Soils and Carbon Pools on Shungite Rocks of South Karelia under Different Types of Land Use

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Azonal organo-accumulative soils (Umbrisols) on shungite rocks and the influence of type of land use on their properties and ecosystem carbon stocks were investigated. Сhanges in soil profile structure, basic agrochemical and microbiological indicators of upper horizons, Corg and Cmik stocks in a meter layer of soils and sites carbon pool structure were analyzed. Pine forest as a control, arable land, hayfield, as well as young alder and middle-aged mixed forest were studied. Land use change does not lead to a significant transformation of the properties of shungite soils in contrast to zonal soils. The removal of stones has the greatest influence, leading to the formation of developed arable horizons. The soils are characterized by a high stony, a weak-divided thin profile, low density values, and a pH close to neutral. The wide range of Corg content values from 1.6% to 11.7% is due to the heterogeneous composition of parent rocks. Agricultural development contributes to the accumulation of exchangeable bases, available potassium and phosphorus, the content of which are initially increased in schungite soils. All sites are characterized by a high rate of organic matter mineralization (C/N ratio not higher than 17). A small content of Cmic (84–245 mg C/kg) was noted in the soils, which may be due to the low availability of substrate because of lithogenic origin of carbon and the increased concentrations of heavy metals and lanthanides in schungite rocks. The structure of Corg and Сmic stocks depends on carbon content, keep of stones and presence of dense bedrock. Soil organic carbon stocks range from 17–251 t C/ha, while Cmic stocks range from 6–43 g C/m2. The total ecosystem carbon stocks are maximum in hayfield (259 t C/ha) and minimum in young forest (74 t C/ha). The stocks of carbon in the sites of arable land, middle-aged and control forests are within 169–211 t C/ha.

About the authors

I. A. Dubrovina

Institute of Biology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

E. V. Moshkina

Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

A. V. Tuyunen

Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

N. V. Genikova

Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

A. Yu. Karpechko

Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

M. V. Medvedeva

Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: vorgo@mail.ru
Russia, 185910, Petrozavodsk

References

  1. Ананко Т.В., Герасимова М.И., Конюшков Д.Е. Почвы горных территорий в классификации почв России // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 92. С. 122–146. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2018-92-122-146
  2. Атлас Карельской АССР / Под ред. Дурова А.Г. М.: ГУГК СССР, 1989. 40 с.
  3. Богданова М.С. Ландшафты Заонежского полуострова (Республика Карелия) // Известия Русского географического общества. 2021. № 1. С. 32–58. https://doi.org/10.31857/S086960712101002X
  4. Бондарь Е.Б., Клесмент И.Р., Куузик М.Г. Исследование структуры и генезиса шунгита // Горючие сланцы. 1987. 4/4. С. 377–393.
  5. Борисов П.А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: КФАН СССР, 1956. 92 с.
  6. Васенёв В.И., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В. Влияние поллютантов (тяжелые металлы, дизельное топливо) на дыхательную активность конструктоземов // Экология. 2013. № 6. С. 436–445. https://doi.org/10.7868/S0367059713060115
  7. Дубровина И.А. Изменение содержания общего углерода, азота и фосфора в почвах таежной зоны Республики Карелия при сельскохозяйственном использовании // Вестник Томского гос. ун-та. Биология. 2018. № 41. С. 27–41. https://doi.org/10.17223/19988591/41
  8. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Сидорова В.А., Туюнен А.В., Карпечко А.Ю., Геникова Н.В., Медведева М.В., Мамай А.В., Толстогузов О.В., Кулакова Л.М. Влияние типа землепользования на свойства почв и структуру экосистемных запасов углерода в среднетаежной подзоне Карелии // Почвоведение. 2021. № 11. С. 1392–1406. https://doi.org/10.31857/S0032180X21110058
  9. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Туюнен А.В., Геникова Н.В., Карпечко А.Ю., Медведева М.В. Динамика свойств почв и экосистемные запасы углерода при разных типах землепользования (средняя тайга Карелии) // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1112–1125. https://doi.org/10.31857/S0032180X22090052
  10. Ерёмин Д.И. Изменение содержания и качества гумуса при сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного лесостепной зоны Зауралья // Почвоведение. 2016. № 5. С. 584–592. https://doi.org/10.7868/S0032180X1605004X
  11. Загуральская Л.М., Морозова Р.М. Биологическая активность почв на шунгитовых породах // Почвоведение. 2003. № 1. С. 90–96.
  12. Исаченко Т.Е. Историко-географическое районирование побережья Онежского озера для рубежа XVIII–XIX вв. и его современная интерпретация // Известия русского географического общества. 2018. Т. 150. № 2. С. 48–72.
  13. История Карелии с древнейших времен до наших дней / Под ред. Кораблевой Н.А. и др. Петрозаводск: Периодика, 2001. 944 с.
  14. Кикеева А.В., Чаженгина С.Ю., Чаженгина Е.А. Редкоземельные элементы в шунгитовых почвах: содержание, распределение и особенности микоризообразования // Принципы экологии. 2019. Т. 8. № 1. С. 32–46.
  15. Красильников П.В. Устойчивые соединения углерода в почвах: происхождение и функции // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1131–1144. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090075
  16. Крупеник В.А., Свешникова К.Ю. Корреляция разреза ОПС с опорными разрезами Онежской структуры // Онежская палеопротерозойская структура (геология, тектоника, глубинное строение и минерагения) Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. С. 190–195.
  17. Морозова Р.М., Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Почвы и почвенный покров Заонежья Карелии // Тр. КарНЦ РАН. 2004. Вып. 6. С. 69–89.
  18. Пономарев А.П. Шунгитовые породы как источник редкоземельных ультрамикроэлементов – лантаноидов // Микроэлементы в медицине. 2019. № 20(2). С. 55–65. https://doi.org/10.19112/2413-6174-2019-20-2-55-65
  19. Пономарев А.П., Тютиков С.Ф., Подколзин И.В., Большаков Д.Б. Оценка химического состава шунгита Зажогинского месторождения для его использования в биотехнологии // Геохимия. 2022. Т. 67. № 2. С. 171–181. https://doi.org/10.31857/S0016752522020078
  20. Приходько В.Е., Манахов Д.В. Изменение органического вещества почв степного Зауралья при переводе в заповедный режим // Почвоведение. 2014. № 4. С. 401–409. https://doi.org/10.7868/S0032180X14020099
  21. Рыбаков Д.С. Влияние палеопротерозойских образований онежской структуры на геохимические особенности почв Заонежья // Тр. Карельского научного центра РАН № 10. 2020. С. 72–83. https://doi.org/10.17076/geo1283
  22. Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Пространственная вариабельность запасов органического углерода в почвах лесных и степных биогеоценозов // Почвоведение. 2008. № 12. С. 1429–1437.
  23. Рыжова И.М., Телеснина В.М., Ситникова А.А. Динамика свойств почв и структуры запасов углерода в постагрогенных экосистемах в процессе естественного лесовосстановления // Почвоведение. 2020. № 2. С. 230–243. https://doi.org/10.31857/S0032180X20020100
  24. Сидорова В.А., Юркевич М.Г. Запасы и профильное распределение биофильных элементов в естественных и антропогенно трансформированных почвах Заонежья // Агрофизика. 2018. № 4. С. 50–58. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2018.04.08
  25. Степанова А.В., Самсонов А.В., Ларионов А.Н. Заключительный эпизод магматизма среднего палеопротерозоя в Онежской структуре: данные по долеритам Заонежья // Тр. Карельского научного центра РАН. № 1. 2014. С. 3–16.
  26. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. 2019. № 9. С. 1081–1091. https://doi.org/10.1134/S0032180X19090090
  27. Сычёв В.Г., Шевцова Л.К., Мёрзлая Г.Е. Исследование динамики и баланса гумуса при длительном применении систем удобрения на основных типах почв // Агрохимия. 2018. № 2. С. 3–21. https://doi.org/10.7868/S0002188118020011
  28. Телеснина В.М., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Овсепян Л.А., Личко В.И., Ермолаев А.М., Мирин Д.М. Динамика свойств почв и состава растительности в ходе постагрогенного развития в разных биоклиматических зонах // Почвоведение. 2017. № 12. С. 1514–1534. https://doi.org/10.7868/S0032180X17120115
  29. Терехова В.А., Прудникова Е.В., Кулачкова С.А., Горленко М.В., Учанов П.В., Сушко С.В., Ананьева Н.Д. Микробиологические показатели агродерново-подзолистых почв разной гумусированности при внесении тяжелых металлов и углеродсодержащих препаратов // Почвоведение. 2021. № 3. С. 372–384. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030151
  30. Федорец Н.Г., Морозова Р.М. Бахмет О.Н., Ткаченко Ю.Н. Почвы и почвенный покров Заонежья // Экологические проблемы освоения месторождения Средняя Падма. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. С. 20–34.
  31. Филиппов М.М., Голубев А.И., Медведев П.В. Органическое вещество шунгитоносных пород Карелии (генезис, эволюция, методы изучения) / Отв. ред. Филиппов М.М. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1994. 208 с.
  32. Филиппов М.М., Дейнес Ю.Е. Субпластовый тип месторождений шунгитов Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2018. 261 с.
  33. Филиппов М.М., Лохов К.И. Синхронность развития палеопротерозойского феномена “Шуньга” в бассейнах-аналогах // Вестник СПбГУ. Науки о Земле. 2018. Т. 63, вып. 3. С. 363–392.
  34. Чаженгина С.Ю., Рожкова В.С., Кочнева И.В. Моделирование процессов абиогенного выветривания углеродистого вещества палеопротерозойских шунгитовых пород онежской структуры (Карелия) // Тр. Карельского научного центра РАН. 2019. № 2. С. 67–79. https://doi.org/10.17076/geo827
  35. Чернова О.В., Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Влияние исторических и региональных особенностей землепользования на величину и структуру запасов углерода в южной тайге и лесостепи Европейской России // Почвоведение. 2018. № 6. С. 747–758. https://doi.org/10.7868/S0032180X18060114
  36. Чернова О.В., Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Опыт региональной оценки изменений запасов углерода в почвах южной тайги и лесостепи за исторический период // Почвоведение. 2016. № 8. С. 1013–1028. https://doi.org/10.7868/S0032180X16080037
  37. Чэнь С.Х., Хоу С., Убугунов Л.Л., Вишнякова О.В., У С., Рен В., Дин Ю. Запасы углерода в типичной степи при различном управлении выпасом // Почвоведение. 2014. № 11. С. 1365–1374. https://doi.org/10.7868/S0032180X14110100
  38. Bakhmet O.N., Fedorets N.G. Soils and their characteristics on Zaonezhye Peninsula // Biogeography, landscapes, ecosystems and species of Zaonezhye Peninsula, in Onega Lake, Russian Karelia. Reports of the Finnish Environment Institute. 2014. V. 40. P. 53–55.
  39. Bastin J.F., Finegold Y., Garcia C., Mollicone D., Rezende D., Routh C.M., Zohner T.W. The global tree restoration potential // Science. 2019. V. 365. P. 76–79. https://doi.org/10.1126/science.aax0848
  40. Bispo A., Andersen L., Angers D.A., Bernoux M., Brossard M., Cécillon L., Comans R.N.J., Harmsen J., Jonassen K., Lamé F., Lhuillery C., Maly S., Martin E., Mcelnea A.E., Sakai H., Watabe Y., Eglin T.K. Accounting for carbon stocks in soils and measuring GHGs emission fluxes from soils: do we have the necessary standards? // Frontiers Environ. Sci. 2017. V. 41. https://doi.org/10.3389/fenvs.2017.00041
  41. Brown I. Challenges in delivering climate change policy through land use targets for afforestation and peatland restoration // Environ. Sci. Policy. 2020. V. 107. P. 36–45. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.02.013
  42. Buseck P.R., Galdobina L.P., Kovalevski V.V., Rozhkova N.N. Shungites: The C-rich rocks of Karelia, Russia // Canadian Mineralogist. 1997. V. 35. P. 1363–1378.
  43. Hurisso T.T., Norton J.B., Norton U. Soil profile carbon and nitrogen in prairie, perennial grass – legume mixture and wheat-fallow production in the central High Plains, USA // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2013. V. 181. P. 179–187. https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.10.008
  44. Kovalevski V.V., Buseck P.R., Cowley J.M. Comparison of carbon in shungite rocks to other natural carbons: An X-ray and TEM study // Carbon. 2001. V. 39. P. 243–256. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00120-2
  45. Lambin E.F., Gibbs H.K., Ferreira L., Grau R., Mayaux P., Meyfroidt P., Morton D.C., Rudel T.K., Gasparri I., Munger J. Estimating the world’s potentially available cropland using a bottom-up approach // Global Environmental Change. 2013. V. 23(5). P. 892–901. https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2013.05.005
  46. Mathe I., Shimelis H., Mutema M., Minasny B., Chaplot V. Crops for increasing soil organic carbon stocks – a global meta analysis // Geoderma. 2020. V. 367. P. 114230. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114230
  47. Melezhik V.A., Črne A.E., Prave A.R. The Onega Basin // Reading the Archive of Earth’s Oxygenation. V. 2: The Core Archive of the Fennoscandian Arctic Russia – Drilling Early Earth Project Series: Frontiers in Earth Sciences. Springer: Heidelberg. 2013. P. 769–1046.
  48. Melezhik V.A., Fallick A.E., Filippov M.M., Larsen O. Karelian shungite – an indication of 2.0-Ga-old metamorphosed oil-shale and generation of petroleum: geology, lithology and geochemistry // Earth Sci. Rev. 1999. V. 47. P. 1–40. https://doi.org/10.1016/S0012-8252(99)00027-6
  49. Melezhik V.A., Filippov M.M., Romashkin A.E. A giant Palaeproterozoic deposit of shungite in NW Russia: genesis and practical application // Ore Geology Rev. 2004. V. 24. P. 135–154. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2003.08.003
  50. Munsell A. Munsell Soil Color Charts. Revised Washable Edition. Munsell Color. New Windsor. N.Y. 2000.
  51. Nayak N., Mehrotra R., Mehrotra S. Carbon biosequestration strategies: a review // Carbon Capture Sci. Technol. 2022. V. 4. 100065. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2022.100065
  52. Papa S., Bartoli G., Pelligrino A., Fioretto A. Microbial activities and trace element content in an urban soil // Environ. Monitor. Assessment. 2010. V. 165. P. 193–203. https://doi.org/10.1007/s10661-009-0938-1
  53. Verchovsky A.V., Watson J.S., Wright I.P., Lokhov K.I., Prasolov E.M., Prilepski E.B., Polekhovski Yu.S., Goltsin N.A. Nitrogen isotopes in shungite // Geophysical Research Abstracts. 2006. V. 8. P. 10920.
  54. Wang Z., Zhao M., Yan Z., Yang Y., Niklas K.J., Huang H., Mipam T.D., He X., Hu H., Wright S.J. Global patterns and predictors of soil microbial biomass carbon, nitrogen, and phosphorus in terrestrial ecosystems // Catena. 2022. V. 211. P. 106037. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106037
  55. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports № 106. FAO, Rome.
  56. Xua Y., Seshadri B., Bolan N., Sarkar B., Ok Y.S., Zhang W., Rumpel C., Sparks D., Farrell M., Hall T., Dong Z. Microbial functional diversity and carbon use feedback in soils as affected by heavy metals // Environ. Int. 2019. V. 125. P. 478–488. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.01.071
  57. Yuangen Y., Campbell C.D., Clark L. Microbial indicators of heavy metal contamination in urban and rural soils // Chemosphere. 2006. V. 63. P. 1942–1952. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.10.009

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (54KB)
Indexing metadata
3.

Download (426KB)
Indexing metadata
4.

Download (71KB)
Indexing metadata
5.

Download (38KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 И.А. Дубровина, Е.В. Мошкина, А.В. Туюнен, Н.В. Геникова, А.Ю. Карпечко, М.В. Медведева

This website uses cookies

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

About Cookies