Оценка динамики органического углерода в почвах юга Восточной Сибири по данным анализа состава стабильных изотопов углерода

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Оценена пространственная и внутрипрофильная вариабельность значений δ13C почв, выявлены основные контролирующие ее факторы в Байкальском регионе – обширной территории на юге Восточной Сибири, отличающейся значительным разнообразием физико-географических условий. Анализ значений δ13C выполнен для 95 почвенных разрезов, репрезентативных для основных ландшафтных поясов региона и расположенных в высотном градиенте 403–2315 м. Органическое вещество почв демонстрирует значительное варьирование по изотопным соотношениям 13С/12С, охватывающим значительную часть диапазона значений δ13С, характерных для С3-фотосинтеза. Органическое вещество гумусовых горизонтов почв имеет значения δ13С от –29.50 до –22.98‰. Изменения величины δ13С в высотном профиле хорошо соотносятся со сменами ландшафтов. Наибольшими значениями δ13С характеризуются почвы гольцовых и степных ландшафтов. В таежных почвах наблюдается уменьшение доли тяжелых изотопов. Выявлена сниженная интенсивность оборота углерода в почвах степей и гольцового пояса в силу их лимитированности по условиям влаго- и теплообеспеченности, соответственно. Более интенсивный оборот углерода (β) отмечен для почв, формирующихся в таежных ландшафтах при более благоприятном соотношении температур и осадков. В таких условиях значения β коррелируют с изменениями pH, содержанием C и N, а также вариациями отношения C/N в почвах. Это может свидетельствовать о значительном влиянии характера поступающего опада и микробиологической активности на оборот углерода в почвах региона, формирующихся в более благоприятных климатических условиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Голубцов

Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: tea_88@inbox.ru
Россия, Иркутск

А. А. Черкашина

Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

Email: tea_88@inbox.ru
Россия, Иркутск

Ю. В. Вантеева

Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

Email: tea_88@inbox.ru
Россия, Иркутск

С. М. Турчинская

Институт географии РАН

Email: tea_88@inbox.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Абашеева Н.Е. Агрохимия почв Забайкалья. Новосибирск: Наука, 1992. 214 с.
  2. Андреева Д.Б., Балсанова Л.Д., Лаврентьева И.Н., Гончиков Б.М.Н., Цыбикдоржиев Ц.Ц., Глазер Б., Цех В. Изменение изотопного состава углерода и азота в почвах Баргузинского хребта Восточного Прибайкалья // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2022. № 4. С. 76–83.
  3. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. М.: Наука, 1980. 187 с.
  4. Белов А.В., Безрукова Е.В., Соколова Л.П. Эволюционно-генетическая основа структурно-ценотического разнообразия современной растительности Предбайкалья // География и природные ресурсы. 2018. № 1. С. 92–102. https://doi.org/10.21782/GIPR0206-1619-2018-1(92-102)
  5. Бронникова М.А., Герасимова М.И., Конопляникова Ю.В., Гуркова Е.А., Черноусенко Г.И., Голубцов В.А., Ефимов О.Е. Криоаридные почвы как генетический тип в классификации почв России // Почвоведение. 2022. № 3. С. 263–280. https://doi.org/10.31857/S0032180X22030030
  6. Будыко М.И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 472 с.
  7. Василенко О.В., Воропай Н.Н. Особенности формирования климата котловин юго-западного Прибайкалья // Известия РАН. Серия географическая. 2015. № 2. С. 104–111.
  8. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К. Возможность использования величины отношения углерода к азоту как критерий разделения пальза и литальзы // Арктика и Антарктика. 2023. № 3. С. 52–72. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2023.3.44176
  9. Волковинцер В.И. Степные криоаридные почвы. Новосибирск: Наука, 1978. 208 с.
  10. Голубцов В.А. Состав стабильных изотопов углерода органического вещества позднеплейстоценовых и голоценовых почв Байкальского региона // Почвоведение. 2020. № 6. С. 673–690. https://doi.org/10.31857/S0032180X20060040
  11. 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. https://doi.org/10.31857/S0032180X21100063
  12. Голубцов В.А., Вантеева Ю.В. Воропай Н.Н., Василенко О.В. Черкашина А.А, Зазовская Э.П. Состав стабильных изотопов (δ13С) как показатель динамики органического углерода в почвах западного побережья озера Байкал // Почвоведение. 2022. № 12. С. 1489–1504. https://doi.org/10.31857/S0032180X22600597
  13. Голубцов В.А., Вантеева Ю.В., Бронникова М.А., Черкашина А.А., Знаменская Т.И. Состав стабильных изотопов углерода органического вещества буроземов предгорий хребта Восточный Саян // Почвоведение. 2023. № 2. С. 184–202. https://doi.org/10.31857/S0032180X22600937
  14. Голубцов В.А., Черкашина А.А., Вантеева Ю.В., Воропай Н.Н., Турчинская С.М. Вариации состава стабильных изотопов углерода органического вещества почв в горно-котловинных условиях Прибайкалья // Сибирский экологический журнал. 2023. № 6. С. 854–871. https://doi.org/10.15372/SEJ20230611
  15. Жуков В.М. Климат // Предбайкалье и Забайкалье. М: Наука, 1965. С. 91–127.
  16. Копосов Г.Ф. Генезис почв гор Прибайкалья. Новосибирск: Наука, 1983. 255 с.
  17. Кузьмин В.А. Почвы Предбайкалья и Северного Забайкалья. Новосибирск: Наука, 1988. 175 с.
  18. Меняйло О.В., Матвиенко А.И., Макаров М.И., Ченг Ш.-К. Роль азота в регуляции цикла углерода в лесных экосистемах // Лесоведение. 2018. № 2. С. 143–159. https://doi.org/10.7868/S0024114818020067
  19. Меняйло О.В., Хангейт Б.А. Стабильные изотопы углерода и азота в лесных почвах Сибири // Доклады АН. 2006. Т. 408. № 5. С. 671–674.
  20. Михеев В.С., Ряшин В.А. Ландшафты юга Восточной Сибири. Карта м-ба 1:1 500 000. М.: ГУГК, 1977. 4 л.
  21. Нагорья Прибайкалья и Забайкалья. М.: Наука, 1974. 359 с.
  22. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1–6. Вып. 23. Бурятская АССР, Читинская область. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 549 с.
  23. 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.
  24. Плоскогорья и низменность Восточной Сибири. М.: Наука, 1971. 320 с.
  25. Плюснин В.М., Биличенко И.Н., Седых С.А. Пространственно-временная организация горных геосистем Байкальской природной территории // География и природные ресурсы. 2018. № 2. С. 52–62. https://doi.org/10.21782/GIPR0206-1619-2018-2(52-62)
  26. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 324 с.
  27. 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., 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. https://doi.org/10.31857/S0032180X22070085
  28. 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. https://doi.org/10.1134/S0032180X19100113
  29. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Подстилки в лесных и травяных экосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 137 с.
  30. Трофимова И.Е., Осипова О.П., Балыбина А.C. Подходы к оценке климатоэкологических ресурсов территории Сибири // Сибирский экологический журнал. 2019. № 5. С. 538–549. https://doi.org/10.15372/SEJ20190504
  31. Цыбенов Ю.Б., Чимитдоржиева Г.Д., Егорова Р.А., Гонгальский К.Б. Запасы органического углерода и его изотопный состав в криоморфных квазиглеевых черноземах Забайкалья // Почвоведение. 2016. № 1. С. 11–18. https://doi.org/10.7868/S0032180X15070126
  32. Цыбенов Ю.Б., Чимитдоржиева Г.Д., Егорова Р.А., Мильхеев Е.Ю. Изотопный состав углерода растений и органического вещества буроземов юга Витимского плоскогорья // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, Почвоведение. 2022. № 4. С. 63–68.
  33. Чернов Т.И., Семенов М.В. Управление почвенными микробными сообществами: возможности и перспективы (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1506–1522. https://doi.org/10.31857/S0032180X2112002
  34. Чимитдоржиева Г.Д. Органическое вещество холодных почв. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2016. 388 с.
  35. Чимитдоржиева Э.О., Чимитдоржиева Г.Д. Накопление и динамика С-биомассы в криоаридных почвах Забайкалья // Аридные экосистемы. 2014. Т. 20. № 2(59). С. 30–36.
  36. Шимараев М.Н., Куимова Л.Н., Синюкович В.Н., Цехановский В.В. О проявлении на Байкале глобальных изменений климата в XX столетии // Доклады АН. 2002. Т. 383. № 3. С. 397–400.
  37. Щепащенко Д.Г., Мухортова Л.В., Швиденко А.З., Ведрова Э.Ф. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2013. № 2. С. 123–132. https://doi.org/10.7868/S0032180X13020123
  38. 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. 118(4). P. 1532–1545. https://doi.org/10.1002/2013JG002400
  39. Andreeva D., Zech M., Glaser B., Erbajeva M., Chimitdorgieva G., Ermakova O., Zech W. Stable isotope (δ13C, δ15N, δ18O) record of soils in Buryatia, southern Siberia: Implications for biogeochemical and paleoclimatic interpretations // Quat. Int. 2013. V. 290–291. P. 82–94. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2012.10.054
  40. Balesdent J., Basile-Doelsch I., Chadoeuf J., Cornu S., Derrien D., Fekiacova Z., Hatté C. Atmosphere-soil carbon transfer as a function of soil depth // Nature. 2018. V. 559(7715). P. 599–602. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0328-3
  41. Bojko O., Kabala C. Organic carbon pools in mountain soils – sources of variability and predicted changes in relation to climate and land use changes // Catena. 2017. V. 149. P. 209-220. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.09.022
  42. Bradford M., Berg B., Maynard D., Wieder W., Wood S. Understanding the dominant controls on litter decomposition // J. Ecology. 2016. V. 104. P. 229–238. https://doi.org/10.1111/1365-2745.12507
  43. 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
  44. Cotrufo M.F., Del Galdo I., Piermatteo D. Litter decomposition: concepts, methods and future perspectives / Soil carbon dynamics: An integrated methodology. Cambridge University Press, 2009. P. 76–90. https://doi.org/10.1017/CBO9780511711794.006
  45. Craine J.M., Fierer N., McLauchlan K.K. Widespread coupling between the rate and temperature sensitivity of organic matter decay // Nature Geoscience. 2010. V. 3. P. 854–857. https://doi.org/10.1038/NGEO1009
  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. DeLuca T., Boisvenue C. Boreal forest soil carbon: distribution, function and modelling // Forestry. 2012. V. 85. P. 161–184. https://doi.org/10.1093/forestry/cps003
  48. Fick S.E., Hijmans R.J. WorldClim 2: New 1-km spatial resolution climate surfaces for global land areas // Int. J. Climatology. 2017. V. 37(2). https://doi.org/10.1002/joc.5086
  49. Fierer N., Strickland M.S., Liptzin D., Bradford M.A., Cleveland C.C. Global patterns in belowground communities // Ecology Lett. 2009. V. 12. P. 1238–1249. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2009.01360.x
  50. Hagedorn F., Mulder J., Jandl R. Mountain soils under a changing climate and land use // Biogeochemistry. 2010. V. 97. P. 1–5. https://doi.org/10.1007/s10533-009-9386-9
  51. Hammer O., Harper D.A.T., Ryan P.D. Past: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. V. 4(1). http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm.
  52. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources, 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports. № 106. Rome.
  53. Ma H.P., Yang X.L., Guo Q.Q., Zhang X.J., Zhou C.N. Soil organic carbon pool along different altitudinal level in the Sygera Mountains, Tibetan Plateau // J. Mountain Sci. 2016. V. 13(3). P. 476–483. https://doi.org/10.1007/s11629-014-3421-6
  54. Mackay A.W., Seddon A.W.R., Leng M.J., Heumann G., Morley D.W., Piotrowska N., Rioual P., Roberts S., Swann G.E.A. Holocene carbon dynamics at the forest–steppe ecotone of southern Siberia // Global Change Biol. 2016. V. 23. P. 1942. https://doi.org/10.1111/gcb.13583
  55. Muñoz Sabater J. ERA5-Land hourly data from 1981 to present // Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS), 2019. https://doi.org/10.24381/cds.e2161bac
  56. O’Leary M.H. Carbon isotope in photosynthesis // Bioscience. 1988. V. 38. P. 328–336.
  57. Pepin N.C., Lundquist J.D. Temperature trends at high elevations: patterns across the globe // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. P. L14701. https://doi.org/10.1029/2008GL034026
  58. Pries C., Castanha C., Porras R., Torn M. The whole-soil carbon flux in response to warming // Science. 2017. V. 355. P. 1420–1423. https://doi.org/10.1126/science.aal1319
  59. Rennenberg H., Dannenmann M., Gessler A., Kreuzwieser J., Simon J., Papen H. Nitrogen balance in forest soils nutritional limitation of plants under climate change stresses // Plant Biol. 2009. V. 11. P. 24–33. https://doi.org/10.1111/j.1438-8677.2009.00241.x
  60. Soldatova E., Krasilnikov S., Kuzyakov Y. Soil organic matter turnover: global implications from δ13C and δ15N signatures // Sci. Total Environ. 2024. P. 169243. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.169423.
  61. Wang D., He N., Wang Q., Leu Y., Wang Q., Xu Z., Zhu J. Effects of temperature and moisture on soil organic matter decomposition along elevation gradients on the Changbai mountains, Northeast China // Pedosphere. 2016. V. 26(3). P. 399–407. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(15)60052-2
  62. Wang C., Houlton B., Liu D., Hou J., Cheng W., Bai E. Stable isotopic constraints on global soil organic carbon turnover // Biogeosciences. 2018. V. 15(4). P. 987–995. https://doi.org/10.5194/bg-15-987-2018
  63. Zhang D., Hui D., Luo Y., Zhou G. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems: global patterns and controlling factors // J. Plant Ecology. 2008. V. 1(2). P. 85–93. https://doi.org/10.1093/jpe/rtn002
  64. Zhao Y.F., Wang X., Li J., Xiao J., Hao Z., Wang K., Jiang S., Zhou X., Liu H. Variation of δ13C and soil organic carbon under different precipitation gradients in alpine grassland on the Qinghai–Tibetan Plateau // J. Soils Sediments. 2022. V. 22. P. 2219–2228. https://doi.org/10.1007/s11368-022-03223-x
  65. Zhou W., Han G., Liu M., Zeng J., Liang B., Liu J., Qu R. Determining the distribution and interaction of soil organic carbon, nitrogen, pH and texture in soil profiles: A case study in the Lancangjiang river basin, Southwest China // Forests. 2020. V. 11. P. 532. https://doi.org/10.3390/f11050532

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Положение исследуемых площадок в пределах Байкальского региона. Кругами различного цвета обозначены типы ландшафтов (желтый – степи; светло-зеленый – подтайга; темно-зеленый – горная тайга; синий – гольцы; голубой – субальпинотипные ландшафты)

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифференциация исследуемых площадок по температуре и осадкам за год и вегетационный период: 1 – степь; 2 – подтайга; 3 – горная тайга; 4 – субальпийские луга; 5 – гольцы. Цифры в центре соответствуют районам, выделенным на рис. 1

Скачать (358KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Вариации содержания органического углерода, общего азота и pH в зависимости от изменения абсолютных высот в верхних гумусовых горизонтах исследуемых почв: 1 – степь; 2 – подтайга; 3 – горная тайга; 4 – гольцы и подгольцовые ландшафты

Скачать (190KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Гистограмма значений δ13C современных почв Байкальского региона (1) в сравнении с диапазоном значений δ13C С3-растений (2) [56]

Скачать (62KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость изменения содержания органического углерода с глубиной (lg [г С/кг-1]; ось X) от значений δ13C ((‰VPDB; ось Y) в исследуемых почвах. Цифры в скобках указывают на районы, обозначенные на рис. 1

Скачать (341KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости коэффициентов линейной регрессии β (δ13C/lg (г C/кг)) от вариаций pH (а), суммы осадков за вегетационный период (b) и отношения C/N в поверхностных гумусовых горизонтах (c) и опаде (d). 1 – степь; 2 – подтайга; 3 – горная тайга; 4 – субальпийские луга; 5 – гольцы

Скачать (347KB)
Метаданные
8. Дополнительные материалы
Скачать (121KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».