Stable Carbon Isotopic Composition of Organic Matter in Cambisols of Eastern Sayan Foothills

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Understanding the variability of stable carbon isotopic composition of organic matter in Cambisols, one of the most widespread soils in the temperate zone, can shed light on the response of forest soils to changes in environmental conditions. The studies were carried out in the foothills of the northeastern macroslope of the Eastern Sayan ridge. For the first time, the formation of Cambisols here was established. Investigated soils are one of the isotopically lightest soils of the Baikal region which is most associated with favorable moistening conditions for the vegetation that forms soil organic matter (δ13С values of the dominant species vary from –32.6 to –27.8‰). The variations in δ13С values from site to site do not exceed 1‰ (–25.81…–26.81‰) for the organic matter of surface soil horizons despite significant differences in the input and subsequent transformation of organic matter. At the same time, there is a significant intrasoil gradient of δ13С values (4–5‰). An analysis of differences in the intensity of carbon turnover, expressed through the slope of the linear regression (β) between δ13C values and log-transformed content of total carbon in the soil, which varies with depth, showed that, most likely, the isotope profile of the studied Cambisols is formed under the influence of microbial utilization of organic matter, which manifests itself with different intensity depending on the composition of organic-rich horizons. The increased intensity of mineralization of labile components of plant material in the upper part of the organic profile of soils with developed litter and organic-accumulative horizons can lead to a noticeable increase in δ13С values and a more pronounced β, in contrast to soils with a predominance of mineral horizons in the organic profile.

About the authors

V. A. Golubtsov

Sochava Institute of Geography, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tea_88@inbox.ru
Russia, 664033, Irkutsk

Yu. V. Vanteeva

Sochava Institute of Geography, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russia, 664033, Irkutsk

M. A. Bronnikova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russia, 119017 , Moscow

A. A. Cherkashina

Sochava Institute of Geography, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russia, 664033, Irkutsk

T. I. Znamenskaya

Sochava Institute of Geography, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russia, 664033, Irkutsk

References

  1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. 288 с.
  2. Артемьева З.С., Данченко Н.Н., Зазовская Э.П., Колягин Ю.Г., Кириллова Н.П., Когут Б.М. Изотопный состав углерода и химическая структура органического вещества типичного чернозема в условиях контрастного землепользования // Почвоведение. 2021. № 6. С. 686–700.
  3. Байкал. Атлас. М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1993. 168 с.
  4. Балсанова Л.Д., Гынинова А.Б., Цыбикдоржиев Ц.Ц., Гончиков Б.-М.Н., Шахматова Е.Ю. Генетические особенности почв бассейна озера Котокельское (Восточное Прибайкалье) // Почвоведение. 2014. № 7. С. 781–789.
  5. Бендер О.Г., Зотикова А.П., Бендер А.Г. Состояние фотосинтетического аппарата разновозрастной хвои кедра сибирского на южном пределе произрастания в горах Алтая // Лесные биогеоценозы бореальной зоны: география, структура, функции, динамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. С. 380–383.
  6. Вайшля О.Б., Карбышева К.С., Бендер О.Г. Особенности микотрофности Pinus sibirica Du Tour в кедровниках Томской области // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019. Вып. 229. С. 7–22.
  7. Ведрова Э.Ф. Интенсивность деструкции органического вещества серых почв в лесных экосистемах южной тайги Центральной Сибири // Почвоведение. 2008. № 8. С. 973–982.
  8. Воронин П.Ю., Мухин В.А., Веливецкая Т.А., Игнатьев А.В., Кузнецов Вл.В. Изотопный состав углерода и азота в органах и тканях Betula pendula // Физиология растений. 2017. Т. 64. № 2. С. 127–132.
  9. Воропай Н.Н., Киселев М.В., Черкашина А.А. Мониторинг температуры почв на многолетнемерзлых породах в естественных и антропогенно нарушенных условиях Тункинской котловины // Лед и снег. 2019. Т. 59. № 4. С. 517–528. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-4-421
  10. Герасимова М.И., Губин С.В., Шоба С.А. Микроморфология почв природных зон СССР. Пущино: Пущинский научный центр РАН, 1992. 214 с.
  11. Голубцов В.А. Состав стабильных изотопов углерода органического вещества позднеплейстоценовых и голоценовых почв Байкальского региона // Почвоведение. 2020. № 6. С. 673–690.
  12. Голубцов В.А., Вантеева Ю.В., Воропай Н.Н. Влияние влагообеспеченности на состав стабильных изотопов углерода органического вещества почв Байкальского региона // Почвоведение. 2021. № 10. С. 1182–1194.
  13. Голубцов В.А., Вантеева Ю.В., Воропай Н.Н., Василенко О.В., Черкашина А.А., Зазовская Э.П. Состав стабильных изотопов углерода (δ13С) как показатель динамики органического вещества в почвах западного побережья озера Байкал // Почвоведение. 2022. № 12. С. 1489–1504. https://doi.org/10.31857/S0032180X22600597
  14. Государственная геологическая карта Российской Федерации. М-б 1 : 1 000 000 (третье поколение). Серия Ангаро-Енисейская. Лист N-48 – Иркутск. Объяснительная записка. СПб.: Картфабрика ВСЕГЕИ, 2009. 574 с.
  15. Жуков В.М. Климат // Предбайкалье и Забайкалье. М.: Наука, 1965. С. 91–126.
  16. Караваева Н.А., Таргульян В.О., Черкинский А.Е., Целищева Л.К., Грачева Р.Г., Марголина Н.Я., Ильичев Б.А., Горячкин С.В., Александровский А.Л., Хитров Н.Б., Замотаев И.В., Панкова Е.И., Айдаров И.П., Ромашкевич А.И., Черняховский А.Г., Бирина А.Г., Гоголев А.И., Розанов А.Б. Элементарные почвообразовательные процессы. Опыт концептуального анализа, характеристика, систематика. М.: Наука, 1992. 184 с.
  17. Караванова Е.И., Золовкина Д.Ф. Влияние состава подстилок на характеристики их водорастворимых органических веществ // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2020. № 2. С. 17–23.
  18. Карпачевский Л.О., Киселева Н.К. О методике определения и некоторых особенностях выделения СО2 из почв под широколиственно-еловыми лесами // Почвоведение. 1969. № 7. С. 32–42.
  19. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Лигниновые фенолы в почвах как биомаркеры палеорастительности // Почвоведение, 2015. № 9. С. 1073–1086.
  20. Королюк А.Ю. Использование экологических шкал в геоботанических исследованиях // Актуальные проблемы геоботаники. Петрозаводск, 2007. С. 176–197.
  21. Кузьмин В.А. Почвенно-экологическое районирование Иркутской области // Почвоведение. 2002. № 12. С. 1436–1444.
  22. Ландшафты юга Восточной Сибири [Карты]: [физическая карта] / Aвт. В.С. Михеев, В.А. Ряшин, 1 : 1 500 000. М.: ГУГК, 1977. 4 л.
  23. Меняйло О.В., Макаров М.И., Ченг Ш.-К. Изотопный состав углерода (δ13C) и азота (δ15N) в хвое/листьях и почве в модельных древостоях разных пород // Доклады АН. 2014. Т. 456. С. 738–740. https://doi.org/10.7868/S0869565214180285
  24. Меняйло О.В., Матвиенко А.И., Макаров М.И., Ченг Ш.-К. Положительный отклик минерализации углерода на внесение азота в лесных почвах Сибири // Доклады АН. 2014. Т. 456. № 1. С. 117–120. https://doi.org/10.7868/S0869565214130271
  25. Мировая коррелятивная база почвенных ресурсов: основа для международной классификации и корреляции почв. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2007. 278 с.
  26. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1–6. Вып. 22. Иркутская область и западная часть Бурятской АССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 604 с.
  27. Прудникова А.Ю., Чепинога В.В. Флора бассейна реки Тойсук (предгорья Восточного Саяна, Иркутская область). Иркутск: Изд-во ИГУ, 2012. 189 с.
  28. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
  29. Смоленцев Б.А., Смоленцева Е.Н. Буроземы Кузнецкого Алатау, их свойства и разнообразие // Вестник Том. гос. ун-та. Биология. 2020. № 50. С. 6–27. https://doi.org/10.17223/19988591/50/1
  30. Сымпилова Д.П., Бадмаев Н.Б. Почвообразование в ландшафтах контакта тайги и степи Селенгинского среднегорья (Западное Забайкалье) // Почвоведение. 2019. № 2. С. 140–151.
  31. Титлянова А.А., Булавко Г.И., Миронычева-Токарева Н.П., Хвощевская М.Ф. Запасы органического углерода в почвах Западной Сибири // Почвоведение. 1994. № 10. С. 49–53.
  32. Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических исследованиях // Известия РАН. Сер. биологическая. 2007. № 4. С. 475–489.
  33. Тиходеева М.Ю., Лебедева В.Х. Практическая геоботаника (анализ состава растительных сообществ). СПб.: Изд-во СПбГУ, 2015. 166 с.
  34. Убугунова В.И., Цыбжитов Ц.Х., Большаков В.А. Бурые горно-лесные почвы Прибайкалья // Почвоведение. 1985. № 7. С. 15–21.
  35. Убугунов Л.Л., Гынинова А.Б., Белозерцева И.А., Доржготов Д., Убугунова В.И., Сороковой А.А., Убугунов В.Л., Бадмаев Н.Б., Гончиков Б.Н. Географические закономерности распределения почв на водосборной территории оз. Байкал (к карте “почвы бассейна оз. Байкал”) // Природа Внутренней Азии. 2018. № 2(7). С. 7–26. https://doi.org/10.18101/2542-0623-2018-2-7-26
  36. Цыбжитов Ц.Х., Убугунова В.И., Ермакова О.Д. Водно-физические свойства и гидротермический режим буроземов Прибайкалья // Почвоведение. 1989. № 4. С. 65–70.
  37. Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. М.: Наука, 1983. 198 с.
  38. Экологические шкалы и методы анализа экологического разнообразия растений. Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т., 2010. 368 с.
  39. Acton P., Fox J., Campbell E., Rowe H., Wilkinson M. Carbon isotopes for estimating soil decomposition and physical mixing in well-drained forest soils // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2013. V. 11(4). P. 1532–1545. https://doi.org/10.1002/2013JG002400
  40. Amundson R. The carbon budget in soils // Annual Rev. Earth Planetary Sci. 2001. V. 29. P. 535–562.
  41. Ahulu E.M., Nakata M., Nonaka M. Arum-and Paris-type arbuscular mycorrhizas in a mixed pine forest on sand dune soil in Niigata Prefecture, central Honshu, Japan // Mycorrhiza. 2005. V. 15. P. 129–136.
  42. Bowling D.R., Pataki D.E., Randerson J.T. Carbon isotopes in terrestrial ecosystem pools and CO2 fluxes // New Phytologist. 2008. V. 178. P. 24-40. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02342.x
  43. Brooks J.R., Flanagan L.B., Varney G.T., Ehleringer J.R. Vertical gradients in photosynthetic gas exchange characteristics and refixation of respired CO2 within boreal forest canopies // Tree Physiol. 1997. V. 17. P. 1–12.
  44. Brunn M., Spielvogel S., Sauer T., Oelmann Y. Temperature and precipitation effects on δ13C depth profiles in SOM under temperate beech forests // Geoderma. 2014. V. 235–236. P. 146–153. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.07.007
  45. Camino-Serrano M., Tifafi M., Balesdent J., Hatté C., Peñuelas J., Cornu S., Guenet, B. Including stable carbon isotopes to evaluate the dynamics of soil carbon in the land-surface model ORCHIDEE // J. Adv. Modeling Earth Systems. 2019. V. 11. P. 3650–3669. https://doi.org/10.1029/2018MS001392
  46. Dawson T.E., Mambelli S., Plamboeck A.H., Templer P.H., Tu K.P. Stable isotopes in plant ecology // Annual Reviews of Ecology and Systematics. 2002. V. 33. P. 507–559. https://doi.org/10.1146/annurev.ecolsys.33.020602.095451
  47. Dümig A., Rumpel C., Dignac M.F., Kögel-Knabner, I. The role of lignin for the δ13C signature in C-4 grassland and C-3 forest soils // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 57. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.06.018
  48. Ehleringer J.R., Buchmann N., Flanagan L.B. Carbon isotope ratios in belowground carbon cycle processes // Ecol. Appl. 2000. V. 10. P. 412–422.
  49. Eswaran H., Reich P.F., Kimble J.M., Beinroth F.H., Padmanabhan E.M.P. Global carbon stocks // Global Change and Pedogenic Carbonate. CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. P. 15–25.
  50. Farquhar G.D., Ehleringer J.R., Hubick K.T. Carbon isotope discrimination and photosynthesis // Annual Review Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1989. V. 40. P. 503–537.
  51. Flanagan L.B., Kubien D.S., Ehleringer J.R. Spatial and temporal variation in the carbon and oxygen stable isotope ratio of respired CO2 in a boreal forest ecosystem // Tellus B: Chem. Phys. Meteoro. 1999. V. 51(2). P. 367–384. https://doi.org/10.3402/tellusb.v51i2.16306
  52. Garten C.T., Cooper L.W., Post W.M., Hanson P.J. Climate Controls on Forest Soil C Isotope Ratios in the Southern Appalachian Mountains // Ecology. 2000. V. 81(4). P. 1108–1119.
  53. Garten C.T., Post W.M., Hanson P.J., Cooper L.W. Forest soil carbon inventories and dynamics along an elevation gradient in the southern Appalachian Mountains // Biogeochemistry. 1999. V. 45. P. 115–145.
  54. Giesemann P. Understanding plant-fungal nutritional strategies using stable isotopes. Bayreuth, 2021. 165 p.
  55. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. Past: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. V. 4(1). 4. http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm
  56. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports. № 106. Rome, 2015. 192 p.
  57. Kögel-Knabner I., Amelung W. Soil organic matter in major pedogenic soil groups // Geoderma. 2021. V. 384. 114785. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114785
  58. Leifeld J., von Lützow M. Chemical and microbial activation energies of soil organic matter decomposition // Biol Fertil Soils. 2014. V. 50. P. 147–153. https://doi.org/10.1007/s00374-013-0822-6
  59. Lyu M., Xie J., Giardina C.P., Vadeboncoeur M.A., Feng X., Wang M., Ukonmaanaho L., Lin T-Ch., Kuzyakov Y., Yang Y. Understory ferns alter soil carbon chemistry and increase carbon storage during reforestation with native pine on previously degraded sites // Soil Biology and Biochemistry. 2019. V. 132. P. 80–92. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.02.004
  60. Nadelhoffer K.F., Fry B. Controls on natural 15N and 13C abundances in forest soil organic matter // Soil Sci. Soc. Am. J. 1988. V. 5(6). P. 1633–1640.
  61. Nakanishi T., Atarashi-Andoh M., Koarashi J., Saito-Kokubu Y., Hirai K. Carbon isotopes of water-extractable organic carbon in a depth profile of forest soil imply a dynamic relationship with soil carbon // Eur. J. Soil Sci. 2012. V. 63(4). P. 495–500. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2012.01465.x
  62. Persson H. The high input of soil organic matter from dead tree fine roots into the forest soil // Int. J. Forestry Res. 2012. P. 217402. https://doi.org/10.1155/2012/217402
  63. Pregitzer K.S., Euskirchen E.S. Carbon cycling and storage in world forests: biome patterns related to forest age // Global Change Biol. 2004. V. 10. P. 2052-2077. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2004.00866.x
  64. Wang C., Chen Z., Brunner I., Zhang Z., Zhu X., Li J., Yin H., Guo W., Zhao T., Zheng X., Wang S., Geng Z., Shen S., Jin D., Li M.-H. Global patterns of dead fine root stocks in forest ecosystems // J. Biogeography. 2018. V. 45. P. 1378–1394. https://doi.org/10.1111/jbi.13206
  65. Wang C., Houlton B.Z., Liu D., Hou J., Cheng W., Bai E. Stable isotopic constraints on global soil organic carbon turnover // Biogeosciences. 2018. V. 15. P. 987–995. https://doi.org/10.5194/bg-15-987-2018
  66. Werth M., Kuzyakov Y. 13C fractionation at the root–microorganisms–soil interface: a review and outlook for partitioning studies // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42(9). P. 1372–1384. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2010.04.009

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1MB)
Indexing metadata
3.

Download (3MB)
Indexing metadata
4.

Download (8MB)
Indexing metadata
5.

Download (5MB)
Indexing metadata
6.

Download (66KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.А. Голубцов, Ю.В. Вантеева, М.А. Бронникова, А.А. Черкашина, Т.И. Знаменская

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies