Contribution of Belowground Plant Residues to the Soil Carbon Pool in Forest Ecosystems of Middle and Southern Siberia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

On the basis of data from 67 sample plots located in different natural-climatic zones on the territory of Krasnoyarsk region and in mountain forests of the western and eastern Baikal region (Irkutsk region and Republic of Buryatia), the contribution of belowground plant residues to the soil carbon stock was estimated and the main factors influencing the stock of root detritus were analyzed. The studies were carried out both in undisturbed old-growth forests and in forest ecosystems affected by clear-cutting, forest fires and aerotechnogenic pollution. It has been shown that the carbon stock accumulated in root detritus can be quite comparable to that in forest litter, and in some cases can exceeding it by a factor of 1.3–1.9, and accounting for between 3.6 and 167% of the carbon stock in soil humus. This stock and its contribution to the soil carbon pool depends on the forest forming species, the soil type and the natural climatic zone, and can increase significantly after the impact of disturbances that destroy above-ground vegetation and plant residues on the soil surface. Underestimating this component in the assessment of forest ecosystem carbon budgets can lead to an underestimation of total soil carbon stocks by 5–32% in undisturbed forest ecosystems and up to 40% after various types of disturbance.

About the authors

L. V. Mukhortova

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: l.mukhortova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1390-9091
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

M. D. Lozhenko

Siberian Federal University

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041

M. A. Ryazanova

Siberian Federal University

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660041

L. V. Krivobokov

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

M. K. Meteleva

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

I. A. Mikhailova

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

E. F. Vedrova

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: l.mukhortova@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk, 660036

References

  1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
  2. Безкоровайная И.Н., Климченко А.В. Запасы мортмассы в криогенных почвах после пожаров // Почвенные ресурсы Сибири: вызовы XXI века. Сб. матер. Всерос. науч. конф. Новосибирск: Издательский дом Томск. гос. ун-та, 2017. С. 10–14. https://doi.org/10.17223/9785946216463/2
  3. Бурыкин A.M., Засорина E.В. Процессы минерализации и гумификации растительных остатков молодых почвах техногенных экосистем // Почвоведение. 1989. № 2. С. 61–69.
  4. Ведрова Э.Ф. Баланс углерода в сосняках Красноярской лесостепи // Лесоведение. 1996. № 5. С. 51–59.
  5. Ведрова Э.Ф. Биогенные потоки углерода в бореальных лесах Центральной Сибири // Известия РАН. Сер. биологическая. 2011. № 1. С. 77–89.
  6. Ведрова Э.Ф. Цикл углерода в сосновых лесах таежной зоны Красноярского края // Лесоведение. 1998. № 6. С. 3–10.
  7. Ведрова Э.Ф., Кошурникова Н.Н. Масса и состав фитодетрита в темнохвойных лесах южной тайги // Лесоведение. 2007. № 5. С. 3–11.
  8. Ведрова Э.Ф., Евдокименко М.Д., Безкоровайная И.Н., Мухортова Л.В., Чередникова Ю.С. Запасы углерода в органическом веществе послепожарных сосняков Юго-Западного Прибайкалья // Лесоведение. 2012. № 1. С. 3–13.
  9. Ведрова Э.Ф., Климченко А.В. Динамика экологических функций лиственничников северной тайги под воздействием пожаров // Сибирский экологический журнал. 2007. Т. 14. № 2. С. 263–273.
  10. Ведрова Э.Ф., Мухортова Л.В. Биогеохимическая оценка лесных экосистем // Сибирский экологический журнал. 2014. Т. 21. № 6. С. 933–944.
  11. Ведрова Э.Ф., Мухортова Л.В., Иванов В.В., Кривобоков Л.В., Болонева М.В. Восстановление запасов органического вещества после рубок в лесных экосистемах Восточного Прибайкалья // Известия РАН. Сер. биологическая. 2010. № 1. С. 83–94.
  12. Ведрова Э.Ф., Мухортова Л.В., Трефилова О.В. Участие старовозрастных лесов в бюджете углерода бореальной зоны Центральной Сибири Известия РАН. Сер. биологическая 2018. № 3. С. 326–336.
  13. Горбунова Ю. В. Баланс углерода в культурах сосны техногенных ландшафтов // Вестник КрасГАУ. 2008. № 2. С. 142–148.
  14. Ершов Ю. И. Криогенные почвы на породах трапповой формации Центральной Сибири // Почвоведение. 2022. № 6. С. 657–672.
  15. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В. В., Артемьева З.И., Когут Б.М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  16. Иванов А.В., Сало М.А., Толстикова В.Ю., Брянин С.В., Замолодчиков Д.Г. Влияние ветровала на эмиссию диоксида углерода и запасы тонких корней в почвах Центрального Сихотэ-Алиня // Почвоведение. 2022. № 10. С. 1255–1264. https://doi.org/10.31857/S0032180X22100057
  17. Карпачевский Л.О., Боровинская Л.Б., Хайдарова Д.Д. Роль корневых систем в формировании почвы сухой степи // Почвоведение. 1994. № 11. С. 77–84.
  18. Карпечко А.Ю., Туюнен А.В., Медведева М.В., Мошкина Е.В., Дубровина И.А., Геникова Н.В., Сидорова В.А., Мамай А.В., Толстогузов О.В., Кулакова Л.М. Масса тонких корней в почвах лесных сообществ на постагрогенных землях в условиях средней тайги (на примере Республики Карелия) // Растительные ресурсы. 2021. Т. 57, № 2. С. 145–157. https://doi.org/10.31857/S0033994621010088
  19. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумкна, 2004. 342 с.
  20. Коротков И.А. Лесорастительное районирование России и республик бывшего СССР // Углерод в экосистемах лесов и болот России / Под ред. Алексеева В.А., Бердси Р.А. Красноярск, 1994. С. 29–47.
  21. Кошурникова Н. Бюджет углерода в темнохвойных лесах южной тайги. Оценка параметров углеродного цикла в темнохвойных лесах южной тайги Центральной Сибири. LAP Lambert Academic Publishing, 2011. 172 с.
  22. Кошурникова Н.Н. Бюджет углерода в темнохвойных лесах южной тайги. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Красноярск, 2007. 20 с.
  23. Лесные экосистемы Енисейского меридиана / Под ред. Плешикова Ф.И. и др. Новосибирск: Изд-во Сибирского отд. РАН. 2002. 356 с.
  24. Мергелов Н.С., Таргульян В.О. Процессы накопления органического вещества в минеральной толще мерзлотных почв приморских низменностей Восточной Сибири // Почвоведение. 2011. № 3. С. 275–287.
  25. Мухортова Л.В. Запас и трансформация органического вещества почвы под лесными культурами. Дис. … канд. биол. наук. Красноярск, 2001. 256 с.
  26. Мухортова Л.В., Кривобоков Л.В., Харпухаева Т.М., Найданов Б.Б. Влияние пожаров на запасы корней и подземного детрита в горнотаежных, лиственничниках Прибайкалья // Лесоведение. 2015. № 4. С. 282–292.
  27. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Методические указания по определению содержания и состава гумуса в почвах (минеральных и торфяных). Л.: Наука, 1975. 105 с.
  28. Прокушкин С.Г., Петренко А.Е., Зырянова О.А., Прокушкин А.С. Запасы фитодетрита и его биогенных элементов в лиственничниках малого водосборного бассейна Центральной Эвенкии // Сибирский лесной журнал. 2022. № 6. С. 34–44. https://doi.org/10.15372/SJFS20220604
  29. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Зинякова Н.Б., Хромычкина Д.П., Соколов Д.А., Лопес де Гереню В.О., Кравченко И.К., Ли Х.3, Семенов М.В. Зависимость разложения органического вещества почвы и растительных остатков от температуры и влажности в длительных инкубационных экспериментах // Почвоведение. 2022. № 7. С. 860–875.
  30. Семенов В.М., Паутова Н.Б., Лебедева Т.Н., Хромычкина Д.П., Семенова Н.А., Лопес де Гереню В.О. Разложение растительных остатков и формирование активного органического вещества в почве инкубационных экспериментов // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1172–1184.
  31. Смагин В.Н., Ильинская С.А., Назимова Д.И., Новосельцева И.Ф., Чередникова Ю.С. Типы лесов гор Южной Сибири. Новосибирск: Наука, 1980. 336 с.
  32. Суслопарова Е.С. Влияние антропогенных нарушений на запасы тонких корней в лесах Зейского заповедника // VIII Дружининские чтения: Матер. Всерос. науч. конф. Хабаровск: ИВЭП ДВО РАН, 2023. С. 446–448.
  33. Титлянова А.А., Косых Н.П., Миронычева-Токарева Н.П., Романова И.П. Подземные органы растений в травяных экосистемах. Новосибирск: Новосибирское отд. изд-ва Наука, 1996. 128 с.
  34. Трефилова О.В. Годичный цикл углерода в сосняках средней тайги Приенисейской Сибири. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Красноярск, 2006. 17 с.
  35. Трефилова О.В., Ведрова Э.Ф., Кузьмичев В.В. Годичный цикл углерода в зеленомошных сосняках Енисейской равнины // Лесоведение. 2011. № 1. С. 3–12.
  36. Хитров Н.Б., Никитин Д.А., Иванова Е.А., Семенов М.В. Пространственно-временная изменчивость содержания и запаса органического вещества почвы: аналитический обзор // Почвоведение. 2023. № 12. С. 1493–1521. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600841
  37. Angst G., Mueller K.E., Nierop K.G., Simpson M.J. Plant or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter // Soil Biol Biochem. 2021. V. 156. P. 108–189. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108189
  38. Bowden R.D., Simpson M.J., Saucedo N.P., Brozell K., DiGiacomo J., Lajtha K. Litter and root sources of soilorganic matter in a temperate forest: Thirty years in the DIRT // Soil Sci. Soc. Am. J. 2024. P. 1–9. https://doi.org/10.1002/saj2.20634
  39. Carter M.R., Gregorich E.G. Soil sampling and methods of analysis. CRC press; 2007.1240 p.
  40. Cotrufo M.F., Wallenstein M.D., Boot C.M., Denef K., Paul E. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs form stable soil organic matter? // Glob Change Biol. 2013. V. 19. P. 988–995. https://doi.org/10.1111/gcb.12113
  41. Crow S.E., Lajtha K., Filley T.R., Swanston C.W., Bowden R.D., Caldwell B.A. Sources of plant-derived carbon and stability of organic matter in soil: implications for global change // Global Change Biology. 2009. V. 15. P. 2003–2019. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2009.01850.x
  42. Eissenstat D.M., Yanai R.D. The ecology of root lifespan // Adv. Ecol. Res. 1997. V. 27. P. 1–60. https://doi.org/10.1016/S0065-2504(08)60005-7
  43. Fahey T.J., Yavitt J.B., Goebel M., Pipes G. Incorporation of fine root detritus into forest soil organic matter // Biogeochemistry. 2023. V. 165(2). P. 151–63. https://doi.org/10.1007/s10533-023-01067-2
  44. Gilbert K.J., Fahey T.J., Maerz J.C., Sherman R.E., Bohlen P., Dombroskie J.J., Grofman P.M., Yavitt J.B. Exploring carbon flow through the root channel in a temperate forest soil food web // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 76. P. 45–52. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2014.05.005
  45. Hendrick R.L., Pregitzer K.S. The dynamics of fine root length, biomass, and nitrogen content in two northern hardwood systems // Can. J. For. Res. 1993. V. 23. P. 2507–2520. https://doi.org/10.1139/x93-312
  46. Jackson R.B., Lajtha K., Crow S.E., Hugelius G., Kramer M.G., Pineiro G. The ecology of soil carbon: pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls // Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 2017. V. 48. P. 419–445. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-112414-054234
  47. Jackson R.B., Mooney H.A., Schulze E.D. A global budget for fine root biomass, surface area, and nutrient contents // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 7362–7366. https://doi.org/10.1073/pnas.94.14.7362
  48. Köster E., Köster K., Berninger F., Prokushkin A., Aaltonen H., Zhou X. & Pumpanen J. Changes in fluxes of carbon dioxide and methane caused by fire in Siberian boreal forest with continuous permafrost // J. Environ. Manage. 2018. V. 228. P. 405–415. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.09.051
  49. Kuzyakov Y., Domanski G. Carbon input by plants into the soil: Review // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2000. V. 163. P. 421–431. https://doi.org/10.1002/1522-2624(200008)163:4<421::AID-JPLN421>3.0.CO;2-R
  50. Lukac M. Fine root turnover. In: Measuring Roots: an updated approach / Eds. Mancuso S. Springer, 2012. P. 363-373.
  51. Lynch J.M., Whipps J. M. Substrate flow in the rhizosphere // Plant Soil. 1990. V. 129. P. 1–10. https://doi.org/10.1007/BF00011685
  52. Mukhortova L.V., Bezkorovainaya I.N. Transformation of organic matter of the Larch Forest soils in the northern taiga of Nizhne-Tungusskoe Plateau, central Siberia // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2006. V. 11. P. 191–202. https://doi.org/10.1007/s11027-006-1020-8
  53. Nierop K.G.J. Origin of aliphatic compounds in a forest soil // Org Geochem. 1998. V. 29. P. 1009–1016. https://doi.org/10.1016/S0146-6380(98)00165-X
  54. Pierson D., Evans L., Kayhani K., Bowden R.D., Nadelhoffer K., Simpson M., Lajtha K. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighing influences from litter quality or quantity // Biogeochemistry. 2021. V. 154. P. 433–449. https://doi.org/10.1007/s10533-021-00804-9
  55. Poirier V., Roume C., Munson A.D. The root of the matter: Linking root traits and soil organic matter stabilization processes // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 120. P. 246–259. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.02.016
  56. Pollierer M.M., Langel R., Korner C., Maraun M., Scheu S. The underestimated importance of belowground carbon input for forest soil animal food webs // Ecol. Lett. 2007. V. 10. P. 729–736. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2007.01064.x
  57. Rasse D.P., Rumpel C., Dignac M. F. Is soil carbon mostly root carbon? Mechanisms for a specific stabilization // Plant Soil. 2005. V. 269. P. 341–356. https://doi.org/10.1007/s11104-004-0907-y
  58. Sokol N.W., Kuebbing S.E., Karlsen-Ayala E., Bradford M.A. Evidence for the primacy of living root inputs, not root or shoot litter, in forming soil organic carbon // New Phytol. 2019. V. 221. P. 233–246. https://doi.org/10.1111/nph.15361
  59. Vogt K.A., Grier C.C., Vogt D.J. Production, turnover and nutrient dynamics of above- and belowground detritus of world forests // Adv. Ecol. Res. 1986. V. 15. P. 303–378. https://doi.org/10.1016/S0065-2504(08)60122-1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Location of the analysed key sites along the gradient of natural and climatic conditions: 1 - forest tundra; 2 - northern taiga; 3 - middle taiga; 4 - southern taiga; 5 - subtaiga; 6 - mountain taiga and subtaiga forests.

Download (262KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Stocks of root detritus in different soil types of forest ecosystems of forest tundra: error bars show standard deviation.

Download (69KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in carbon stock in root detritus depending on stand age: a - northern taiga larch forests; b - middle taiga pine forests; c - mountain taiga pine forests and fir forests.

Download (135KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Contribution of root detritus to carbon stocks in heavy and light soils: 1 - forest tundra; 2 - northern taiga; 3 - middle taiga; 4 - southern taiga; 5 - mountain taiga forests; 6 - mountainous subtaiga forests.

Download (78KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Contribution of root detritus to soil carbon stocks in forest tundra (a), northern (b), middle (c) and southern (d) taiga of Central Siberia and in forest soil of mountain-taiga (e) and sub-taiga (f) belts of mountains of South Siberia: 1 - litter; 2 - root detritus; 3 - soil humus.

Download (227KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences