Soil Respiration and Carbon Sequestration

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

An increase in the concentration of carbon dioxide in the atmosphere is a trigger for the activation of all processes of the carbon cycle, including soil respiration (SR), since it causes not only an increase in the greenhouse effect of the atmosphere, but also its fertilization. The consequence of fertilization is the tendency to increase the world’s net primary production of photosynthesis (NPP) and heterotrophic respiration of soils (RH). The increase in global terrestrial carbon sink was accompanied by an increase in CO2 in the atmosphere. The global increase in RH is due to global losses of soil organic carbon and is confirmed by models according to which the average residence time of organic carbon in the soil pool has decreased by 4.4 years over the past century. To assess the level of C sequestration in soils, it is necessary to determine the balance between the RH of the soil and the amount of new soil C-sink in the form of net biome production (NBP) – resistant to mineralization. Carbon sink into net ecosystem production (NEP) determines short-term unsustainable carbon sequestration.

About the authors

V. N. Kudeyarov

Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science RAS

Author for correspondence.
Email: vnikolaevich2001@mail.ru
Russia, 142290, Pushchino

References

  1. Алферов А.М., Блинов В.Г., Гитарский М.Л., Грабар В.А., Замолодчиков Д.Г. и др. Мониторинг потоков парниковых газов в природных экосистемах. Саратов: Амирит, 2017. 279 с.
  2. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.
  3. Благодатский С.А., Ларионова А.А., Евдокимов И.В. Вклад дыхания корней в эмиссию СО2 из почвы // Дыхание почвы. Пущино, 1993. С. 26–32.
  4. Демидов А.Б., Гагарин В.И., Шеберстов С.В. Влияние регионального потепления на первичную продукцию Карского моря в последние две декады (2002–2021 гг.) // Океанология. 2023. Т. 63. № 2. С. 224–242.
  5. Дыхание почв / Под ред. Заварзина Г.А., Кудеярова В.Н. Пущино, 1993. 130 с.
  6. Евдокимов И.В., Ларионова А.А., Шмитт М., Лопес де Гереню В.О. Экспериментальная оценка вклада дыхания корней растений в эмиссию углекислого газа из почвы // Почвоведение. 2010. № 12. С. 1479–1488.
  7. Заварзин Г.А. Предисловие // Дыхание почвы. Пущино, 1993. С. 3–10.
  8. Исаев А.С., Коровин Г.Н. Углерод в лесах Северной Евразии. Круговорот углерода на территории России // Глобальные изменения природной среды и климата. Избр. научн. труды. М., 1999. С. 63–95.
  9. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Сухих В.И. и др. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России. (аналитический обзор). М.: Центр экол. полит., 1995. 156 с.
  10. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука, 2008. 344 с.
  11. Кирюшин В.И., Кирюшин С.В. Агротехнологии. СПб: Лань, 2015. 480 с.
  12. Кудеяров В.Н. Вклад почвы в баланс СО2 атмосферы на территории России// Докл. РАН. 2000. Т. 375. № 2. С. 275–277.
  13. Кудеяров В.Н., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф. и др. Оценка дыхания почв России // Почвоведение. 1995. № 1. С. 33–42.
  14. Курганова И.Н., Кудеяров В.Н. Оценка потоков диоксида углерода из почв таежной зоны России // Почвоведение. 1998. № 9. С. 1058–1070.
  15. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Жмурин В.А., Кудеяров В.Н. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1220–1236. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100111
  16. Ларионова А.А., Евдокимов И.В., Курганова И.Н., Сапронов Д.В., Кузнецова Л.Г., Лопес де Гереню В.О. Дыхание корней и его вклад в эмиссию из почвы // Почвоведение. 2003. № 3. С. 183–194.
  17. Ларионова А.А., Иванникова Л.А., Демкина Т.С. Методы определения эмиссии СО2 из почвы // Дыхание почвы. Пущино, 1993. С. 11–26.
  18. Ларионова А.А., Лопес де Гереню В.О., Сапронов Д.В. и др. Определение вклада дыхания корней травянистых и древесных растений в эмиссию СО2 из почвы // Почвоведение. 2006. № 10. С. 1248–1257.
  19. Остроумов В.Е., Буценко А.Н. Дыхание почвы. Пущино, 1993. 142 с.
  20. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / Под ред. Заварзина Г.А., Кудеярова В.Н. М.: Наука, 2007. 315 с.
  21. Паников Н.С., Палеева М.В., Дедыш С.Н., Дорофеев А.Г. Кинетические методы определения биомассы и активности различных групп почвенных микроорганизмов // Почвоведение. 1991. № 8. С. 109–120.
  22. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. М.–Л.: Наука, 1965. 253 с.
  23. Рысков Я.Г., Иванов И.В., Демкин В.А., Хакимов Р.Ф. Динамика запасов карбонатов в почвах России за историческое время и их роль как буферного резервуара атмосферной углекислоты // Почвоведение. 1997. № 8. С. 934–942.
  24. Федоров-Давыдов Д.Г. Дыхательная активность тундровых биогеоценозов и почв Колымской низменности // Почвоведение. 1998. № 3. С. 291–301.
  25. Шевцова Л.К., Романенков В.А., Блоговещенский Г.В., Хайдуков Г.В., Канзываа С.О. Структура баланса углерода и биоэнергетическая оценка его компонентов в агроценозах длительных полевых опытов // Агрохимия. 2015. № 12. С. 67–75.
  26. Ali E.F., Al-Yasi H.M., Kheir A.M.S., Eissa M.A. et al. Effect of biochar on CO2 sequestration and productivity of pearl millet plants grown in saline sodic soils // J. Soil Sci. Plant Nutr. 2021. V. 21. № 2. P. 897–907. https://doi.org/10.1007/s42729-021-00409-z
  27. Bahn M., Reichstein M., Davidson E.A., Grünzweig J. et al. Soil respiration at mean annual temperature predicts annual total across vegetation types and biomes // Biogeosciences. 2010. V. 7. P. 2147–2157. https://doi.org/10.5194/bg-7-2147-2010
  28. Berhane M., Xu M., Liang Z.Y., Shi J. et al. Effects of long-term straw return on soil organic carbon storage and sequestration rate in North China upland crops: A meta-analysis // Glob. Change Biol. 2020. V. 26. № 4. P. 2686–2701. https://doi.org/10.1111/gcb.15018
  29. Bond-Lamberty B., Thomson A. A global database of soil respiration data // Biogeosciences. 2010. V. 7. P. 1915–1926. https://doi.org/10.5194/bg-7-1915-2010
  30. Bond-Lamberty B., Thomson A. Temperature-associated increases in the global soil respiration record // Nature. 2010. V. 464. P. 579–582. https://doi.org/10.1038/nature08930
  31. Canadell J.G., Monteiro P.M.S., Costa M.H., Cotrim da Cunha L., Cox P.M. et al. Global Carbon and other Biogeochemical Cycles and Feedbacks // Climate Change. Cambridge, 2021. P. 673–816. https://doi.org/10.1017/9781009157896.007
  32. Climate Change. The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment / Ed. Houghton J.T. et al. Cambridge, 1992. 200 p.
  33. Climate change / Eds. Hougton J.T. et al. IPCC, 1996.
  34. Cooper H.V., Sjogersten S., Lark R.M. et al. To till or not to till in a temperate ecosystem? Implications for climate change mitigation // Environ. Res. Lett. 2021. V. 16. P. 054022.
  35. Dewi R.K., Fukuda M., Takashima N. et al. Soil carbon sequestration and soil quality change between no-tillage and conventional till soil management after 3 and 11 years of organic farming // Soil Sci. Plant Nutrit. 2022. V. 68. № 1. P. 133–148. https://doi.org/10.1080/00380768.2021.1997552
  36. Ding W., Luo J., Li J., Yu H. et al. Effect of long-term compost and inorganic fertilizer application on background N2O and fertilizer induced N2O emissions from an intensively cultivated soil // Sci. Total Environ. 2013. V. 465. P. 115–124. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.11.020
  37. Dolman A.J., Shvidenko A., Schepaschenko D. et al. An estimate of the terrestrial carbon budget of Russia using inventory-based, eddy covariance and inversion method // Biogeosciences 2012. V. 9. P. 5323–5340. https://doi.org/0.5194/bg-9-5323-2012
  38. El-Naggar A., El-Naggar A.H., Shah S.M. et al. Biochar composition-dependent impacts on soil nutrient release, carbon mineralization, potential environmental risk: A review // J. Environ. Managem. 2019. V. 241. P. 458–467. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.02.044
  39. Friedlingstein P., Jones M.W., O’Sullivan M., Andrew R.M. et al. Global Carbon Budget 2021 // Earth Syst. Sci. Data. 2022. V. 14. P. 1917–2005. https://doi.org/10.5194/essd-14-1917-2022
  40. Global Carbon Project. Supplemental data of Global Carbon Budget 2022. Version 1.0. Data set. Global Carbon Project. 2022. https://doi.org/10.18160/gcp-2022
  41. GAW DATA Greenhouse Gases and Other Atmospheric Gases. World Meteorological Organization. Japan, 2018. V. IV. 101 p.
  42. Haaf D., Six J., Doetterl S. Global patterns of geo-ecological controls on the response of soil respiration to warming // Nat. Clim. Chang. 2021. V. 11. P. 623–627. https://doi.org/10.1038/s41558-021-01068-9
  43. IPCC 2019. Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories / Eds: Buendia E. IPCC, 2019.
  44. Jia S.X., Liang A.Z., Zhang S.X. et al. Effect of tillage system on soil CO2 flux, soil microbial community and maize (Zea maize yield) // Geoderma. 2021. V. 384. P. 114813. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114813
  45. Jian J.S., Du X., Reiter M.S. et al. A meta-analysis of global cropland soil carbon changes due to cover cropping // Soil Biol. Biochem. 2020. V. 143. P. 107735. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107735
  46. Jian J., Vargas R., Anderson-Teixeira K., Stell E. et al. A restructured and updated global soil respiration database (SRDB-V5) // Earth Syst. Sci. Data. 2021. V. 13. P. 255–267. https://doi.org/10.5194/essd-13-255-2021
  47. Kan Z.R., Liu W.X., Liu W.S. et al. Mechanisms of soil organic carbon stability and its response to no-till: A global synthesis and perspective // Global Change Biol. 2022. V. 28. № 3. P. 693–710. https://doi.org/10.1111/gcb.15968
  48. Kan Z.R., Liu Q.Y., Virk A.L. et al. Effects of experiment duration on carbon mineralization and accumulation under no-till // Soil Till. Res. 2021. V. 209. P. 104939. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.104939
  49. Kudeyarov V.N. Soil Carbon Sequestration: Facts and Challenges (Analytical Review) // Biol. Bull. Rev. 2022. V. 12. P. S109–S122.
  50. Kudeyarov V.N., Kurganova I.N. Carbon dioxide emission nd net primary production of Russian terretrial ecosystems // Biol. Feril. Soils. 1998. V. 27. P. 246–250.
  51. Kurganova I.N. Carbon dioxide emmission from Soils of Russian terrestrial ecosystems // Laxemburg (Austria). 2003. 63 p.
  52. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V., Kuzyakov Y. Large-scale carbon sequestration in post-agrogenic ecosystems in Russia and Kazakhstan // Catena. 2015. V. 133. P. 461–466.
  53. Lei J., Guo X., Zeng Y. et al. Temporal changes in global soil respiration since 1987 // Nat Commun. 2021. V. 12. P. 403. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20616-z
  54. Majumder S., Neogi S., Dutta T. et al. The impact of biochar on soil carbon sequestration: Meta-analytical approach to evaluat environmental and economic advantages // J. Environ. Management. 2019. V. 250. P. 109466. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109466
  55. Melillo J.M., Prentice I.E., Farquhar G.D., Schulze E.D., Sala G.E. 9 Terrestrial Biotic Responses to Environmental Change and Feedbacks to Climate // IPCC 1996. The Science of Climate Change. N.Y.: Melbourne, 1996. P. 445–481.
  56. Mukhortova L., Schepaschenko D., Moltchanova E., Shvidenko A. et al. Respiration of Russian soils: Climatic drivers and response to climate change // Sci. Total Environ. 2021. V. 785. P. 147314.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147314
  57. Mukhortovaa L., Schepaschenko D., Shvidenko A., McCallumb I., Kraxner F. Soil contribution to carbon budget of Russian forests // Agricultural and Forest Meteorology. 2015. V. 200. P. 97–108.
  58. Nilson S., Shvidenko A., Stolbovoi V. et al. Full carbon account for Russia. Laxemburg, 2000 180 p.
  59. Oladele S.O., Adetunji A.T. Agro-residue biochar and N fertilizer addition mitigates CO2-C emission and stabilized organic carbon pools in a rain-fed agricultural cropland // Int. Soil Water Conservation Res. 2021. V. 9. № 1. P. 76–86. https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2020.09.002
  60. Palma R.M., Rímolo M., Saubidet M.I., Conti M.E. Influence of tillage system on denitrification in maize-cropped soils // Biol Fertil Soils. 1997. V. 25. № 2. P. 142–146. https://doi.org/10.1007/s003740050294
  61. Pelster D.E., Chantigny M.H., Royer I., Angers D.A. et al. Reduced tillage increased growing season N2O emissions from a fine but not a coarse textured soil under the cool, humid climate of eastern Canada // Soil Till. Res. 2021. V. 206. P. 104833. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104833
  62. Reinsch T., Struck I.J.A., Loges R., Kluss C. et al. Soil carbon dynamics of no-till silage maize in ley systems // Soil and Tillage Research. 2021. V. 209. P. 104957. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.104957
  63. Rothamsted. Long-terms experiments. Guide to the Classical Long-term Experiments: Datasets and sample archive. Harpenden Herts, UK. 2006 (reprinted 2012). 52 p.
  64. Sitch S., Friedlingstein P., Gruber N., Jones S.D. et al. Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide // Biogeosciences. 2015. V. 12. P. 653–679. https://doi.org/10.5194/bg-12-653-2015
  65. Sperow M. Marginal cost to increase soil organic carbon using no-till on U.S. cropland // Mitig Adapt Strateg Glob Change. 2019. V. 24. № 1. P. 93–112. https://doi.org/10.1007/s11027-018-9799-7
  66. Tarnocai C., Canadell J.D., SchuurE.A., Kuhry P., Mazhiutova G., Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region // Global Biogeochem. Cycles. 2009. V. 23. GB2023. https://doi.org/10.1029/2008GB003327
  67. Tian H., Lu C., Yang J., Banger K. et al. Global patterns and controls of soil organic carbon dynamics as simulated by multiple terrestrial biosphere models: current status and future directions // Global Biogeochemical Cycles. 2015. V. 29. № 6. P. 775–792. https://doi.org/10.1002/2014GB005021
  68. Tian J., Pausch J., Yu G., Blagodatskaya E., Gao Y., Kuzyakov Y. Aggregate size and their disruption affect 14C-labeled glucose mineralization and priming effect // Appl. Soil Ecol. 2015. V. 90. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.01.014
  69. Yang S., Sun X., Ding J. et al. Effects of biochar addition on the NEE and soil organic carbon content of paddy fields under water-saving irrigation // Environ. Sci. Pollut. Res. 2019. V. 26. № 8. P. 8303–8311. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04326-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (87KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.Н. Кудеяров