Estimating the Contribution of the Forest Floor to the Soil Carbon Stock of East Fennoscandian Mid-Boreal Ecosystems

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Integrated surveys were carried out in a carbon testing ground in the Kivach State Strict Nature Reserve, which represents relatively undisturbed East Fennoscandian mid-boreal ecosystems. The forest floor is a heterogeneous body with considerably variable composition and condition. In the study area there predominate (80% of all sampling points) coarse-humus fermentation-type forest floors with an average thickness of 5.2 ± 0.2 cm and stock of 48.0 ± 2.0 Mg/ha. As the residues decompose, they gradually lose organic matter. The highest Сorg levels (52.8 ± 0.6%) in the testing ground’s most common subshrub-true moss habitats are found in the top layer of the forest floor. In the lower sub-horizons, carbon content declines – 40.8 ± 2.0%. In habitats with a higher contribution of forbs, Сorg content decreases considerably – to 19%. Average Сorg stock in the forest floor of the surveyed ecosystems is estimated at 20.9 ± 0.9 Mg Сorg /ha. The data exhibit high spatial variation – from 1.5 to 45 Mg Сorg /ha. The variation of Сorg stock in the forest floor across the study area is predicated on the following: ground cover characteristics, prevalence of a tree species and position within the tree’s impact zone.

About the authors

G. V. Akhmetova

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: akhmetovagv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0708-369X
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

S. G. Novikov

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

E. V. Moshkina

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

M. V. Medvedeva

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

A. N. Solodovnikov

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

A. K. Saraeva

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

K. M. Nikerova

Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: akhmetovagv@gmail.com
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

References

  1. Аккумуляция углерода в лесных почвах и сукцессионный статус лесов / Под ред. Лукиной Н.В. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2018. 232 с.
  2. Безуглова О.С., Горбов С.Н., Карпушова А.В., Тагивердиев С.С. Сравнительная характеристика методов определения органического углерода в почвах // Биологические науки. 2014. № 8. С. 1576–1580.
  3. Биеньковски П., Титлянова A.A., Шибарева C.B. Трансформационные процессы в подстилках бореальных лесов // Cибирский экологический журнал. 2003. Т. 10. № 6. С. 707–712.
  4. Благовещенский Ю.Н., Богатырёв Л.Г., Соломатова Е.А., Самсонова В.П. Пространственная изменчивость мощности подстилок в лесах Карелии // Почвоведение. 2006. № 9. С. 1029–1035.
  5. Бобкова К.С., Машика А.В., Смагин А.В. Динамика содержания углерода органического вещества в среднетаежных ельниках на автоморфных почвах. СПб.: Наука, 2014. 270 с.
  6. Богатырёв Л.Г., Демин В.В., Матышак Г.В., Сапожникова В.А. О некоторых теоретических аспектах исследования лесных подстилок // Лесоведение. 2004. № 4. С. 17–29.
  7. Богатырёв Л.Г., Свентицкий И.А., Шарафутдинов Р.Н., Степанов А.А. Лесные подстилки и диагностика современной направленности гумусообразования в различных географических зонах // Почвоведение. 1998. № 7. С. 864–875.
  8. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М: Росгидромет, 2014. 1009 с.
  9. Демидов И.Н., Лукашов А.Д., Ильин В.А. Рельеф заповедника “Кивач” и история геологического развития северо-западного Прионежья в четвертичном периоде // Тр. Карельского НЦ РАН. 2006. Вып. 10. С. 22–33.
  10. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: URSS, 2009. 328 с.
  11. Иванов А.В., Браун М., Замолодчиков Д.Г., Лынов Д.В., Панфилова Е.В. Лесные подстилки как звено цикла углерода хвойно-широколиственных насаждений южного Приморья // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1226–1233. https://doi.org/10.1134/S0032180X18100052
  12. Ивантер Э.В., Тихомиров А.А. Заповедник “Кивач” // Заповедники СССР. Т. 1. Заповедники европейской части РСФСР. М.: Мысль, 1988. С. 100–128.
  13. Казимиров Н.И., Волков А.Д., Зябченко С.С. и др. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера. Л., 1977. 304 с.
  14. Караванова Е.И., Золовкина Д.Ф., Степанов А.А. Взаимодействие водорастворимых органических веществ хвойной подстилки с минералами и горизонтами подзолистой почвы и подзолов // Почвоведение. 2020. № 9. С. 1071–1084. https://doi.org/10.31857/S0032180X20090075
  15. Карпачевский Л.О., Зубкова Т.А., Ташнинова Л.Н., Руденко Р.Н. Почвенный покров и парцеллярная структура лесного биогеоценоза // Лесоведение. 2007. № 6. С. 107–113.
  16. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  17. Копцик Г.Н., Копцик С.В., Куприянова Ю.В., Кадулин М.С., Смирнова И.Е. Оценка запасов углерода в почвах лесных экосистем как основа мониторинга климатически активных веществ // Почвоведение. 2023. № 12. С. 1686–1702. https://doi.org/10.31857/S0032180X23601329
  18. Кузнецова А.И., Лукина Н.В., Горнов А.В., Горнова М.В., Тихоновa Е.В., Смирнов В.Э. и др. Запасы углерода в песчаных почвах сосновых лесов на западе России // Почвоведение. 2020. № 8. C. 959–969. https://doi.org/10.31857/S0032180X20080109
  19. Леса и их многоцелевое использование на северо-западе европейской части таежной зоны России. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2015. 190 с.
  20. Лукина Н.В., Кузнецова А.И., Гераськина А.П., Смирнов В.Э., Иванова В.Н., Тебенькова Д.Н., Горнов А.В., Шевченко Н.Е., Тихонова Е.В. Неучтенные факторы, определяющие запасы углерода в лесных почвах // Метеорология и гидрология. 2022. № 10. С. 92–110. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2022-10-92-110
  21. Макаревский М.Ф. Запасы и баланс органического углерода в лесных и болотных биогеоценозах Карелии // Экология. 1991. № 3. С. 3–12.
  22. Морозова Р.М. Запасы органического вещества в почвах лесов Карелии // Почвы Карелии (справочное пособие). Петрозаводск, 1981. C. 67–168.
  23. Осипов А.Ф., Дымов А.А. Запасы углерода в почвах основных групп типов сосновых лесов в республике Коми // Почвы Урала и Поволжья: экология и плодородие: Матер. междунар. науч.-пр. конф. почвоведов, агрохимиков и земледелов, посвященной 90-летию почвоведения на Урале. 3–6 июня 2021 г. Уфа: Башкирский ГАУ, 2021. С. 42–46.
  24. Орлова М.А., Лукина М.В., Смирнов В.Э. Методические подходы к отбору образцов лесной подстилки с учетом мозаичности лесных биогеоценозов // Лесоведение. 2015. № 3. С. 214–221.
  25. Подвезенная М.А., Рыжова И.М. Изменчивость содержания и запасов углерода в почвах лесных биогеоценозов южной тайги // Лесоведение. 2011. № 1. С. 52–60.
  26. Распоряжение Минприроды России от 30 июня 2017 г. № 20-р
  27. Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Пространственная вариабельность запасов органического углерода в почвах лесных и степных биогеоценозов // Почвоведение. 2008. № 12. С. 1429–1437.
  28. Рыжова И.М., Подвезенная М.А., Телеснина В.М., Богатырев Л.Г., Семенюк О.В. Оценка запасов углерода и потенциала продуцирования CO2 почвами хвойно-широколиственных лесов // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1143–1154. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600713
  29. Самсонова В.П., Кондрашкина М.И. Анализ данных определения содержания органического углерода разными методами // Проблемы агрохимии и экологии. 2023. № 1. С. 43–46. https://doi.org/10.26178/AE.2023.30.55.006
  30. Самсонова В.П., Мешалкина Ю.Л. Часто встречающиеся неточности и ошибки применения статистических методов в почвоведении // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2020. Вып. 102. С. 164–182. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-102-164-182
  31. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  32. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Лопес де Гереню В.О., Овсепян Л.А., Семенов М.В., Курганова И.Н. Пулы и фракции органического углерода в почве: структура, функции и методы определения // Почвы и окружающая среда. 2023. Т. 6. № 1. e199. https://doi.org/10.31251/pos.v6i1.199
  33. Синькевич С.М., Бахмет О.Н., Иванчиков А.А. Роль почв в региональном балансе углерода в сосновых лесах Карелии // Почвоведение. 2009. № 3. С. 290–300.
  34. Скороходова С.Б. О климате заповедника “Кивач” // Тр. гос. природного заповедника “Кивач”. Петрозаводск, 2008. Вып. 4. С. 3–34.
  35. Соломатова Е.А., Красильников П.В., Сидорова В.А. Строение и пространственная вариабельность лесной подстилки в ельнике черничном зеленомошном Средней Карелии // Почвоведение. 1999. № 6. С. 764–773.
  36. Соломатова Е.А., Сидорова В.А. Пространственная вариабельность лесных подстилок ельников черничных Восточной Фенноскандии // Геостатистика и география почв. М.: Наука, 2007. С. 87–91.
  37. Телеснина В.М., Семенюк О.В., Богатырев Л.Г. Свойства лесных подстилок во взаимосвязи с напочвенным покровом в лесных экосистемах Подмосковья (на примере УОПЭЦ “Чашниково”) // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2017. № 4. С. 11–20.
  38. Титлянова А.А., Шибарева С.В., Самбуу А.Д. Травяные и лесные подстилки в горной лесостепи Тувы // Cибирский экологический журнал. 2004. Т. 11. № 3. С. 425–432.
  39. Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Экологические особенности трансформации соединений углерода и азота в лесных почвах. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2003. 240 с.
  40. Федорец Н.Г., Морозова Р.М., Бахмет О.Н., Солодовников А.Н. Почвы и почвенный покров заповедника “Кивач” // Тр. Карельского научного центра РАН. 2006. Вып. 10. С. 131–152.
  41. Хитров Н.Б., Никитин Д.А., Иванова Е.А., Семенов М.В. Пространственно-временная изменчивость содержания и запаса органического вещества почвы: аналитический обзор // Почвоведение. 2023. № 12. С. 1493–1521. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600841
  42. Чернова О.В., Рыжова И.М., Подвезенная М.А. Оценка запасов органического углерода лесных почв в региональном масштабе // Почвоведение. 2020. № 3. С. 340–350. https://doi.org/10.31857/S0032180X20030028
  43. Честных О.В., Грабовский В.И., Замолодчиков Д.Г. Углерод почв лесных районов Европейско-Уральской части России // Вопросы лесной науки. 2020. Т 3. № 2. С. 1–5. https://doi.org/10.31509/2658-607x-2020-3-2-1-15
  44. Честных О.В., Лыжин В.А., Кокшарова А.В. Запасы углерода в подстилках лесов России // Лесоведение. 2007. № 6. С. 114–121.
  45. Шихова Л.Н., Лисицын Е.М. Динамика запасов органического вещества лесной подстилки южно-таежного биогеоценоза // Вестник Удмуртского ун-та. Сер. Биология. Науки о земле. 2015. Т. 25. Вып. 2. С. 24–30.
  46. 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
  47. Bakhmet O. N. Carbon deposits in soils of pine and spruce forests of Karelia // Contemporary Problems of Ecology. 2018. V. 11. P. 697–703. https://doi.org/10.1134/S199542551807003X
  48. Berg B., McClaugherty C. Plant litter. Decomposition, humus formation, carbon sequestration. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 340 p.
  49. Blume H.P. Soils // Terrestrial Coastal Ecosystems in Germany and Climate Change. Ecological Studies. Cham: Springer, 2023. V. 245. P. 75–90. https://doi.org/10.1007/978-3-031-12539-3_8
  50. Cao B., Domke G.M., Russell M.B., Walters B.F. Spatial modeling of litter and soil carbon stocks on forest land in the conterminous United States // Sci. Total Environ. 2019. V. 654. P. 94–106. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.10.359
  51. Couteaux M.-M., Bottner P., Berg B. Litter decomposition, climate and litter quality // Trends in Ecology Evolution. 1995. V. 10. P. 63–66. https://doi.org/10.1016/s0169-5347(00)88978-8
  52. Domke G.M., Perry C.H., Walters B.F., Woodall C.W., Russell M.B., Smith J.E. Estimating litter carbon stocks on forest land in the United States // Sci. Total Environ. 2016. V. 557–558. P. 469–478. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.03.090
  53. Ershov V., Sukhareva T., Ryabov N., Ivanova E., Shtabrovskaya I. Estimation of Carbon and Nitrogen Contents in Forest Ecosystems in the Background Areas of the Russian Arctic (Murmansk Region) // Forests. 2024. V. 15. P. 29. https://doi.org/10.3390/f15010029
  54. Fröberg M., Hansson K., Kleja D.B., Alavi Gh. Dissolved organic carbon and nitrogen leaching from Scots pine, Norway spruce and silver birch stands in southern Sweden // Forest Ecology Management. 2011. V. 262. №. 9. Р. 1742–1747. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2011.07.033
  55. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. V. 4. P. 1–9.
  56. Hoffmann U., Hoffmann T., Johnson E.A., Kuhn N.J. Assessment of variability and uncertainty of soil organic carbon in a mountainous boreal forest (Canadian Rocky Mountains, Alberta) // Catena. 2014. V. 113. P. 107–121. https://doi.org/10.1016/j.catena.2013.09.009
  57. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Stocker T.F. et al. Cambridge: Cambridge University Press, 2013. 1535 p.
  58. IPCC: Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories; Prepared by National Greenhouse Gas Inventories Programme / Eds. Eggleston H.S. et al. IGES: Kanagawa, 2006.
  59. IUSS Working Group WRB World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015, International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports 106. Rome: FAO, 2015. 203 p.
  60. Kristensen T., Ohlson M., Bolstad P., Nagy Z. Spatial variability of organic layer thickness and carbon stocks in mature boreal forest stands – implications and suggestions for sampling designs // Environ. Monitoring Assessment. 2015. V. 187. 521. https://doi.org/10.1007/s10661-015-4741-x
  61. Kuznetsova A.I., Lukina N.V., Tikhonova E.V., Gornov A.V., Gornova M.V., Smirnov V.E., Geraskina A.P., Shevchenko N.E., Tebenkova D.N., Chumachenko S.I. Carbon stock in sandy and loamy soils of coniferous–broadleaved forests at different succession stages // Eurasian Soil Science. 2019. V. 52. № 7. P. 756–768. https://doi.org/10.1134/S1064229319070081
  62. Lee S.J., Yim J.S., Son Y.M., Son Y., Kim R. Estimation of Forest Carbon Stocks for National Greenhouse Gas Inventory Reporting in South Korea // Forests. 2018. V. 9. P. 625. https://doi.org/10.3390/f9100625
  63. Liu Y., Wang K., Dong L., Li J., Wang X., Shangguan Z., Qu B., Deng L. Dynamics of litter decomposition rate and soil organic carbon sequestration following vegetation succession on the Loess Plateau, China // Сatena. 2023 V. 229: 107225. https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107225
  64. Lukina N.V., Tikhonova E.V., Danilova M.A., Bakhmet O.N., Kryshen A.M., Tebenkova D.N., Kuznetsova A.I. et al. Associations between forest vegetation and the fertility of soil organic horizons in northwestern Russia // Forest Ecosystems. 2019. V. 6. P. 34. https://doi.org/10.1186/s40663-019-0190-2
  65. Pan Y., Birdsey R.A., Fang J., Houghton R., Kauppi P., Kurz W., Phillips O. et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests // Science. 2011. V. 333(6045). P. 988–993. https://doi.org/10.1126/science.1201609
  66. Price D.T., Alfaro R.I., Brown K.J., Flannigan M.D., Fleming R.A., Hogg E.H., Girardin M.P. et al. Anticipating the consequences of climate change for Canada’s boreal forest ecosystems // Environ. Rev. 2013. V. 21. P. 322–365. https://doi.org/10.1139/er-2013-0042
  67. Rozhkov V.A., Wagner V.B., Kogut B.M., Konyushkov D.E., Nilsson S., Sheremet B.V., Shvidenko A.Z. Soil carbon estimates and soil carbon map for Russia. IIASA Working Paper. IIASA. Laxenburg, 1996. 44 p.
  68. Schrumpf M., Schulze E.D., Kaiser K., Schumacher J. How accurately can soil organic carbon stocks and stock changes be quantified by soil inventories? // Biogeosciences. 2011. V. 8. P. 1193–1212. https://doi.org/10.5194/bg-8-1193-2011
  69. Shamrikova E.V., Kondratenok B.M., Tumanova E.A., Vanchikova E.V., Lapteva E.M., Zonova T.V., Lu-Lyan-Min E.I. et al. Transferability between soil organic matter measurement methods for database harmonization // Geoderma. 2022. V. 412. P. 115547. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115547
  70. Sun W., Liu X. Review on carbon storage estimation of forest ecosystem and applications in China // Forest Ecosystems. 2020. V. 7. P. 4. https://doi.org/10.1186/s40663-019-0210-2
  71. UNFCCC: Caring for Climate: A guide to the Climate Change Convention and the Kyoto Protocol (revised 2005 edition). Germany, 2005. 33 р.
  72. Vitharana U.W.A., Casson N.J., Kumaragamage D., Mishra U., Friesen-Hughes K. Factors controlling the spatial heterogeneity of soil organic carbon concentrations and stocks in a boreal forest // Geoderma Regional. 2024. V. 36. P. e00749. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2023.e00749
  73. Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E., Lang B., von Luetzow M., Marin-Spiotta E., Wesemael van B. et al. Soil organic carbon storage as a key function of soils – a review of drivers and indicators at various scales // Geoderma. 2019. V. 333. № 5. P. 149–162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026
  74. Yang Y., Luo Y., Finzi A.C. Carbon and nitrogen dynamics during forest stand development: a global synthesis // New Phytologist. 2011. V. 190. P. 977–989. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2011.03645.x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Location of the Kivach test site (a) and sample plots (b).

Download (866KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Forest litter thickness (a) and reserves (b) of intercrown (IC) and subcrown (PC) spaces of selected biogeocenoses. Numbers denote BHCs, transcribed in Table 2. Letter designations correspond to statistically significant differences between the selected BHCs: lowercase - for intercrown litter, uppercase - for subcrown litter.

Download (324KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Scatter diagrams of forest litter stock and thickness (IS - intercrown space, SS - subcrown space).

Download (102KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Normal probability plot of the distribution of Sorg content data in OL ((a) - all data, (b) - divided into two populations according to litter type, with red dashed line - destructive types, black - fermentative and humus types).

Download (171KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Sorg content in the litter of the studied biogeocenoses of the Kivach polygon. Numbers denote biogeocenoses (BHC), transcribed in Table 2. Letter designations correspond to statistically significant differences: between Sorg content in different litter sub-horizons (a); between Sorg content in sub-horizons OL (b), OF (c), OH (d) of selected BHCs.

Download (197KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences