Assessing the Qualitative and Quantitative Composition of Tree Litter and its Role in Carbon Input in a Clearcut Area

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In terrestrial ecosystems, the input of plant litter is a key link in the biogeochemical element cycling. The quality and composition of tree litter supplied to the soil surface is determined by the age and composition of the forest stand. To date, insufficient research attention has been given to changes in the functioning of taiga ecosystems in the case clear cutting is performed using specialized equipment, as well as to changes occurring during regeneration.
This work aims to assess the quantitative and qualitative composition of litter in clear-cut areas of the middle taiga coniferous-deciduous stands of the Komi Republic at various technological sites and to estimate the carbon influx from litter to the soil surface. Objects and methods. The study was conducted on the territory of the Syktyvdinsky district of the Komi Republic. Tree litter was collected in late May in 2022–2024 and at the end of the 2021–2023 growing seasons after autumn leaf fall. Based on the analysis of data obtained, two groups of fractions were distinguished according to their decomposition rate: active fractions (leaves, needles, seeds) and inactive ones (branches, bark, cones). To convert the mass of plant organic matter of the ground litter into carbon stocks, coefficients specific to individual fractions in the studied region were used. Results. In different years, the tree litter mass at the background site was as follows: 347.34±15.64 g/m2 in 2021–2022, 304.25±16.33 g/m2 in 2022–2023, and 260.74±13.30 g/m2 in 2023–2024. After clear-cutting in the middle taiga coniferous-deciduous stand, annual litter fall decreased 14-66 times over the entire observation period. In the background coniferous-deciduous stand, the amount of carbon input varied from 164.71±7.35 to 123.49±6.25 gC/m2 during three years of observation. Removal of the tree layer through forest clear cutting resulted in a significant 14- to 70-fold reduction in carbon supply from tree litter to the soil surface.

About the authors

D. A. Severgina

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: arzubov-2000@mail.ru

Postgraduate student, Junior Researcher at the Soil Science Department,
Institute of Biology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
(IB FRC Komi SC UB RAS).

Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

P. A. Arzubov

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Pitirim Sorokin Syktyvkar State University

Email: arzubov-2000@mail.ru

Postgraduate student, Pitirim Sorokin Syktyvkar State University; Senior
Laboratory Assistant at the Soil Science Department, IB FRC Komi SC UB RAS.

Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982; 55, Oktyabrsky Prosp., Syktyvkar, 167001

I. V. Payusova

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: arzubov-2000@mail.ru

Postgraduate student and Senior Laboratory Assistant at the Soil Science Department, IB FRC Komi SC UB RAS.

Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

A. F. Osipov

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: arzubov-2000@mail.ru

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Department of Forest Biological Problems of the North, IB FRC Komi SC UB RAS.

Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

A. A. Dymov

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: arzubov-2000@mail.ru

Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Leading Researcher at the Soil Science Department, IB FRC Komi SC UB RAS. 

Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

References

  1. Kurganova I. N., Kudeyarov V. N. Ecosystems of Russia and global carbon budget. Nauka v Rossii (Science in Russia). 2012;5(191):25–32. EDN: PFRAGB. (In Russ.)
  2. Osipov A. F., Bobkova K. S., Dymov A. A. Carbon stocks of soils under forest in the Komi Republic of Russia. Geoderma Regional. 2021;27:e00427. doi: 10.1016/j.geodrs.2021.e00427; EDN: TQVIZW.
  3. Demakov Yu. P., Simanova A. A. Expansion and yield of spruce forests in various ecotopes of Mari El Republic. Nauchnyi dialog (Scientific Dialogue). 2013;(3(15)):26–42. EDN: PXQKOV. (In Russ.)
  4. Kurbanov E. A. Carbon budget simulation in forest stands based on example of Povolzhje pine forests. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal). 2009;(2):7–15. EDN: MUCKWN. (In Russ.)
  5. Smith P., Cotrufo M. F., Rumpel C. et al. Biogeochemical cycles and biodiversity as key drivers of ecosystem services provided by soils. Soil. 2015;1(2):665–685. doi: 10.5194/soil-1-665-2015.
  6. Chertov O., Komarov A., Loukianov A. et al. The use of forest ecosystem model EFIMOD for research and practical implementation at forest stand, local and regional levels. Ecological Modelling. 2006;194(1–3):227–232. doi: 10.1016/j.ecolmodel.2005.10.015.
  7. Ivanova E. A., Danilova M. A., Smirnov V. E. et al. Comparative assessment of the decomposition rate of plant litterfall in spruce and pine forests at the northern distribution limit. Forest Science Issues. 2023;6(3):92–122. doi: 10.31509/2658-607x-202363-132; EDN: WHOTJK. (In Russ.)
  8. Dymov A. A., Bobkova K. S., Tuzhilkina V. V. et al. Tree waste in an aboriginal spruce forest and mixed stands. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal). 2012;(3(327)):7–18. EDN: OZITPN. (In Russ.)
  9. Pristova T. A. Carbon stocks in the litter of the middle taiga deciduous forests of the Komi Republic. Samara Journal of Science. 2023;12(2):81–85. doi: 10.55355/snv2023122112; EDN: HEGAOM. (In Russ.)
  10. Kuznetsov M. A. Effect of decomposition conditions and falloff composition on litter reserves and characteristics in a bilberry-sphagnum spruce forest of middle taiga. Russian Journal of Forest Science (Lesovedenie). 2010;(6):54–60. EDN: NBKODD. (In Russ.)
  11. Likhanova N. V., Bobkova K. S. Pools and carbon fluxes in felling ecosystems spruce forests of the middle taiga of the Komi Republic. Theoretical and Applied Ecology. 2019;(2):91–100. doi: 10.25750/1995-4301-2019-2-091-100; EDN: QNTOOZ. (In Russ.)
  12. Startsev V. V., Severgina D. A., Dymov A. A. Dynamics of water-soluble carbon and nitrogen content in soils in the first years after clearcutting. Eurasian Soil Science. 2024;(6):797–812. doi: 10.31857/S0032180X24060028; EDN: YCDBMV. (In Russ.)
  13. Dymov A. A. Soil successions at boreal forests of the Komi Republic. Moscow: GEOS Publ.; 2020. 336 p. doi: 10.34756/GEOS.2020.10.37828; EDN: WLXSUO. (In Russ.)
  14. Likhanova N. V. The role of tree waste in the litter layer formation in cutting areas of middle taiga spruce forests. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal). 2014;(3(339)):52–66. EDN: SEEOIV. (In Russ.)
  15. Chertovskoy V. G. Cutting areas in haircap-moss forests, their formation and afforestation. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences; 1963. 136 p. (In Russ.)
  16. Osipov A. F., Kuznetsov M. A., Bobkova K. S. Carbon stocks and flows in coniferous ecosystems and clearings of the middle taiga. Forest Ecosystems under Climate Change: Biological Productivity and Remote Monitoring. 2017;(3):105–112. EDN: YOKZTN. (In Russ.)
  17. Kuznetsov M. A., Osipov A. F. Plant litter as a component of the biological carbon cycle of wet coniferous communities in the middle taiga. Vestnik of the Institute of Biology of Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 2011;(9):10–12. EDN: VVEXMN. (In Russ.)
  18. Soil atlas of the Komi Republic / Dobrovolsky G. V., Taskaev A. I., Zaboeva I. V. (Eds.). Syktyvkar: Komi Republic Publishing House; 2010. 356 p. EDN: QLNHTN. (In Russ.)
  19. Kutyavin I. N., Manov A. V., Starcev V. V. et al. The logging equipment effect on the dynamics of natural reforestation of after cutting mixed coniferous-deciduous stand in the middle taiga. Theoretical and Applied Ecology. 2024;(3):123–132. doi: 10.25750/1995-4301-2024-3-123-132; EDN: FCHCEN. (In Russ.)
  20. Osipov A. F., Startsev V. V., Dymov A. A. Influence of clear felling on CO₂ emission from the podzolic soil surface of the coniferous-deciduous forest (Middle Taiga, Komi Republic). Eurasian Soil Science. 2024;(5):728–737. doi: 10.31857/S0032180X24050066; EDN: YLINPY. (In Russ.)
  21. Ogorodnyaya S. A., Butylkina M. A., Krasikov S. R. et al. Physical properties of upper mineral horizons of cutting area (Middle Taiga, Komi Republic). Lomonosov Soil Science Journal. 2024;79(2):15–25. doi: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-2-15-25. (In Russ.)
  22. Atlas of the Komi Republic on climate and hydrology / Bratsev A. A., Bratsev A. P. (Map eds.), Taskaev A. I. (Ed.). Moscow: DiK, Drofa Publ.; 1997. 116 p. (In Russ.)
  23. Dymov A. A., Startsev V. V., Gorbach N. M. et al. Changes in soil and vegetation with different number of passes of wheeled forestry equipment (Middle Taiga, Komi Republic). Eurasian Soil Science. 2022;(11):1633–1646. doi: 10.31857/S0032180X22110028; EDN: ULGVOC. (In Russ.)
  24. Dymov A. A., Osipov A. F., Startsev V. V. et al. Carbon pools and fluxes in mixed coniferous–small-leaved forests and clearcut areas. Eurasian Soil Science. 2024;57(11):1867–1878. doi: 10.1134/S1064229324601847; EDN: GLFNIH.
  25. Portillo-Estrada M., Korhonen J. F. J., Pihlatie M. et al. Inter- and intra-annual variations in canopy fine litterfall and carbon and nitrogen inputs to the forest floor in two European coniferous forests. Annals of Forest Science. 2013;70(4):367–379. doi: 10.1007/s13595-013-0273-0.
  26. Karpachevskiy L. O. Forest and forest soils. Moscow: Lesnaya Promyshlennost; 1981. 264 p. (In Russ.)
  27. Bobkova K. S., Mashika A. V., Smagin A. V. Dynamics of carbon organic matter content of spruce forests in middle taiga growing on automorphic soils. Monograph. St. Petersburg: Nauka; 2014. 270 p. EDN: TNBFNN. (In Russ.)
  28. Bobkova K. S., Tuzhilkina V. V. Carbon concentrations and caloric value of organic matter in northern forest ecosystems. Ecology. 2001;(1):69–71. (In Russ.)
  29. Kosheleva Yu. P., Trofimov S. Ya. Characteristics of the biochemical composition of plant litter at different stages of decomposition (according to thermal analysis data). Izvestiia Akademii Nauk. Seriia Biologicheskaia. 2008;(1):77–83. EDN: IBYSRV. (In Russ.)
  30. Osipov A. F., Tuzhilkina V. V., Dymov A. A. et al. Phytomass and organic carbon stocks in the middle taiga spruce forests during restoration after clear cutting. Biology Bulletin. 2019;(2):215–224. doi: 10.1134/S0002332919020103; EDN: YYEKLJ. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».