Effects of Forest Reclamation on Carbon Stocks and Respiration in Soils of Natural and Technogenic Ecosystems of Southern Karelia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The paper presents the results of studies on soil carbon stock dynamics, CO₂emissions and soil microbial respiration during post-industrial succession upon reforestation of a sand and gravel pit in southern Karelia. The soils of the territories of different reforestation options were studied in July 2021 and 2022. In 1991, annual Scots pine (Pinus sylvestris L.) seedlings were planted on the plots: 1) in sand and gravel mineral soil (SP 1, SP 2); 2) in peat-improved substrate (SP 3). Natural soils (Entic Podzol) of an undisturbed lingonberry-type pine forest (SP 4) served as the control. Soil total (organic) carbon, microbial activity (by using the basal and substrate-induced respiration method in the laboratory), and CO₂emission from the soil surface (under field conditions) were determined. The assessment of the properties of post-industrial soils revealed the similarity of the studied parameters in replantozem SP 3 and podzolized podbur SP 4, which indicates a positive effect of peat-enriched substrate on the recovery of the soil and vegetation cover of the sand and gravel pit. The higher values of the carbon stocks (6–10-fold) and CO₂fluxes (2–4-fold) from the surface of the replantozem (Umbric Leptosol (Novic)) SP 3 relative to those in psammozems (Skeletic Leptosol) of SP 1 and SP 2 are due to intensive organic matter accumulation processes and the application of peat substrate rich in nutrients and plant diaspores during planting. SP 1 and SP 2 had the lowest values of soil carbon stocks, CO₂emissions, microbial activity, simultaneously with low stand productivity as compared to SP 3 and SP 4. To make more accurate predictions of the dynamics of the said parameters of disturbed soils, it is necessary to take into account their spatial and temporal variability.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. B. Pridacha

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

Author for correspondence.
Email: pridacha@krc.karelia.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

G. V. Akhmetova

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

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

D. E. Semin

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

Email: pridacha@krc.karelia.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

References

  1. Абакумов Е.А., Гагарина Э.И. Гумусовое состояние почв заброшенных карьерно-отвальных комплексов Ленинградской области // Почвоведение. 2008. № 3. С. 287–298.
  2. Абакумов Е.А., Гагарина Э.И. Почвообразование в посттехногенных экосистемах карьеров на Северо-Западе русской равнины. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2006. 208 с.
  3. Абакумов Е.В., Поляков В.И., Чуков С.Н. Подходы и методы изучения органического вещества почв карбоновых полигонов России (обзор) // Почвоведение. 2022. № 7. С. 773–786. https://doi.org/10.31857/S0032180X22070024
  4. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 223 с.
  5. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Рыжова И.М., Бочарникова Е.О., Стольникова Е.В. Углерод микробной биомассы и микробное продуцирование двуокиси углерода дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биоценозов и коренных ельников Южной тайги (Костромская область) // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1109–1116.
  6. Ананьева Н.Д., Сушко С.В., Иващенко К.В., Васенев В.И. Микробное дыхание почв подтайги и лесостепи европейской части России: полевой и лабораторный подходы // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1276–1286. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100044
  7. Андроханов В.А., Курачев В.М. Почвенно-экологическое состояние техногенных ландшафтов: динамика и оценка. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. 224 с.
  8. Арчегова И.Б., Кузнецова Е.Г., Лиханова И.А., Панюков А.Н., Хабибуллина Ф.М., Виноградова Ю.А. Формирование лесных экосистем на посттехногенных территориях в таежной зоне. Сыктывкар: Изд-во Коми НЦ УрО РАН, 2015. 140 с.
  9. Бахмет О.Н. Запасы углерода в почвах сосновых и еловых лесов Карелии // Лесоведение. 2018. № 1. С. 48–55. https://doi.org/10.7868/S0024114818010047
  10. Бахмет О.Н., Медведева М.В. Изменение свойств почв Карелии в процессе искусственного лесовосстановления // Лесоведение. 2013. № 3. С. 38–45.
  11. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякишина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. № 2. С. 205–210.
  12. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  13. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2021 г. Петрозаводск, 2022. 263 с.
  14. Гродницкая И.Д., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) // Почвоведение. 2010. № 7. С. 867–878.
  15. Добровольский Г.В., Бабьева И.П., Богатырев Л.Г. и др. Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. М.: Наука, 2003. 364 с.
  16. Долгая В.А., Бахмет О.Н. Свойства лесных подстилок на ранних этапах естественного лесовозобновления после сплошных рубок в средней тайге Карелии // Лесоведение. 2021. № 1. С. 65–77. https://doi.org/10.31857/S0024114821010022
  17. 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. C. 1112–1125. https://doi.org/10.31857/S0032180X22090052
  18. Завьялова Н.Е., Васбиева М.Т., Фомин Д.С. Микробная биомасса, дыхательная активность и азотфиксация в дерново-подзолистой почве Предуралья при различном сельскохозяйственном использовании // Почвоведение. 2020. № 3. С. 372–378. https://doi.org/10.31857/S0032180X20030120
  19. Кадулин М.С., Копцик Г.Н. Изменения потока диоксида углерода из почв лесных экосистем под воздействием техногенного загрязнения в Кольской Субарктике // Почвоведение. 2021. № 10. С. 1281–1292. https://doi.org/10.31857/S0032180X21100075
  20. Костина Е.Э., Ахметова Г.В., Пеккоев А.Н., Харитонов В.А., Крышень А.М. Формирование растительного покрова при лесной рекультивации песчано-гравийного карьера в Республике Карелия // Растительные ресурсы. 2022. № 3. С. 290–310. https://doi.org/10.31857/S0033994622030074
  21. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.В., Воронин П.Ю., Демкин В.А., Демкина Т.С., Евдокимов И.В., Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Комаров А.С., Курганова И.Н., Ларионова А.А., Лопес де Гереню В.О., Уткин А.И., Чертов О.Г. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
  22. Кузнецова А.И., Лукина Н.В., Горнов А.В., Горнова М.В., Тихонова Е.В., Смирнов В.Э., Данилова М.А., Тебенькова Д.Н., Браславская Т.Ю., Кузнецов В.А., Ткаченко Ю.Н., Геникова Н.В. Запасы углерода в песчаных почвах сосновых лесов на западе России // Почвоведение. 2020. № 8. С. 959–969. https://doi.org/10.31857/S0032180X20080109
  23. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мостовая А.С., Овсепян Л.А., Телеснена В.М., Личко В.И., Баева Ю.И. Влияние процессов естественного лесовосстановления на микробиологическую активность пост-агрогенных почв европейской части России // Лесоведение. 2018. № 1. С. 3–23.
  24. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Савин И.Ю., Шорохова Е.В. Баланс углерода в лесных экосистемах южного Подмосковья в условиях усиления засушливости климата // Лесоведение. 2016. № 5. С. 332–345.
  25. Курганова И.Н., Семенов В.М., Кудеяров В.Н. Климат и землепользование как ключевые факторы стабильности органического вещества в почвах // Доклады Академии наук. 2019. Т. 489. № 6. С. 646–650. https://doi.org/10.31857/S0869-56524896646-650
  26. Лиханова И.А., Кузнецова Е.Г., Лаптева Е.М., Денева С.В., Макеев Б.А. Почвообразование на карьерах после проведения лесной рекультивации в среднетаежной подзоне на европейском северо-востоке России // Почвоведение. 2021. № 4. С. 502–520. https://doi.org/10.31857/S0032180X21040109
  27. Лиханова И.А., Кузнецова Е.Г., Холопов Е.Г., Денева С.В., Лаптева Е.В. Почвенное органическое вещество и запасы углерода в почвах техногенных ландшафтов средней тайги европейского Северо-Востока России // Лесохозяйственная информация. 2022. № 3. C. 125–134.
  28. Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования техногенных экосистем Урала. Екатеринбург, 2003. 356 с.
  29. Медведева М.В., Бахмет О.Н., Ананьев В.А., Мошников С.А., Мамай А.В., Мошкина Е.В., Тимофеева В.В. Изменение биологической активности почв в хвойных насаждениях после пожара в средней тайге Карелии // Лесоведение. № 6. 2020. C. 560–574. https://doi.org/10.31857/S0024114820060066
  30. Мошкина Е.В., Бахмет О.Н., Медведева М.В., Карпечко А.Ю., Мамай А.В. Пространственно-временная динамика биологической активности почв в фитогенном поле сосны обыкновенной в средней тайге Карелии // Лесоведение. 2022. № 4. С. 351–363. https://doi.org/10.31857/S0024114822040076
  31. Назарова Л.Е. Климатические условия на территории Карелии // Современные условия водоемов Севера. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2021. С. 7–16.
  32. Национальный атлас почв Российской Федерации. М.: Астрель, 2011. 632 с.
  33. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 г. Государственный доклад. М.: Минприроды России; МГУ им. М.В. Ломоносова, 2022. 684 с.
  34. Почикалов А.В., Ларин Я.А., Арешин А.В., Карелин Д.В. Компоненты бюджета углерода в лесных посадках при рекультивации открытых горных выработок // Лесоведение. 2015. № 6. С. 447–457.
  35. Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги / Под ред. Федорец Н.Г. М.: Наука, 2006. 287 с.
  36. Семёнов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  37. Сумина О.И. Формирование растительности на техногенных местообитаниях Крайнего Севера России. СПб, 2013. 340 с.
  38. Федорец Н.Г., Соколов А.И., Крышень А.М., Медведева М.В., Костина Е.Э. Формирование лесных сообществ на техногенных землях северо-запада таежной зоны России. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. 130 с.
  39. Ялынская Е.Е. CO₂-газообмен почвы и напочвенного покрова в сосняке черничном // Экология. 1999. № 6. С. 411–415.
  40. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. P. 215–221.
  41. Anderson T.H., Domsch K.H. Rations of microbial biomass to total organic carbon in arable soils // Soil Biol. Biochem. 1989. V. 21. № 4. P. 471–479.
  42. Ashraf M.N., Waqas M.A., Rahman S. Microbial metabolic quotient is a dynamic indicator of soil health: trends, implications and perspectives (Review) // Eurasian Soil Sc. 2022. V. 55. P. 1794–1803. https://doi.org/10.1134/S1064229322700119
  43. Baldrian P. Forest microbiome: diversity, complexity and dynamics // FEMS Microbiology reviews. 2017. V. 41(2). P. 109–130. https://doi.org/10.1093/femsre/fuw040
  44. Boreal forests in the face of climate change / Girona M.M, Morin H., Gauthier S., Bergeron Y. Springer Cham., 2023. 837 p. https://doi.org/10.1007/978-3-031-15988-6
  45. Borken W., Savage K., Davidson E., Trumbore S. Effects of experimental drought on soil respiration and radiocarbon efflux from a temperate forest soil // Glob. Chang. Biol. 2006. V. 12. P. 177–193. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.001058.x
  46. Chi J., Zhao P., Klosterhalfen A., Jocher G., Kljun N., Nilsson M., Peichl M. Forest floor fluxes drive differences in the carbon balance of contrasting boreal forest stands // Agric. For. Meteorol. 2021. V. 306. P. 108454. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108454
  47. Du Y., Wang Y.-P., Hui D., Su F., Yan J. Significant effects of precipitation frequency on soil respiration and its components – A global synthesis // Glob. Chang. Biol. 2023. V. 29. P. 1188–1205. https://doi.org/10.1111/gcb.16532
  48. Frouz J., Pižl V., Cienciala E., Kalčík J. Carbon storage in post-mining forest soil, the role of tree biomass and soil bioturbation // Biogeochemistry. 2009. V. 94. P. 111–121. https://doi.org/10.1007/s10533-009-9313-0
  49. Hursh A., Ballantyne A., Cooper L., Maneta M., Kimball J., Watts J. The sensitivity of soil respiration to soil temperature, moisture, and carbon supply at the global scale // Glob. Chang. Biol. 2017. V. 23(5). P. 2090–2103. https://doi.org/10.1111/gcb.13489
  50. Insam H., Domsch K.H. Relationship between soil organic carbon and microbial biomass on chronosequences of reclamation sites // Microb. Ecol. 1988. V. 15. P. 177–188.
  51. IPCC Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013. 1535 p.
  52. Jian J., Steele M.K., Thomas R.Q., Day S.D., Hodges S.C. Constraining estimates of global soil respiration by quantifying sources of variability // Glob. Chang. Biol. 2018. V. 24(9). P. 4143–4159. https://doi.org/10.1111/gcb.14301
  53. Karelin D., Goryachkin S.V., Zazovskaya E.P., Shishkov V., Pochikalov A., Dolgikh A., Sirin A., Suvorov G., Badmaev N., Badmaeva N., Tsybenov Yu., Kulikov A., Danilov P., Savinov G., Desyatkin A., Desyatkin R., Kraev G. Greenhouse gas emission from the cold soils of Eurasia in natural settings and under human impact: controls on spatial variability // Geoderma Regional. 2020. V. 22. P. 00290. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00290
  54. LI-8100A. Automated soil CO₂flux system. LI-8150 Multiplexer. Instruction manual. Nebraska, 2012. 396 p.
  55. Liao C., Luo Y., Fang C., Li B. Ecosystem carbon stock influenced by plantation practice: Implications for planting forests as a measure of climate change mitigation // PLoS ONE. 2010. V.5(5). e10867. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010867
  56. Lukina N., Kuznetsova A., Tikhonova E., Smirnov V., Danilova M., Gornov A., Bakhmet O., Kryshen A., Tebenkova D., Shashkov M., Knyazeva S. Linking forest vegetation and soil carbon stock in Northwestern Russia // Forests. 2020. № 11(979). Р. 1–19. https://doi.org/10.3390/f11090979
  57. Luo Y., Zhou X. Soil respiration and the environment. Elsevier, 2010. 333 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-088782-8.X5000-1
  58. Macdonald S.E., Landhäusser S.M., Skousen J., Franklin J., Frouz J., Hall S., Jacobs D.F., Quideau S. Forest restoration following surface mining disturbance: challenges and solutions // New Forests. 2015. V. 46. P. 703–732. https://doi.org/10.1007/s11056-015-9506-4
  59. Morén A.S., Lindroth A. CO₂exchange at the floor of a boreal forest // Agric. For. Meteorol. 2000. V. 101. P. 1–14. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(99)00160-4
  60. Mukhortova L., Schepaschenko D., Moltchanova E., Shvidenko A., Khabarov N., See L. Respiration of Russian soils: climatic drivers and response to climate change // Sci. Total Envir. 2021. V. 785. P. 147314. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147314
  61. Peel M.C., Finlayson B.L., McMahon T.A. Updated world map of the Koppen-Geiger climate classification // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2007. V. 11. P. 1633–1644. https://doi.org/10.5194/hess-11-1633-2007
  62. Turcotte I., Quideau S.A., Oh S.W. Organic matter quality in reclaimed boreal forest soils following oil sands mining // Org. Geochem. 2009. V. 40(4). P. 510–519. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2009.01.003
  63. Waring B., Neumann M., Prentice I.C., Adams M., Smith P., Siegert M. Forests and decarbonization – roles of natural and planted forests // Front. For. Glob. Change. V. 3(58). P 1–6. https://doi.org/10.3389/ffgc.2020.00058
  64. Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E., Lang B., von Lützow M., Marin-Spiotta E., van Wesemael B., Rabot E., Ließ M., Garcia-Franco N., Wollschläger U., Vogel H., Kögel-Knabner I. Soil organic carbon storage as a key function of soils – A review of drivers and indicators at various scales // Geoderma. 2019. V. 333. P. 149–162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1

Download (597KB)
Indexing metadata
3. Fig.2

Download (138KB)
Indexing metadata
4. Fig.3

Download (169KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

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

About Cookies