Динамика содержания водорастворимых форм углерода и азота почв в первые годы после сплошной рубки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Лесозаготовительные мероприятия являются одним из главных антропогенных факторов, изменяющих лесные экосистемы. Эксперимент для изучения влияния лесозаготовительной техники на свойства почв после рубки ельника чернично-зеленомошного заложен на территории средней тайги Республики Коми, в ходе которого провели закладку волоков с разным числом проходов колесной техники (форвардер Ponsse Elephant). Углерод (Свс) и азот (Nвс) водорастворимых соединений играют важную роль в глобальном круговороте элементов. Представлены результаты наблюдений за содержанием водорастворимого органического вещества почвы исходного леса (подзолистая почва) и почв технологических участков вырубки, испытавших различную нагрузку: пасечный участок и волока: три прохода лесозаготовительной техники (подзолистая почва), десять проходов (турбозем детритный), с последующим выравниванием (турбозем). Выявлено значительное увеличение общего углерода в почвах после рубки в первые два года. Наибольшие изменения касаются верхних минеральных горизонтов EL и TURcwd, в которых содержание углерода возрастает в 3–6 раз, 0.32–2.2% по сравнению со значениями почвы исходного леса, 0.45%. Установлено значительное увеличение содержания Свс в органогенных, до 33.4 мг/г, и минеральных горизонтах до 0.46 мг/г почв после сплошной рубки, что в среднем в три раза выше исходных показателей. Содержание водорастворимого азота спустя два года после рубки возрастает в органогенном горизонте от 0.23 до 2.12 мг/г. В минеральных горизонтах после рубки показатель Nвс варьировал от 0.003 до 0.020 мг/г. Значения в почве исходного леса – 0.002–0.011 мг/г. Показано, что содержание углерода и азота водорастворимых соединений можно считать важным критерием изменения почвенного органического вещества в результате лесозаготовительных мероприятий, поскольку концентрации значительно отличаются от исходных показателей.

Об авторах

В. В. Старцев

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vik.startsev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6425-6502
Россия, Сыктывкар

Д. А. Севергина

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Email: vik.startsev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3464-2744
Россия, Сыктывкар

А. А. Дымов

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: vik.startsev@gmail.com
Россия, Сыктывкар; Москва

Список литературы

  1. Атлас почв Республики Коми / Под ред. Добровольского Г.В. и др. Сыктывкар, 2010. 356 с.
  2. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии / Под ред. Таскаева А.И. М.: Наука, 1997. 116 с.
  3. 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/ S 0032180 X 2207005 X
  4. Дымов А.А. Влияние сплошных рубок в бореальных лесах России на почвы (Обзор) // Почвоведение. 2017. № 7. С. 787–798. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 17070024
  5. Дымов А.А. Почвы механически нарушенных участков лесосек средней тайги Республики Коми // Лесоведение. 2018. № 2. С. 130–142. https:/ /doi.org/10.7868/S0024114818020055.
  6. Дымов А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми. М.: ГЕОС, 2020. 336 с. https://doi.org/10.34756/GEOS.2020.10.37828.
  7. Дымов А.А., Старцев В.В. Изменение температурного режима подзолистых почв в процессе естественного лесовозобновления после сплошнолесосечных рубок // Почвоведение. 2016. № 5. С. 599–608. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 16050038
  8. Дымов А.А., Старцев В.В., Горбач Н.М., Севергин a Д.А., Кутявин И.Н., Осипов А.Ф., Дубровский Ю.А. Изменения почв и растительности при разном числе проездов колесной лесозаготовительной техники (средняя тайга, Республика Коми) // Почвоведение. 2022. № 11. С. 1426–1441. https://doi.org/10.31857/ S 0032180 X 22110028
  9. Ильинцев А.С., Наквасина Е.Н. Образование колейности при проходе лесозаготовительной техники в ельниках на двучленных породах // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2021. № 237. С. 168–182. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2021.237.168-182
  10. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв (обзор литературы) // Почвоведение. 2013. № 8. С. 924–936. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 13080042
  11. Караванова Е.И., Золовкина Д.Ф. Влияние состава подстилок на характеристики их водорастворимых органических веществ // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, Почвоведение. 2020. Т. 2. С. 67–73. https://doi.org/10.3103/S0147687420020052.
  12. Лукина Н.В., Полянская Л.М., Орлова М.А. Питательный режим почв северотаежных лесов. М.: Наука, 2008. 342 с.
  13. Луценко Т.Н., Аржанова В.С., Ким Н.Ю. Трансформация растворенного органического вещества почвы на вырубках пихтово-елового леса // Почвоведение. 2006. № 6. С. 674–680.
  14. Паутов Ю.А., Ильчуков С.В. Пространственная структура производных насаждений на сплошных концентрированных вырубках в Республике Коми // Лесоведение. 2001. № 2. С. 27–32.
  15. Росновский И.Н. Повреждение почвы при летних лесозаготовках в западной Сибири // Лесоведение. 2001. № 2. С. 22–26.
  16. Тебенькова Д.Н., Гичан, Д.В., Гагарин Ю.Н. Влияние лесоводственных мероприятии на почвенный углерод:обзор // Вопросы лесной науки. 2022. Т. 5. № 4. С. 21–58. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202252-116.
  17. Титлянова А.А., Шибарева С.В., Самбуу А.Д. Травяные и лесные подстилки в горной лесостепи Тувы // Сиб. экол. журнап. 2004. № 3. С .425-432.
  18. Токарева И.В., Прокушкин А.С. Содержание органического вещества и его водорастворимой фракции в мохово-лишайниковых ассоциациях криолитозоны // Вестник Моск. гос. ун-та леса. Лесной вестник. 2012. № 1. С. 156–159.
  19. Толпешта И.И., Соколова Т.А. Общая концентрация и фракционный состав соединений алюминия в почвенных растворах из торфянисто-подзолисто-глееватых почв на двучленных отложениях // Почвоведение. 2011. № 2. С. 153–164.
  20. Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. М.: ГЕОС, 2011. 266 с.
  21. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Данченко Н.H., Ильин Б.С., Лазарев В.И. Водоэкстрагируемый и микробный углерод черноземов разного вида использования // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2022. Вып. 112. С. 122–133. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2022-112-122-133.
  22. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Яшин М.А., Фарходов Ю.Р., Ильин Б.С., Лазарев В.И. Содержание органического углерода и азота в размерных фракциях агрегатов типичных черноземов // Почвоведение. 2021. № 3. С. 320–326. https://doi.org/10.31857/ S 0032180 X 21030072
  23. Шамрикова Е.В., Груздев И.В., Пунегов В.В., Хабибуллина Ф.М., Кубик О.С. Водорастворимые низкомолекулярные органические кислоты в автоморфных суглинистых почвах тундры и тайги // Почвоведение. 2013. № 6. С . 691–697. https://doi.org/10.7868/S0032180X13060099
  24. Achat D.L., Fortin M., Landmann G., Ringeval B., Augusto L. Forest soil carbon is threatened by intensive biomass harvesting // Scientific Reports. 2015. V. 5(1). P. 1–10.
  25. Bengtsson M.M., Attermeyer K., Catalán N. Interactive effects on organic matter processing from soils to the ocean: are priming effects relevant in aquatic ecosystems? // Hydrobiologia. 2018. V. 822. P. 1–17.
  26. Camino-Serrano M., Gielen B., Luyssaert S., Ciais P., Vicca S., Guenet B. et al. Linking variability in soil solution dissolved organic carbon to climate, soil type, and vegetationtype // Global Biogeochemical Cycles. 2014. V. 28(5). P. 497–509. https://doi.org/10.1002/2013g b004726.
  27. Camino-Serrano, M., Guenet B., Luyssaert S., Ciais P., Bastrikov V., De Vos B. et al. Orchidee-som: Modeling soil organic carbon (SOC) and dissolved organic carbon (DOC) dynamics along vertical soil profiles in Europe // Geoscientific Model Development. 2018. V. 11. 937–957.
  28. Chantigny M.H. Dissolved and water-extractable organic matter in soils: A review on the influence of land use and management practices // Geoderma. 2003. V. 113(3–4). P. 357–380.
  29. Christ M.J., David М. В. Temperature and moisture effects on the production of dissolved organic carbon in a spodosol // Soil Biol. Biochem. 1996. V. 28(9). P. 1191–1199.
  30. De Feudis M., Cardelli V., Massaccesi L., Hofmann D., Berns A.E., Bol R., Cocco S., Corti G., Agnelli A. Altitude affects the quality of the water-extractable organic matter (WEOM) from rhizosphere and bulk soil in European beech forests // Geoderma. 2017. V. 302. P. 6–13. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.04.015.
  31. Delprat L., Chassin P., Linères M., Jambert C. Characterization of dissolved organic carbon in cleared forest soils converted to maize cultivation // Eur. J. Agron. 1997. V. 7. P. 201–210.
  32. Don A., Kalbitz K. Amounts and degradability of dissolved organic carbon from foliar litter at different decomposition stages // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37(12). P. 2171–2179.
  33. Dymov A.A. Soils of Native Forest Ecosystems // Eurasian Soil Science. 2023. V. 56. Suppl. 1. P. S36–S45. https://doi.org/10.1134/S1064229323700199.
  34. Dymov A.A. Soils of Cuttings and Secondary Forests // Eurasian Soil Science. 2023. V. 56. Suppl. 1. P. S46–S83. https://doi.org/10.1134/S1064229323700205.
  35. Ellert B.H., Gregorich E.G. Management-induced changes in the actively cycling fractions of soil organic matter // Carbon Forms and Functions in Forest Soils / Eds. McFee W.W et al. Madison, 1995. P. 119–138.
  36. Filep T., Rékási M. Factors controlling dissolved organic carbon (DOC), dissolved organic nitrogen (DON) and DOC/DON ratio in arable soils based on a dataset from Hungary // Geoderma. 2011. V. 162. P. 312–318.
  37. Gmach M.R., Cherubin M.R., Kaiser K., Cerri C.E.P. Processes that influence dissolved organic matter in the soil: A review // Sci. Agric. 2020. V. 77(3). P. 1–10. https://doi.org/10.1590/1678-992X-2018-0164.
  38. Gregorich E.G., Liang B.C., Drury C.F., Mackenzie A.F., McGill W.B. Elucidation of the source and turnover of water soluble and microbial biomass carbon in agricultural soils // Soil Biol. Biochem. 2000. V. 32. P. 581–587.
  39. Guggenberger G., Zech W. Dissolved organic-carbon control in acid forest soils of the Fichtelgebirge (Germany) as revealed by distribution patterns and structural composition analyses // Geoderma. 1993. V. 59(1–4). P. 109–129. https://doi.org/10.1016/0016-7061(93)90065 -S
  40. Guo Z., Wang Y., Wan Z., et al. Soil dissolved organic carbon in terrestrial ecosystems: Global budget, spatial distribution and controls // Global Ecol Biogeogr. 2020. V. 29(12). P. 2159–2175. https://doi.org/10.1111/geb.13186.
  41. Hongve D. Production of dissolved organic carbon in forested catchments // J. Hydrology. 1999. V. 224(3–4). P. 91–99.
  42. Johnson D.W., Curtis P.S. Effects of forest management on soil C and N storage: metaanalysis // Forest Ecology and Management. 2001. V. 140(2–3). P. 227–238.
  43. Kaiser K., Kaupenjohann M., Zech W. Sorption of dissolvedorganic carbon in soils: effects of soil sample storage, soil-to-solution ratio, and temperature // Geoderma. 2001. V. 99. P. 317–28. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(00)00077-X
  44. Kaiser K., Guggenberger G., Zech W. Sorption of DOM and DOM fractions to forest soils // Geoderma. 1996. V. 74. P. 281–303.
  45. Kaiser K., Kalbitz K. Cycling downwards: dissolved organic matter in soils // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 52. P. 29–32. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.04.002
  46. Kalbitz K., Soliger S., Park J.-H., Michalzik B., Matzner E. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review // Soil Science. 2000. V. 165. P. 277–304. https://doi.org/10.1097/00010694-200004000-00001.
  47. Kling G.W. Land-water interactions: The influence of terrestrial diversity on aquatic ecosystems // Arctic and alpine biodiversity. Ecological Studies. 1995. V. 113. https://doi.org/10.1007/978-3-642-78966-3_21.
  48. Kuzyakov Y., Domanski G. Carbon input by plants into the soil // J. Plant Nutrition Soil Sci. 2000. V. 163. P. 421–431.
  49. Lal R. Forest soils and carbon sequestration // Forest Ecology and Management. 2005. V. 220. Р. 242–258.
  50. Marschner B., Bredow A. Temperature effects on release and ecologically relevant properties of dissolved organic carbon in sterilized and biologically active soil samples // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34(4). P. 459–466. https://doi.org/10.1016/s0038-0717(01)00203-6.
  51. McDowell W.H. Dissolved organic matter in soils: future directions and unanswered questions // Geoderma. 2003. V. 113. P. 179–186.
  52. Meyer J.L., Tate C.M. The effects of watershed disturbance on dissolved organic carbon dynamics of a stream // Ecology. 1983. V. 64. P. 33–44.
  53. Michalzik B., Tipping E., Mulder J., Gallardo-Lancho J.F., Matzner E., Bryant C.L., Clarke N., Lofts S., Vicente-Esteban M. Modelling the production and transport of dissolved organic carbon in forest soils // Biogeochemistry. 2003. V .66. P. 241–264.
  54. Moers M.E., Baas M., de Leeuw J. W., Boon J.J., Schenck P.A. Occurrence and origin of carbohydrates in peat samples from a red mangrove environment as reflected by abundances of neutral monosaccharides // Geochim. Cosmochim. Acta. 1990. V. 54. P. 2463–2472.
  55. Moore T.R. Dynamics of dissolved organic carbon in forested and disturbed catchments, Westland, New Zealand: 1. Maimai // Water Resour. Res. 1989. V. 25. P. 1321–1330.
  56. Neff J.C., Asner G.P. Dissolved organic carbon in terrestrial ecosystems: synthesis and a model // Ecosystems. 2001. V. 4. P. 29–48. https://doi.org/10.1007/s100210000058.
  57. Perminova I.V., Dubinenkov I.V., Kononikhin A.S., Konstantinov A.I., Zherebker A.Ya., Andzhushev M.M., Lebedev V.A. at al. Molecular Mapping of Sorbent Selectivities with Respect to Isolation of Arctic Dissolved Organic Matter as Measured by Fourier Transform Mass Spectrometry // Environ. Sci. Technol. 2014. V. 48(13). P. 7461-7468. https://doi.org/10.1021/es5015423
  58. Pesantez J., Mosquera G.M., CrespoP., Breuer L., Windhorst D. Effect of land cover and hydro-meteorological controls on soil water DOC concentrations in a high-elevation tropical environment // Hydrological Processes. 2018. V. 32. P. 2624–2635. https://doi.org/10.1002/hyp.13224.
  59. Puhlick J.J., Fernandez I.J., Weiskittel A.R. Evaluation of forest management effects on the mineral soil carbon pool of a lowland, mixed-species forest in Maine, USA // Can. J. Soil Sci. 2016. V. 96(2). P. 207–218.
  60. Qualls R.G., Haines B.L., Swank W.T., Tyler S.W. Soluble organic and inorganic nutrient fluxes in clearcut and mature deciduous forests // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. 64. 1068–1077. https://doi.org/10.2136/sssaj2000.6431068x.
  61. Roper M.M., Gupta V., Murphy D. Tillage practices altered labile soil organic carbon and microbial function without affecting crop yields // Austral. J. Soil Res. 2010. V. 48. P. 274–285.
  62. Saidy A.R., Smernik R.J., Baldock J.A., Kaiser K., Sanderman J. Microbial degradation of organic carbon sorbed to phyllosilicate clays with and without hydrous iron oxide coating // Eur. J. Soil Sci. 2015. V. 66. P. 83–94.
  63. Saidy A.R., Smernik R.J., Baldock J.A., Kaiser K., Sanderman, J. The sorption of organic carbon onto differing clay minerals in the presence and absence of hydrous iron oxide // Geoderma. 2013. V. 209–210. P. 15–21. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.05.026.
  64. Scharlemann J.P., Tanner E.V., Hiederer R., Kapos V. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool // Carbon Managment. 2014. V. 5. P. 81–91. https://doi.org/10.4155/cmt.13.77.
  65. Shabani S. Modelling and mapping of soil damage caused by harvesting in Caspian forests (Iran) using CART and RF data mining techniques // J. Forest Sci. 2017. V. 63. P. 425–432.
  66. Silveira M.L.A. Dissolved organic carbon and bioavailability of N and P as indicators of soil quality // Scientia Agricola. 2005. V. 62. P. 502–508. https://doi.org/10.1590/S0103-90162005000500017.
  67. Solgi A., Naghdi R., Tsioras P.A., Nikooy M. Soil Compaction and Porosity Changes Caused During the Operation of Timberjack 450C Skidder in Northern Iran // Croatian J. Forest Engineering. 2015. V. 36(2). P. 217–225.
  68. Startsev V.V., Yakovleva E.V., Kutyavin I.N., Dymov A.A. Fire impact on the carbon pools and basic properties of Retisols in native spruce forests of European North and Central Siberia of Russia // Forests. 2022 V. 13. P. 1135. https://doi.org/10.3390/f13071135.
  69. Van Gaelen N., Verschoren V., Clymans W., Poesen J., Govers G., Vanderborght J., Diels J. Controls on dissolved organic carbon export through surface runoff from loamy agricultural soils. Geoderma. 2014. V. 226–227(1). P. 387–396. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.03.018.
  70. Xu X., Schimel J.P., Janssens I.A., Song X., Song C., Yu G. et al. Global pattern and controls of soil microbial metabolic quotient // Ecological Monographs. 2017. V. 87(3). P. 429–441. https://doi.org/10.1002/ecm.1258.
  71. Xu X., Thornton P. E., Post W.M. A global analysis of soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus in terrestrial ecosystems // Global Ecology and Biogeography. 2013. V. 22(6). P. 737–749. https://doi.org/10.1111/geb.12029.
  72. Xu X., Wang N., Lipson D.L., Sinsabaugh R.L., Schimel J.P., He L. et al. Microbial macroecology: in search of mechanisms governing microbial biogeographical patterns // Global Ecology and Biogeography. 2020. https://doi.org/10.1111/geb.13162.
  73. Zhou W.J., Sha L.Q., Schaefer D.A., Zhang Y.P., Song Q.H., Tan Z.H., Deng Y. et al. Direct effects of litter decomposition on soil dissolved organic carbon and nitrogen in a tropical rainforest // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 81. P. 255–258.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расположение участка вырубки и объекта исследований. Изображение участка взято с сайта Google Maps

Скачать (287KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Профили исследованных почв. ИЛ – исходный лес, П – пасека (слева, внизу), 3П – разрез на волоке с тремя проходами, 10П – разрез на волоке с десятью проходами, 10Р – разрез на волоке с десятью проходами и последующим выравниванием

Скачать (507KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержание углерода Собщ (а) и Свс (b), азота Nобщ (с) и Nвс (d) в верхних минеральных горизонтах EL и TURcwd за 2021–2022 гг. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Обозначения почв см. рис. 2

Скачать (127KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сезонная динамика Свс и Nвс в исследованных почвах исходного (2020 г.) и пасечного участка (2021–2022 гг.) в органогенных (a) и минеральных (b) горизонтах. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95

Скачать (281KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сезонная динамика Свс и Nвс в верхних минеральных горизонтах почв волоков (2021–2022 гг). ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Обозначения почв см. рис. 2

Скачать (147KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024