Pyrolytic and spectroscopic approaches to the study of refractory forms of organic carbon. Soils affected by fires

Abstract

[EN]: Vegetation fires and fuel-wood combustion transfer carbon from the relatively fast biological- atmosphere carbon turnover to the long-term geological one, the processes in which biomass burning is involved, may represents a significant sink for carbon dioxide. The so-called “black coal”, is composed mainly of polyaromatic and relatively inert carbon forms. In this work, the composition of the potential refractory carbon forms present in the different soil particle fractions of a pine forest soils from Sierra de Aznalcollar, Seville, Spain affected and unaffected by a wildfire is described using pyrolytic (Py-CG/MS) and spectroscopic solid state 13C NMR techniques. An enrichment in total carbon was found for all particle size fractions in the fire affected soil, with the lowest enrichment factor in the sand-size fraction (1.4) and the highest in the coarse silt-size (2.8) and clay-size fractions (2.7). When analysing the pyrograms of the forest soils affected by fire, most pyrolysis products present in undisturbed natural soils disappears and the dominance of charred “non pyrolyzable” refractory carbonous material is clear. The formation of condensed refractory materials after the wildfire is again apparent in the solid-state 13C NMR spectra, showing a neat increase in the intensity of the aromatic C region (160 to 110 ppm), which occurs at the expenses of the Oand N-alkyl C region (110 to 60 ppm). This together with other evidences, indicates that the increase in C observed in all size fractions of the fire affected soil is mainly due to the formation of refractory, polyaromatic and relatively inert carbonaceous (Black coal) material, rather than to the input of fresh litter after the fire event.

[ES]: Los incendios forestales y la combustión de madera transfieren carbono del ciclo relativamente rápido, biota-atmosfera, a uno, mucho más largo, geológico, en el que la biomasa quemada puede representar un sumidero significativo para el dióxido de carbono. El “carbón negro o carbón vegetal” está compuesto fundamentalmente por formas de carbono poliaromáticas inertes. En este trabajo se estudian mediante técnicas de pirólisis (Py-CG/MS) y espectrocopía de resonancia magnética nuclear (13C NMR) la composición de las formas de Carbono refractarias presentes en las diferentes partículas de suelos forestales con pinar de la Sierra de Aznalcóllar, Sevilla (España) afectados y no afectados por incendios. Se ha observado un enriquecimiento en Carbono total para todos los tamaños de partícula en los suelos afectados por el fuego, con el menor factor de enriquecimiento en la fracción arena (1.4) y los mayores en las fracciones limo grueso (2.8) y arcilla (2.7). En los pirogramas de suelos forestales afectados por el fuego no se identifican la mayoría de los compuestos producidos en la pirólisis de los suelos no afectados y, en cambio, hay un predominio de materiales orgánicos refractarios no pirolizables. La formación de materiales refractarios condensados después del incendio es identificada también en los espectros de 13C RMN que presentan un claro incremento en la intensidad de la región de los C aromáticos (160 a 110 ppm), producida a expensas de la región de los grupos O y N alquílicos (110-60 ppm). Esto, unido al resto de las evidencias indica que el incremento de C observado en todas las fracciones de los suelos afectados por el fuego se debe principalmente a la formación de compuestosorgánicos poliaromáticos refractarios (black coal) más que a los nuevos aportes de materia orgánica fresca producidos tras el evento de incendio.