de Pinus halepensis y vegetación asociada aparece en las recogidas en incendios forestales de baja severidad y, de las producidas en el laboratorio en las generadas entre 200-300 °C, mientras que a más de 400°C, la repelencia es inexistente. Además, las cenizas producidas a partir de Quercus coccifera y Pinus halepensis resultan en mayores niveles de presencia y persistencia de repelencia al agua que las de Rosmarinus officinalis. La repelencia al agua en las cenizas se reduce tras su humedecimiento. Esta propiedad está relacionada con la proporción de carbono orgánico/inorgánico y el tipo de componentes orgánicos. No obstante, según nuestros resultados el color no es un buen indicador tanto de la repelencia al agua como de la cantidad de carbono orgánico si se comparan cenizas de diferentes incendios forestales. • La cantidad de carbono orgánico total en las cenizas en este estudio oscila entre 4,6% y 31,1% y en las cenizas producidas en el laboratorio entre 22,9% y 60,3%. Los mayores valores de carbono orgánico en las cenizas generadas en el laboratorio pueden deberse a que el proceso de combustión producido no es directamente comparable al ocurrido en incendios forestales. 3) Respecto a la longevidad de las cenizas en el suelo, se ha comprobado que una capa de cenizas de más de 5 mm recogidas en un incendio de baja severidad, continúa cubriendo el suelo tras dos simulaciones de lluvia en el laboratorio con una intensidad de 82 mm h-1 durante 40 min y con una pendiente de 10º. Igualmente, grosores de más de 5 mm de cenizas producidas a elevadas temperaturas en el laboratorio mantuvieron el suelo cubierto tras dos lluvias simuladas en el campo de 55 mm h-1 durante 1 hora con una pendiente de 5º. Grosores de menos de 5 mm dejaron el suelo descubierto tras estos eventos. 4) En cuando al efecto de las cenizas en la repelencia al agua del suelo: • Si las cenizas cubren el suelo, una capa de cenizas hidrofílica de más de 5 mm de grosor reduce considerablemente la repelencia al agua del suelo al incrementar la presión hidráulica y el contacto entre el agua y el suelo, y por tanto promueve flujos preferenciales a lo largo del perfil del suelo. Tras la primera lluvia y en condiciones de suelo húmedo, las cenizas no producen una reducción de la repelencia al agua del suelo significativa. • Si las cenizas están incorporadas en el suelo, pueden aumentar o reducir la repelencia al agua del suelo dependiendo su naturaleza hidrofílica o hidrofóbica. En el caso de cenizas hidrofóbicas, la repelencia resultante puede ser elevada si se incorporan al suelo mediante mecanismos exentos de agua, como la acción eólica o la bioturbación. 5) Respecto a los efectos de una capa de cenizas en la respuesta hidrológica: • Las cenizas pueden aumentar la arroyada superficial si la conductividad hidráulica (Kcenizas) es menor que la intensidad de la lluvia, lo que puede ocurrir debido a la compactación y encostramiento de las cenizas cuando tienen un alto contenido en carbonato cálcico o si las cenizas son repelentes al agua. • En todos los otros casos, cuando Kcenizas > intensidad de la lluvia, y sobre todo para la primera lluvia tras el incendio, las cenizas retrasan el inicio de la arroyada proporcionalmente al espesor de la capa debido a su elevada capacidad de almacenamiento de agua. • Una vez las cenizas están saturadas, se produce un flujo superficial y subsuperficial entre las cenizas y el suelo hasta que ambas capas se equilibran y pasa a dominar el proceso la capacidad de infiltración del suelo. • Sin embargo, las capa de cenizas puede modificar la capacidad de infiltración del suelo (a), incrementándola respecto a un suelo no cubierto de cenizas porque previenen el suelo de encostrarse y pueden reducir la repelencia al agua de éste (ver punto 4) o (b) reduciéndola si taponan los poros del suelo, según el tamaño de tamaño de partícula de ambos materiales. 6) Las cenizas protegen el suelo de la erosión producida por el impacto de las gotas de lluvia en todos los casos y previenen la erosión laminar siempre que no se saturen y no ocurra escorrentía superficial. Esta reducción es especialmente importante sobre suelos repelentes desnudos tras un incendio, que son los que suelen producir las mayores tasas de erosión. El sedimento producido en suelos cubiertos por cenizas está asociado con la escorrentía superficial generada (ver punto 5), pero durante episodios de lluvias intensas, las cenizas pueden aumentar la capacidad de transporte del sedimento contribuyendo a eventos extremos de erosión. 7) Los nutrientes liberados por las cenizas modifican la calidad del agua de escorrentía, incrementando el pH, la conductividad eléctrica y especialmente la cantidad de cationes. Los nutrientes solubilizados no son exactamente los mismos que los existentes en la composición original en forma de cenizas ya que dependen del volumen de la escorrentía producida (ver punto 5), de la solubilidad de los compuestos de las cenizas y de las interacciones químicas con el suelo. Con la primera lluvia, si esta es suficientemente abundante, la mayor parte de los nutrientes son solubilizados y lixiviados o arrastrados con la escorrentía, pero algunos de ellos pueden aumentar tras unas semanas al producirse cambios químicos tanto en las cenizas como en el suelo.