Influence of Spring Burns on the Properties of Humus Horizon of Chernozem in the Southeast of Western Siberia

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

On the example of soils of the Basic Experimental Complex of the Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Tomsk), the influence of spring grass burns on the properties of the upper layer of the humus horizon of Chernozems. In the areas that burned two months ago, 1, 2, 3 and 11 years ago, a total of 56 samples (5–9 replicates) were collected. We found a considerably high stability of the controlled properties of soils (cationic-anionic composition of water extract, content of grain-size fractions and mobile compounds of a wide range of elements, total C and N, organic carbon, pH value, basicity from carbonates) to pyrogenic effects from spring grass fires. Informative indicators reflecting a significant pyrogenic impact over the past 11 years were the content of mobile Ca, Mg and Sr, as well as water-soluble Mg2+ and basicity from carbonates. Their content is higher in the soils of young (0–3 years) burnt areas relative to the old (11 year old) burnt areas and unburnt areas. Among the studied parameters, the pH value, the content of mobile Ba and Sr, and grain-size fractions of 1–5, 5–10, and 10–50 µm, had the low coefficient of variation (<20%), and content of water-soluble ammonium and mobile Li and Zn had the high coefficient of variation (>70%).

About the authors

I. N. Semenkov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Moscow

S. A. Lednev

Lomonosov Moscow State University

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Moscow

G. V. Klink

Kharkevich Institute for Information Transmission Problems, Russian Academy of Sciences

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Moscow

D. P. Kasymov

Zuev Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Tomsk State University

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Tomsk; Tomsk

M. V. Agafontsev

Zuev Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Tomsk State University

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Tomsk; Tomsk

S. N. Kostrova

Institute of Biology, Komi Science Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Syktyvkar

T. V. Koroleva

Lomonosov Moscow State University

Email: semenkov@geogr.msu.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Габбасова И.М., Гарипов Т.Т., Комиссаров М.А., Сулейманов Р.Р., Суюндуков Я.Т., Хасанова Р.Ф., Сидорова Л.В., Комиссаров А.В., Сулейманов А.Р., Назырова Ф.И. Влияние пожаров на свойства степных почв Зауралья // Почвоведение. 2019. № 12. С. 1513–1523. https://doi.org/10.1016/10.1134/S1064229319120044
  2. Габбасова И.М., Гарипов Т.Т., Сулейманов Р.Р., Комиссаров М.А., Хабиров И.К., Сидорова Л.В., Назырова Ф.И., Простякова З.Г., Котлугалямова Э.Ю. Влияние низовых пожаров на свойства и эрозию лесных почв южного Урала (Башкирский государственный природный заповедник) // Почвоведение. 2019. № 4. С. 412–421. https://doi.org/10.1134/S0032180X19040075
  3. Гераськина А.П., Тебенькова Д.Н., Ершов Д.В., Ручинская Е.В., Сибирцева Н.В., Лукина Н.В. Пожары как фактор утраты биоразнообразия и функций лесных экосистем // Вопросы лесной науки. 2021. Т. 4. № 2. С. 82. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202142-11
  4. Горбов С.Н., Безуглова О.С., Скрипников П.Н., Тищенко С.А. Растворимое органическое вещество в почвах Ростовской агломерации // Почвоведение. 2022. № 7. С. 894–908. https://doi.org/10.31857/S0032180X2207005X
  5. Дусаева Г.Х., Калмыкова О.Г. Влияние пожаров на растительный покров степей Евразии: обзор литературы // Бюл. Московского общества испытателей природы. Отдел биологический. 2021. Т. 126. № 2. С. 25–37.
  6. Дымов А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми. М.: ГЕОС, 2020. 318 с. http://doi.org/10.34756/GEOS.2020.10.37828
  7. Енчилик П.Р., Семенков И.Н. Пространственная изменчивость элементного состава почв в катене Центрально-Лесного заповедника // Лесоведение. 2022. № 4. С. 411–418. https://doi.org/10.31857/S0024114822030068
  8. Казеев К.Ш., Одабашян М.Ю., Трушков А.В., Колесников С.И. Оценка влияния разных факторов пирогенного воздействия на биологические свойства чернозема // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1372–1382. https://doi.org/10.31857/S0032180X20110064
  9. Карпухина Н.Ю., Карпухин М.М., Самсонова В.П., Кротов Д.Г. Пространственная изменчивость содержания тяжелых металлов в агросерой почве в масштабе сельскохозяйственного угодья // Агрохимия. 2012. № 8. С. 57–65.
  10. Кротов Д.Г., Самсонова В.П. Пространственная изменчивость гранулометрического состава агросерых почв и агросерых со вторым гумусовым горизонтом // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2009. № 1. С. 19–23.
  11. Кудрявцев А.Ю. Воздействие пожаров на экосистемы заповедника “Приволжская лесостепь” // Степной бюл. 2015. № 43–44. С. 12–16.
  12. Кузнецов К.А. Почвы Томской области (предварительное сообщение) // Вопросы географии Сибири. Томск, 1949. № 2. С. 69–86.
  13. Лобода Е.Л., Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Рейно В.В., Гордеев Е.В., Тарканова В.А., Мартынов П.С., Орлов К.Е., Савин К.В., Дутов А.И., Лобода Ю.А. Влияние малых природных пожаров на характеристики атмосферы вблизи очага горения // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 10 (381). С. 818–823. https://doi.org/10.15372/AOO20201011
  14. Лойко С.В. Крицков И.В., Куликова О.Р., Истигечев Г.И. Влияние рельефа и крестьянского природопользования на цветность гумусовых горизонтов в предгорной подтайге юго-востока Западной Сибири. Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове. Сб. матер. V Междунар. науч. конф., посвященной 85-летию кафедры почвоведения и экологии почв ТГУ. Томск: Национальный исследовательский Томский гос. ун-т, 2015. С. 56–61.
  15. Огуреева Г.Н., Леонова Н.Б., Булдакова Е.В., Кадетов Н.Г., Архипова М.В., Микляева И.М., Бочарников М.В., Дудов С.В., Игнатова Е.А., Игнатов М.С., Мучник Е.Э., Урбанавичюс Г.П., Даниленко А.К., Румянцев В.Ю., Емельянова Л.Г., Леонтьева О.А., Романов А.А., Константинов П.А. Биомы России. М-б 1 : 7 500 000. М.: Всемирный фонд дикой природы, 2018.
  16. Пансю М., Готеру Ж. Анализ почвы. Справочник. Минералогические, органические и неорганические методы анализа. СПб.: ЦОП Профессия, 2014. 800 с.
  17. Пивоварова Е.Г. Решение вопросов пространственной и временной вариации агрохимических свойств почв с помощью информационного-логического анализа // Агрохимия. 2006. № 8. С. 77–84.
  18. Семенков И.Н., Касимов Н.С., Терская Е.В. Латеральная дифференциация форм соединений металлов в почвеных суглинистых катенах центра Западно-Сибирской равнины // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 2019. № 3. С. 25–37.
  19. Соколов И.А., Таргульян В.О. Взаимодействие почвы и среды: почва–память и почва–момент // Изучение и освоение природной среды. М.: Наука, 1976. С. 150–164.
  20. Ступакова Г.А., Лапушкина А.А., Щиплецова Т.И., Митрофанов Д.К., Холяева О.В. Вариабельность содержания показателей плодородия в стандартных образцах разных типов почв // Плодородие. 2022. № 5 (128). С. 11–16. https://doi.org/10.25680/S19948603.2022.128.03
  21. Таргульян В.О., Соколов И.А. Структурный и функциональный подход к почве: почва-память и почва-момент // Математическое моделирование в экологии. М.: Наука, 1978. С. 17–33.
  22. Теория и практика хиимческого анализа почв /Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
  23. Титлянова А. А., Самбуу А. Д. Сукцессии в травяных экосистемах. Новосибирск: Изд-во со РАН, 2016. 191 с.
  24. Фридланд В.М. Почвенная карта РСФСР. М-б 1 : 2 500 000. М.: ГУГК, 1988. 16 л.
  25. Юдина А.В., Фомин Д.С., Валдес-Коровкин И.А., Чурилин Н.А., Александрова М.С., Головлева Ю.А., Филиппов Н.В., Ковда И.В., Дымов А.А., Милановский Е.Ю. Пути создания классификации почв по гранулометрическому составу на основе метода лазерной дифракции // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1353–1371. https://doi.org/10.31857/S0032180X20110143
  26. Badia D., Martí C. Fire and rainfall energy effects on soil erosion and runoff generation in semi-arid forested lands // Arid L. Res. Manag. 2008. V. 22. P. 93–108. https://doi.org/10.1080/15324980801957721
  27. Carreira J. A., Niell F. X., Lajtha K. Soil nitrogen availability and nitrification in Mediterranean shrublands of varying fire history and successional stage // Biogeochemistry. 1994. V. 26. № 3. P. 189–209. https://doi.org/10.1007/BF00002906
  28. Fernandez-Anez N., Krasovskiy A., Müller M., Vacik H., Baetens J., Hukić E., Kapovic Solomun M. et al. Current Wildland Fire Patterns and Challenges in Europe: A Synthesis of National Perspectives // Air, Soil and Water Research. 2021. V. 14. https://doi.org/10.1177/11786221211028185
  29. Fontúrbel M.T., Barreiro A., Vega J.A., Martín A., Jiménez E., Carballas T., Fernández C., Díaz-Raviña M. Effects of an experimental fire and post-fire stabilization treatments on soil microbial communities // Geoderma. 2012. V. 191. P. 51–60. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2012.01.037
  30. Francos M., Ubeda X., Pereira P., Alcañiz M. Long-term impact of wildfire on soils exposed to different fire severities. A case study in Cadiretes Massif (NE Iberian Peninsula) // Sci. Total Environ. 2017. V. 615(1). P. 664–671. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.311
  31. Fultz L.M., Moore-Kucera J., Dathe J., Davinic M., Perry G., Wester D., Schwilk D.W., Rideout-Hanzak S. Forest wildfire and grassland prescribed fire effects on soil biogeochemical processes and microbial communities: Two case studies in the semi-arid Southwest // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 99. P. 118–128. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.10.023
  32. Galaktionova L.V., Vasilchenko A.V. Sustainability of soils to fires as a factor of preservation the shape of steppe protected areas // Nature Conservation Research. Заповедная наука. 2019. V. 4 (Suppl. 2). P. 98–103. https://dx.doi.org/10.24189/ncr.2019.041
  33. Granged A.J.P., Zavala L.M., Jordán A., Bárcenas-Moreno G. Post-fire evolution of soil properties and vegetation cover in a Mediterranean heathland after experimental burning: a 3-year study // Geoderma. 2011. V. 164. P. 85–94. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.05.017
  34. Gregorich E.G., Beare M.H., Stoklas U., St-Georges P. Biodegradability of soluble organic matter in maize-cropped soils // Geoderma. 2003. V. 113. P. 237–252. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(02)00363-4
  35. Grishin A.M., Filkov A.I., Loboda E.L., Kuznetsov V.T., Kasymov D.P., Andreyuk S.M., Ivanov A.I., Stolyarchuk N.D., Reyno V.V., Kozlov A.V. A field experiment on grass fire effects on wooden constructions and peat layer ignition // Int. J. Wildland Fire. 2014. V. 23. № 3. P. 445–449. https://doi.org/10.1071/WF12069
  36. Hrelja I., Šestak I., Delač D., Pereira P., Bogunović I. Soil Chemical properties and trace elements after wildfire in Mediterranean Croatia: effect of severity, vegetation type and time-since-fire // Agronomy. 2022. V. 12(7). P. 1515. https://doi.org/10.3390/agronomy12071515
  37. Jillavenkatesa A., Dapkunas S.J., Lum L.-S.H. Particle size characterization. Vashington: US Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, 2001. 164 p.
  38. Loboda E., Kasymov D., Agafontsev M., Tarakanova V., Martynov P., Loboda Y., Orlov K., Savin K., Dutov A., Reyno V., Gordeev Y. Effect of small-scale wildfires on the air parameters near the burning centers // Atmosphere. 2021. V. 12. № 1. P. 75. https://doi.org/10.3390/atmos12010075
  39. Muñoz-Rojas M., Erickson T.E., Martini D., Dixon K.W., Merritt D.J. Soil physicochemical and microbiological indicators of short, medium and long term post-fire recovery in semi-arid ecosystems // Ecol. Indic. 2016. V. 63. P. 14–22. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2015.11.038
  40. Nghalipo E., Joubert D., Throop H., Groengroeft A. The effect of fire history on soil nutrients and soil organic carbon in a semi-arid savanna woodland, central Namibia // African J. Range Forage Sci. 2019. V. 36. № 1. P. 9–16. https://doi.org/10.2989/10220119.2018.1526825
  41. Peel M.C., Finlayson B.L., McMahon T.A. Updated World Map of the Köppen-Geiger Climate Classification // Hydrology and Earth System Sciences. 2007. V. 11. № 5. P. 1633–1644. https://doi.org/10.5194/hess-11-1633-2007
  42. Pereira P., Francos M., Ubeda X. Brevik E.C. Fire impacts in European grassland ecosystems // Wildfires: Perspectives, Issues and Challenges of the 21st Century. Hauppauge, NY: Nova Science Publishers, 2017. P. 1–28.
  43. Semenkov I.N., Koroleva T.V., Karpachesky A.M., Lednev S.A., Sharapova A.V. Short-term changes in chemical properties of topsoil (0–10 cm) after low-intensity fires caused by landings of first stages of space rockets Proton-M in Central Kazakhstan // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. V. 862. P. 012109. https://doi.org/10.1088/1755-1315/862/1/012109
  44. Semenkov I.N., Yakushev A.I. Dataset on heavy metal content in background soils of the three gully catchments at Western Siberia // Data in Brief. 2019. V. 26. P. 104496. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.104496
  45. Snyman H.A. Fire and the dynamics of a semi-arid grassland: Influence on soil characteristics African J. Range Forage Sci. 2002. V. 19. P. 137–45. https://doi.org/10.2989/10220110209485786
  46. Valkó O., Deák B. Increasing the potential of prescribed burning for the biodiversity conservation of European grasslands // Current Opinion in Environmental Science Health. 2021. V. 22. P. 100268. https://doi.org/10.1016/j.coesh.2021.100268
  47. Valkó O., Deák B., Magura T., Török P., Kelemen A., Tóth K., Horváth R., Nagy D.D., Debnár Z., Zsigrai G., Kapocsi I., Tóthmérész B. Supporting biodiversity by prescribed burning in grasslands — A multi-taxa approach // Sci. Total Environ. 2016. V. 572. P. 1377–1384. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.01.184
  48. Wittenberg L., Pereira P. Fire and soils: Measurements, modelling, management and challenges // Sci. Total Environ. 2021. V. 776. P. 145964. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145964

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Supplementary

Download (320KB)
Indexing metadata
3. Supplementary
Download (546KB)
Indexing metadata
4. Fig. 1. Location of sites (polygons with red outline) surveyed within the BEC. Numbers are years, years of fallow. Background sites are marked in blue and the location of the transect is marked in yellow (see Table 1 for description).

Download (464KB)
Indexing metadata
5. Fig. 2. Surface layer properties of surveyed migratory micellar BEC chernozems in samples: 1 - burned 2 months ago (in 2022); 2 - burned 1 year ago (in 2021); 3 - burned 2 years ago (in 2020); 4 - burned 3 years ago (in 2019); 5 - burned 11 years ago (in 2011); 6 - background. The graphs show: rectangle - first and third quartiles, black line - median, whiskers - 1.5 interquartile intervals, dots - outliers. Above the graphs are pU values for the corresponding samples marked with brackets.

Download (498KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences