Permanganate-Oxidizable Carbon in Humus Horizons of Soils in the European Territory of Russia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The paper provides a detailed analysis of the soil permanganate-oxidized carbon (POХС) method. The purpose of this work was to describe the range of POXC values in the humus horizons of soils of different land uses of the European territory of Russia and to assess the possibility of using it as an indicator of the state of soil organic matter. The work objectives included: a) the selection of the corresponding soil mass for the analysis; and b) determination of the range of POXC values in soddy-podzolic soils (Retisols), gray soils (Greyzemic Phaeozems), and chernozems (Haplic Chernozems) of different land uses of the European territory of Russia. For soils with the carbon content from 1.6 to 4.7% a negative nonlinear relationship between the POXC values and the sample mass was established: with an increase in the sample mass in the range of 0.5–7.0 g, the average POXC decreases by 1.5–3.0 times for both natural and agricultural soils. The most suitable mass for determining POXC is 2.5 g, since it allows determining POXС for soils with the greatest variation in the total carbon content. The absolute values of POХС for three types of soils in the European Russia were from 358 to 1040 mg/kg, relative content varies from 1.2 to 4.4%. The considered permanganate-oxidizable carbon method makes it possible to assess the pool of TOC, probably most easily metabolized by soil microbiota. Low analytical variability, sensitivity of the observed values of permanganate-oxidizable carbon (POC) to soil type and land use allows us to consider this parameter as a promising indicator of soil health assessment.

About the authors

M. V. Timofeeva

Dokuchaev Soil Science Institute

Author for correspondence.
Email: timofeeva_mv@esoil.ru
Russian Federation, Moscow, 119017

A. V. Yudina

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: timofeeva_mv@esoil.ru
Russian Federation, Moscow, 119017

References

  1. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В.В., Артемьева З. С., Когут Б. М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  2. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального ун-та, 2016. 355 с.
  3. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  4. Курманбаев А.А., Сундет Т.Р. Концепция почвенного здоровья и современные индикаторы здоровья почв // Почвоведение и агрохимия. 2023. № 2. С. 91–106. https://doi.org/10.51886/1999-740Х_2023_2_91
  5. Орлов Д.С. Эколого-геохимические проблемы гумусообразования // Научн. nр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. М., 1990. С. 5–15.
  6. Полевой определитель почв. М.: Почв. ин-т. им. В.В. Докучаева, 2008. 183 с.
  7. Прохоров А.А. Характеристика методов выделения фракций почвенного органического вещества и их использование для оценки гумусового состояния почв // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. 2022. № 6.
  8. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Тулина А.С. Стабилизация органического вещества в почве // Агрохимия. 2009. № 10. С. 77–96.
  9. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 c.
  10. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Айдиев А.Ю., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Иванов А.Л, Куликова Н.А. Термолабильное и термостабильное органическое вещество черноземов разного землепользования // Почвоведение. 2020. №. 8. С. 970–982. https://doi.org/10.31857/S0032180X20080080
  11. Haynes R.J. Labile organic matter fractions as central components of the quality of agricultural soils: an overview advances in Agronomy. S.D.: Academic Press, 2005. C. 221–268.
  12. Bell M.J., Moody P.W., Yo S.A., Connolly R.D. Using active fractions of soil organic matter as indicators of the sustainability of ferrosol farming systems // Aust. J. Soil Res. 1999. V. 2. C. 279–287. https://doi.org/10.1071/S98064
  13. Blair N. Impact of cultivation and sugar-cane green trash management on carbon fractions and aggregate stability for a Chromic Luvisol in Queensland, Australia // Soil Till. Res. 2000. V. 55. P. 183–191. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(00)00113-6
  14. Blair G.J., Lefroy R.D., Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems // Aust. J. Agric. Res. 1995. V. 7. P. 1459–1466. https://doi.org/10.1071/AR9951459
  15. Bongiorno G., Bünemann E.K., Oguejiofor C.U., Meier J., Gort G., Comans R., Mäder P., Brussaard L., de Goede R. Sensitivity of labile carbon fractions to tillage and organic matter management and their potential as comprehensive soil quality indicators across pedoclimatic conditions in Europe // Ecol. Indic. 2019. V. 99. P. 38–50. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2018.12.008
  16. Chen H., Hou R., Gong Y., Li H., Fan M., Kuzyakov Y. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China // Soil Till. Res. 2009. V. 1. P. 85–94. https://doi.org/10.1016/j.still.2009.09.009
  17. Christy I., Moore A., Myrold D., Kleber M. A mechanistic inquiry into the applicability of permanganate oxidizable carbon as a soil health indicator // Soil Sci. Soc. Am. J. 2023. V. 5. P. 1083–1095. https://doi.org/10.1002/saj2.20569
  18. Culman S.W., Snapp S.S., Freeman M.A., Schipanski M.E., Beniston J., Lal R., Drinkwater L.E., Franzluebbers A.J., et al. Permanganate oxidizable carbon reflects a processed soil fraction that is sensitive to management // Soil Sci. Soc. Am. J. 2012. V. 2. P. 494–504. https://doi.org/10.2136/sssaj2011.0286
  19. Fine A.K., van Es H.M., Schindelbeck R.R. Statistics, scoring functions, and regional analysis of a comprehensive soil health database // Soil Sci. Soc. Am. J. 2017. V. 3. P. 589–601. https://doi.org/10.2136/sssaj2016.09.0286
  20. Graham M.H., Haynes R.J., Meyer J.H. Soil organic matter content and quality: effects of fertilizer applications, burning and trash retention on a long-term sugarcane experiment in South Africa // Soil Biol. Biochem. 2002. V. 34. P. 93–102. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(01)00160-2
  21. Gregorich E.G., Carter M.R., Angers D.A., Monreal C., Ellert B.H. Towards a minimum data set to assess soil organic matter quality in agricultural soils // Can. J. Soil Sci. 1994. V. 74. P. 367–385. https://doi.org/10.4141/cjss94-051
  22. Gruver J. Evaluating the sensitivity and linearity of a permanganate-oxidizable carbon method // Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2015. V. 4. P. 490–510. https://doi.org/10.1080/00103624.2014.997387
  23. Guggenberger G., Zech W., Schulten H.-R. Formation and mobilization pathways of dissolved organic matter: evidence from chemical structural studies of organic matter fractions in acid forest floor solutions // Org. Geochem. 1994. V. 1. P. 51–66. https://doi.org/10.1016/0146-6380(94)90087-6
  24. Hartman W.H., Richardson C.J. Differential nutrient limitation of soil microbial biomass and metabolic quotients (qCO2): is there a biological stoichiometry of soil microbes? // PloS One. 2013. V. 3. P. e57127. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057127
  25. Huang J., Rinnan Å., Bruun T.B., Engedal T., Bruun S. Identifying the fingerprint of permanganate oxidizable carbon as a measure of labile soil organic carbon using Fourier transform mid-infrared photoacoustic spectroscopy // Eur. J. Soil Sci. 2021. № 4 (72). C. 1831–1841.
  26. Hurisso T.T., Culman S.W., Horwath W.R., Wade J., Cass D., Beniston J., Bowles T.M., et al. Comparison of permanganate‐oxidizable carbon and mineralizable carbon for assessment of organic matter stabilization and mineralization // Soil Sci. Soc. Am. J. 2016. V. 5. P. 1352–1364. https://doi.org/10.2136/sssaj2016.04.0106
  27. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014 I. soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps WRB-2014 // Universitas Nusantara PGRI Kediri. 2017. P. 1–7.
  28. Jensen J.L., Schjønning P., Watts C.W., Christensen B.T., Peltre C., Munkholm L.J. Relating soil C and organic matter fractions to soil structural stability // Geoderma. 2019. V. 337. P. 834–843. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.10.034
  29. Jones E.J., Hong Y., Pino V., Pauly V., Singh K., Field D., McBratney A.B. Optimising POXC effective sensitivity as a soil indicator in Australian soils // Soil Security. 2023. V. 13. P. 100116. https://doi.org/10.1016/j.soisec.2023.100116
  30. Lefroy R.D., Blair G.J., Strong W.M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance // Plant Soil. 1993. V. 155. P. 399–402. https://doi.org/10.1007/BF00025067
  31. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. V. 7580. P. 60–68. https://doi.org/10.1038/nature16069
  32. Loginow W., Wiśniewski W., Gonet S.S., Cieścińska B.. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation // Pol. J. Soil Sci. 1987. V. 20. P. 47–52.
  33. Margenot A.J., Calderón F.J., Magrini K.A., Evans R.J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to characterize the effects of soil science oxidation assays on soil organic matter composition in a Mollic Xerofluvent // Appl. Spectrosc. 2017. V. 7. P. 1506–1518. https://doi.org/10.1177/0003702817691776
  34. Margenot A.J., Wade J., Woodings F.S. The misuse of permanganate as a quantitative measure of soil organic carbon // Agric. Environ. lett. 2024. V. 9. P. e20124. https://doi.org/10.1002/ael2.20124
  35. Moebius-Clune B.N., Moebius-Clune D.J., Gugino B.K., Idowu O.J., Schindelbeck R.R., Ristow A.J., van Es H.M., et al. Comprehensive assessment of soil health – the Cornell framework. Edition 3.2. Cornell University. Geneva. N.Y., 2016.
  36. Plaza-Bonilla D., Álvaro-Fuentes J., Cantero-Martínez C. Identifying soil organic carbon fractions sensitive to agricultural management practices // Soil and Tillage Res. 2014. V. 139. P. 19–22. https://doi.org/10.1016/j.still.2014.01.006
  37. Pulleman M., Wills S., Creamer R., Dick R., Ferguson R., Hooper D., Williams C., Margenot A.J. Soil mass and grind size used for sample homogenization strongly affect permanganate-oxidizable carbon (POXC) values, with implications for its use as a national soil health indicator // Geoderma. 2021. V. 383. P. 114742. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114742
  38. Rabot E., Wiesmeier M., Schlüter S., Vogel H.J. Soil structure as an indicator of soil functions: A review // Geoderma. 2018. V. 314. P. 122–137. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.11.009
  39. Reinhart K.O., Nichols K.A., Petersen M., Vermeire L.T. Soil aggregate stability was an uncertain predictor of ecosystem functioning in a temperate and semiarid grassland // Ecosphere. 2015. V. 11. P. 1–16. https://doi.org/10.1890/ES15-00056.1
  40. Romero C.M., Engel R.E., D’Andrilli J., Chen C., Zabinski C., Miller P.R., Wallander R. Patterns of change in permanganate oxidizable soil organic matter from semiarid drylands reflected by absorbance spectroscopy and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Org. Geochem. 2018. V. 120. P. 19–30. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2018.03.005
  41. Stott D.E. Recommended soil health indicators and associated laboratory procedures. Soil health technical note. 2019. No. 450–03. U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service. P. 76.
  42. Sutri M., Shanskiy M., Ivask M., Reintam E. The Assessment of soil quality in contrasting land-use and tillage systems on farm fields with Stagnic Luvisol soil in Estonia // Agriculture (Switzerland). 2022. V. 12. P. 2149. https://doi.org/10.3390/agriculture12122149
  43. Svedin J.D., Veum K.S., Ransom C.J., Kitchen N.R., Anderson S.H. An identified agronomic interpretation for potassium permanganate oxidizable carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2023. V. 87. P. 291–308. https://doi.org/10.1002/saj2.20499
  44. Tatzber M., Schlatter N., Baumgarten A., Dersch G., Körner R., Lehtinen T., Unger G., Mifek E., Spiegel H. KMnO4 determination of active carbon for laboratory routines: Three long-term field experiments in Austria // Soil Res. 2015. V. 2. P. 190–204. https://doi.org/10.1071/SR14200
  45. Tirol-Padre A., Ladha J.K. Assessing the reliability of permanganate‐oxidizable carbon as an index of soil labile carbon // Soil Sci. Soc. Am. J. 2004. V. 3. P. 969–978. https://doi.org/10.2136/sssaj2004.9690
  46. USDA Kellogg Soil Survey Laboratory Methods Manual Soil Survey Investigations Report No. 42, Version 6.0. Part 1. Current Methods.
  47. Wade J., Maltais-Landry G., Lucas D.E., Bongiorno G., Bowles T.M., Calderón F.J., Culman S.W., et al. Assessing the sensitivity and repeatability of permanganate oxidizable carbon as a soil health metric: An interlab comparison across soils // Geoderma. 2020. V. 366. P. 114235. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114235
  48. Wade J., Li C., Pulleman M.M., Trankina G., Wills S.A., Margenot A.J. To standardize by mass of soil or organic carbon? A comparison of permanganate oxidizable carbon (POXC) assay methods // Geoderma. 2021. V. 404. P. 115392. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115392
  49. Weil R.R., Islam K.R., Stine M.A., Gruver J.B., Samson-Liebig S.E. Estimating active carbon for soil quality assessment: A simplified method for laboratory and field use // Am. J. Altern. Agric. 2003. V. 18. P. 3–17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228
  50. Wickham M.H., Chang W., Wickham M.H. Package “ggplot2”. Create elegant data visualizations using the grammer of graphics. Version. 2016. V. 1. P. 1–89.
  51. Woodings F.S., Margenot A.J. Revisiting the permanganate oxidizable carbon (POXC) assay assumptions: POXC is lignin sensitive // Agric. Environ. Lett. 2023. V. 8. P. e20108. https://doi.org/10.1002/ael2.20108

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Supplement
Download (26KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».