The Heat is On: Texas Tree Response to Fires and Drought

Joseph D. WhiteProfessor of Biology

Department of BiologyBaylor University

Drying from West to East (approximately less 5″)

Average Precipitation 1951‐2006 Average Precipitation 2050

Heating from Northwest to Southeast (approximately 10°F)

Average Temperature 1951‐2006 Average Temperature 2050

Low precipitation + Higher temperature = Low humidity

WaterForestWoodlandSavannaShrub/grasslandBarrenCloud

Unsupervised Classification of MODIS data

Area of conversion from woodland  to savanna

Tree Mortality• Drought induced die back• Disease susceptibility• Sapling failure

And then there is fire…

Waco

0

500

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Acres (10

0x)

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Acres (10

0x)

2% of Travis Co. woodlands2011 Drought Impacts

2011: Satellite Detection of Global Fires

Fires follow drought.  Woodlands can go extinct with long term drought.

Fire Effects on Urban Trees

• Part I– Fire in the Texas landscape– Direct Effects– Indirect Effects

• Part II– Fire adaptation in the wildland urban interface– Fire‐sensitive arboriculture

Arborists and Fire

• Wildfire• Prescribed Burning• Building Site Preparation

The Fire Triangle and Trees

• Fuels– Dead branches– Downed branches and 

dead vegetation litter near the bole base

– Vines • Insolation or exposure 

increases temperature of the tree environment

• Wind and loosely packed fuels and/or litter increase aeration

Fuel Oxygen

Temperature

• Surface fires generally burn hottest on the opposite of the tree from the direction of the fire– Chimney effect

• This super‐heating is lethal to cambial tissue at specific locations

• Living cells surrounding the wound grow around dead tissue resulting in “catface” scars

• Bole wounding due to fire may result in long‐term heart rotTexas red oak collected at the 

Balcones Canyonlands National Wildlife Refuge near Austin, Texas

Fire scarsInterior rot

Bole Damage due to Fire

Bark Thickness, Bole Diameter, and Fire Survivorship

Data redrawn from Harmon, 1984. Ecology, 65:796‐802.

Canopy Scorch

• Surface fires will also consume lower foliage either due to direct fire contact or from the thermal radiation from the fire

• Scorch height is predicted from the intensity of the fire (as an indirect measure of the fuel), temperature, and wind speed

Scorch model from Van Wagner, 1973. Canadian Journal of Forest Research, 3:373‐378.

Indirect, Post‐Fire Effects

• Low intensity fires– Reduce understory vegetation and increase mature tree vigor by reducing competition

– Release nutrients from litter and downed woody materials

– Induce resprouting from root stock of basal sprouting species (fire as a signal?)

– Produce charcoal, 10% of which will be incorporated into the soil with improvements in soil water holding capacity and nutrient recycling

Woodlands, Fire, and People

• Fire return intervals range from 5‐20 years across Texas landscapes

• The wildland urban interface (WUI) is an expanding front of housing development from cities and towns which are facing increasing influence from wildland fires

• Increased personal wealth and the desire to live near or in a woodland setting are positively correlated

US Forest Service Predicted Fire Return Intervals

http://www.silvis.forest.wisc.edu/maps/wui/state

Mandate for Fire Adapted Communities

• Community wildfire protection plans (CWPP) may become mandatory for the near future as insurance losses associated as houses destroyed by fires in the WUI increase with time

• CWPP may use Firewise protocols that mandate clearing trees from within 30’ from homes– http://firewise.org/

• In addition, tree species (and other landscape plants) may need to be more fire resistant both as part of a Firewise plan with houses fire adapted

Defensible Space

• Within the 30’ space– Trees >10’ (no overhang)– Tree and woody vegetation spacing 15’

– Prune trees minimum 6’ and remove understory vegetation

• Keep landscape well‐watered

10’

30’

15’

6’

Firewise: An Arborists To‐Do List• Removing trees close to 

housing structures• Safe pruning of lower 

limbs that act as ladder fuel for potential wildfires– Prudent disease 

management• Selection of low fire hazard 

tree species• Consideration of trees that 

survive various types of fire events

What is a Low Hazard Tree?

• Low volatile oil composition in foliage• High water content of leaves during drought• Low energy content of wood

Definition: hazard – condition that increases the chance of loss

Volatile Oils

• Terpenoid compounds produced by tree to protect the leaves from high temperature stress in open sunlight

• In a distilled, pure form, the average flash temperature of plant‐secreted oils is 95°F!– Fortunately most oils are in low concentration and diffuse in the canopy

HIGH

Bald cypressJuniperAcaciaPersimmonMagnoliaLoblolly Pine

MEDIUM

HornbeamMaple/BoxelderSweetgumElmWalnutDogwoodPecanChinaberryCottonwoodBeechOakAshCherry

LOW

LocustWillowHackberryTulip treeSassafras

Tree Leaf Oil Content and Ignitability

Derived from:Geron, et al. 2000. Atmospheric Environment, 34:1761‐1781

HIGH

HackberryDogwoodMapleBald cypressWillow

MEDIUM

OakElmSassafrasAshPecanLoblolly pineSweetgum

LOW

JuniperCottonwoodCherryMagnoliaAcacia

Tree Leaf Water Sensitivity to Drought

Derived from:Abrams et al., 1994. Ecology,75:123‐133Bazzaz, 1979. Annual Review of Ecology and Systematics, 10:351‐371.Petaki et al., 1998. Tree Physiology, 18:307‐315Yordanov, et al., 2000.  Photosynthetica, 38:171‐186

HIGH

PineJuniperDogwoodOakOsage orange

MEDIUM

Maple/BoxelderCottonwoodHornbeamLocustBeechCherryElmAsh

LOW

WalnutCatalpaHackberryBasswoodHickorySycamoreTulip treeSassafras

Tree Wood Energy Content

Derived from:California Energy Commission, www.consumerenergycenter.org

Wood EnergyWood Energy

Dogwood

OilOil

Juniper

Low Leaf Water      Low Leaf Water      

Bald cypress

Potential High Fire Hazard Fire Trees?

Some Candidates for Low Fire Hazard Species?

• Tulip tree (Liriodendron sp.)– Oil (L), Wood Energy (L)

• Sassafras (Sassafras sp.)– Oil (L), Wood Energy (L)

• Locust (Robinia sp.)– Oil (L), Wood Energy (M)

• Cherry (Prunus sp.)– Drought (L), Wood Energy (M)

• Cottonwood (Populus sp.)– Oil (M), Drought (L), Wood Energy (M)

• Walnut (Juglans sp.)– Oil (M), Wood Energy (M)

Crown Bulk Density: Another Element of Fire Hazard of Trees

• Mass of leaves per unit volume of canopy

• Measure of packing density of live fuels

• Species/canopies with higher density will have lower rates of fire spread in canopies

Influence of Species on Crown Bulk Density

Ashe’s juniper

Plateaulive oak

Shin oak

Texas red oak

CBD (g/m3) 18.15 21.16 24.29 26.04MaximumCBD (g/m3) 64.88 66.81 71.60 86.41

worse betterFire Hazard

However! Pruning within  a species reduces hazard due to total fuel load reduction (e.g.  dead branches)

Summary• Long term future drought will continue woodland die back 

in Central Texas• Fire follows drought• Damage from fire:

– Dependent on bark thickness– Windspeed and temperature during fire– May induce heartwood disease

• Arboriculture in the WUI is an ongoing and expanding future concern– Will include selective tree harvesting, pruning, and canopy 

modification– Some species less hazardous than others based on leaf oil, 

response to drought, and wood energy (need research!)