Regional-Scale Soil Organic Carbon Dynamics Evaluation in Southeastern Siberia Inferred from Stable Carbon Isotopic Values (δ13C)

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The spatial and intra-profile variability of soil δ13С values is assessed along with corresponding environmental and edaphic variables in Baikal region, a vast region in the south of Eastern Siberia that is highly heterogenous in terms of bioclimatic conditions. Studied sites distributed in elevation range of 403–2315 m a.s.l., which define a strong landscape and climatic gradient encompassing mountain tundra, subalpine grasslands, mountain taiga, subtaiga and steppe landscapes. We found that δ13С values of soil organic matter vary significantly, corresponding with δ13C values of plants with C3 photosynthesis. The topsoil organic matter has δ13C values from –29.50 to –22.98‰. Changes in δ13С values in the altitudinal profile correlate well with changes in landscapes. The highest δ13C values are characteristic of soils in mountain tundra and steppe landscapes. In taiga soils, a depletion of organic matter by 13C is observed. These large regional differences in topsoil carbon isotopic composition are also revealed when differences in soil carbon turnover rates are analyzed across the landscapes. The soils exhibit a SOC decrease and δ13С increase with depth. The regress gradient, termed β, of δ13С and the logarithm of SOC with depth in the soil column ranged from –2.1 to –0.4 for the mountain tundra and steppe soils. Slow carbon turnover in such soils were largely controlled by low temperatures and insignificant precipitation, respectively. Most pronounced slope of the linear regression β (from –6.1 to –1) is observed in mountain taiga soils. Edaphic rather than climatic factors are the dominant controlling factor of C turnover in taiga soils of study region.

About the authors

V. A. Golubtsov

Sochava Institute of Geography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tea_88@inbox.ru
Russian Federation, Irkutsk

A. A. Cherkashina

Sochava Institute of Geography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russian Federation, Irkutsk

Yu. V. Vanteeva

Sochava Institute of Geography of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russian Federation, Irkutsk

S. M. Turchinskaya

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Email: tea_88@inbox.ru
Russian Federation, Moscow

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Position of the study sites within the Baikal region. Circles of different colours indicate landscape types (yellow - steppes; light green - subtaiga; dark green - mountain taiga; blue - mountains; blue - subalpinotype landscapes)

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Differentiation of the study sites by temperature and precipitation for the year and the growing season: 1 - steppe; 2 - subtaiga; 3 - mountain taiga; 4 - subalpine meadows; 5 - mountains. The figures in the centre correspond to the areas identified in Fig. 1

Download (358KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Variations in the content of organic carbon, total nitrogen and pH depending on the change in absolute altitudes in the upper humus horizons of the studied soils: 1 - steppe; 2 - subtaiga; 3 - mountain taiga; 4 - mountain and subgoltz landscapes

Download (190KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Histogram of δ13C values of modern soils of the Baikal region (1) in comparison with the range of δ13C values of C3-plants (2) [56]

Download (62KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of organic carbon content change with depth (lg [g C/kg-1]; X-axis) on δ13C values ((‰VPDB; Y-axis) in the studied soils. Numbers in brackets indicate the areas labelled in Fig. 1

Download (341KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of linear regression coefficients β (δ13C/lg (g C/kg)) on variations of pH (a), precipitation amount during the growing season (b) and C/N ratio in surface humus horizons (c) and fall (d). 1 - steppe; 2 - subtaiga; 3 - mountain taiga; 4 - subalpine meadows; 5 - glaciers

Download (347KB)
Indexing metadata
8. Supplementary
Download (121KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences