Forest Floor Volume and Litter Decomposition Dynamics in Mid-Boreal Spruce Stands on Albic Stagnosols

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The study was carried out in the Kivach Strict Nature Reserve (62°17ʹ N, 33°58ʹ E) from September 2019 to October 2022 in mid-boreal old-growth spruce stands on eluvial-metamorphic soil (Albic Stagnosols) formed over varved clay. The dynamics of litter decomposition was estimated by the litterbags method. Samples of ten different litter fractions were studied: needles, leaves, bark of dominant tree species (Picea abies, Populus tremulae, Betula pendula), and leaves of a subshrub (Vaccinium myrtillus). The sample mass loss and changes in the chemical composition of the plant material were analyzed over 9, 14, 28, and 38 months of the experiment. The impact of the factors on the litter decay rate was studied, taking into account its quantity, diversity, and quality. We estimated the rates of litter input and decay, as well as the forest-floor turnover rate with regard to the biogeocoenosis heterogeneity. Forest floor volumes varied among forest types and tree impact (phytogenic field) zones from 26 to 108 ton/ha. The forest-floor turnover period in the surveyed spruce stands was between 13–14 and 34 years.

About the authors

E. V. Moshkina

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

Author for correspondence.
Email: lena_moshkina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3752-4126
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

A. V. Mamay

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

Email: lena_moshkina@mail.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

M. V. Medvedeva

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

Email: lena_moshkina@mail.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

G. V. Akhmetova

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

Email: lena_moshkina@mail.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

K. M. Nikerova

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

Email: lena_moshkina@mail.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

References

  1. Абрамова Е.Р., Брянин С.В., Кондратова А.В. Разложение опада в постпирогенных лиственничниках хребта Тукурингра (Верхнее Приамурье) // Сибирский лесной журнал. 2018. № 2. С. 71–77.
  2. Александрова Л.Н. Органическое вещество почв и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. 288 с.
  3. Бахмет О.Н., Медведева О.Н. Разложение опада хвои в почвах лесных культур Восточной Фенноскандии // Лесоведение. № 3. 2022. C. 239–249. https://doi.org/10.31857/S0024114822030032
  4. Бобкова К.С. Биологическая продуктивность хвойных лесов Европейского Северо-Востока. Л.: Наука, 1987. 155 с.
  5. Бобкова К.С., Робакидзе Е.А., Торлопова Н.В. Круговорот элементов минерального питания в экосистеме коренного разнотравно-черничного ельника средней тайги (республика Коми) // Сибирский лесной журнал. 2020. № 2. С. 40–54
  6. Германова Н.И. Деструкция хвое-листового опада в лесных насаждениях среднетаежной подзоны. Структурно-функциональная организация лесных почв среднетаежной подзоны Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1994. С. 92–100.
  7. Германова Н.И. Разложение опада как показатель интенсивности круговорота элементов в лесных насаждениях южной Карелии // Лесоведение. 2000. № 3. С. 30–35
  8. Германова Н.И. Скорость разложения растительного опада в лесных насаждениях заповедника Кивач // Эколого-геохимические и биологические закономерности почвообразования в таежных лесных экосистемах. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2009. С. 68–87.
  9. Германова Н.И., Медведева М.В., Мамай А.В. Динамика разложения листового опада в среднетаежных насаждениях Карелии // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2012. № 1. С. 24–32.
  10. Дымов А.А., Бобкова К.С., Тужилкина В.В., Ракина Д.А. Растительный опад в коренном ельнике и лиственно-хвойных насаждениях // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2012. № 3. С. 7–18.
  11. Загуральская Л. М., Зябченко С. С. Особенности разложения и свойства подстилок в насаждениях Карелии // Лесоведение. 1996. № 1. С. 27–34.
  12. Загуральская Л.М. Динамика микробиологических параметров минерализации органического вещества в почвах сосновых лесов Карелии // Лесоведение. 2000. № 2. С. 8–13.
  13. Звягинцев Д.Г., Асеева И.В., Бабьева И.П., Мирчинк Т.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 224 с.
  14. Иванова Е.А. Формирование и разложение древесного опада в лесных экосистемах в фоновых условиях и при аэротехногенном загрязнении // Вопросы лесной науки. 2021. Т. 4. № 3. С. 1–52. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202143-87
  15. Иванова Е.А., Лукина Н.В. Варьирование массы и фракционного состава древесного опада в сосняках кустарничково-лишайниковых при аэротехногенном загрязнении // Лесоведение. 2017. № 5. С. 47–58.
  16. Карпачевский Л.О., Воронин А.Д., Дмитриев Е.А., Строганова М.Н., Шоба С.А. Почвенно-биогеоценотические исследования в лесных биогеоценозах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 160 с.
  17. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумкна, 2004. 342 с.
  18. Кузнецов М.А. Влияние условий разложения и состава опада на характеристики и запас подстилки в среднетаежном чернично-сфагновом ельнике // Лесоведение. 2010. № 6. С. 54–60.
  19. Курганова И.Н., Лопес Де Гереню В.О., Галибина Н.А. Капица Е.А., Шорохова Е.В. Влияние температуры на интенсивность биогенного разложения коры осины // Сибирский экологический журнал. 2020. № 6. Т. 27. С. 792–804. https://doi.org/10.15372/SEJ20200610
  20. Лиханова Н.В. Роль растительного опада в формировании лесной подстилки на вырубках ельников средней тайги // Известия вузов. Лесной журнал. 2014. № 3. С. 52–66.
  21. Лянгузова И.В., Примак П.А. Пространственное распределение запасов напочвенного покрова и лесной подстилки в средневозрастных сосновых лесах Кольского полуострова // Растительные ресурсы. 2019. T. 55. № 4. С. 473–489
  22. Медведева М.В., Бахмет О.Н., Яковлев А.С. Процессы деструкции опада ели в условиях аэротехногенного загрязнения // Лесоведение. 2006. № 4. C. 1–4.
  23. Методы биохимического исследования растений / Под ред. Ермакова А.И. Л.: Агропромиздат, 1987. 429 с.
  24. Рахлеева А.А., Семенова Т.А., Стриганова Б.Р., Терехова В.А. Динамика зоомикробных комплексов при разложении растительного опада в ельниках Южной тайги // Почвоведение. 2011. № 1. С. 44–55.
  25. Решетникова Т.В. Лесные подстилки как депо биогенных элементов // Вестник КрасГАУ. 2011. № 12. C. 74–81.
  26. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 238 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. C. 860–875.
  28. Скороходова С.Б. О климате заповедника Кивач // Тр. гос. природного заповедника Кивач. 2008. Вып. 4. С. 3–34.
  29. Солодовников А.Н. Особенности начального разложения хвои в сосняке брусничном в среднетаежной подзоне Карелии // Тр. Карельского НЦ РАН. 2019. № 11. С. 97–106. https://doi.org/10.17076/eco1124
  30. Соломатова Е.А. Фракционный и компонентный состав лесных подстилок ельников черничных восточной Фенноскандии // Лесоведение. 2013. № 6. С. 37–46.
  31. 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.
  32. Тулина А.С., Семенов В.М. Оценка чувствительности минерализуемого пула почвенного органического вещества к изменению температуры и влажности // Почвоведение. 2015. № 8. С. 952–952.
  33. Aber J.D., Melillo J.M., McClaugherty C.A. Predicting longterm patterns of mass-loss, nitrogen dynamics, and soil organic-matter formation from initial fine litter chemistry in temperate forest ecosystems // Can. J. Botany (Revue Canadienne De Botanique). 1990. № 68. P. 2201–2208.
  34. Adair E.C, Parton W.J., del Grosso S.J. Silver W.L., Harmon M.E., Hall S.A., Burke I.C., Hart S.C. Simple three-pool model accurately describes patterns of long-term litter decomposition in diverse climates // Glob. Change Biol. 2008. V. 14. P. 2636–2660.
  35. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. № 3. P. 215–221.
  36. Berg B., McClaugherty C. Plant litter. Springer, 2003. 341 p.
  37. Berg B., Ekboh G. Litter mass-loss rates and decomposition patterns in some needle and leaf litter types. Long-term decomposition in a scots pine forest // Can. J. Botany. 1991. V. 69. P. 1449–1456. https://doi.org/10.1139/b91-187.
  38. Bradford M.A., Berg B., Maynard D.S., Wieder W.R., Wood S.A. Understanding the dominant controls on litter decomposition // J. Ecology. 2016. № 104. Р. 229–238.
  39. Clemmensen K.E., Bahr A., Ovaskainen O., Dahlberg A., Ekblad A., Wallander H., Stenlid J., Finlay R.D., Wardle D.A., Lindahl B.D. Roots and associated fungi drive long-term carbon sequestration in boreal forest // Science. 2013. № 339. Р. 1615–1618. https://doi.org/10.1126/science.1231923
  40. Cotrufo M.E., Miller M., Zeller B. Litter Decomposition // Carbon and Nitrogen Cycling in European Forest Ecosystems. Berlin: Springer. 2000. P. 276–296. https://doi.org/10.1007/978-3-642-57219-7_13
  41. Coûteaux M.-M., Bottner P., Berg B. Litter decomposition, climate and liter quality // Trends Ecology Evolution. 1995. № 2. P. 63–66. https://doi.org/10.1016/S0169-5347(00)88978-8
  42. Freschet G.T., Aerts R., Cornelissen J.H.C. A plant economics spectrum of litter decomposability // Funct. Ecol. 2012. V. 26. P. 56–65.
  43. Johansson M.B. The chemical composition of needle and leaf litter from Scots pine, Norway spruce and white birch in Scandinavian forests // Forestry: An Inte. J. Forest Res. 1995. V. 68. № 1. P. 49–62. https://doi.org/10.1093/forestry/68.1.49
  44. Meentemeyer V. Macroclimate and Lignin Control of Litter Decomposition Rates // Ecology. 1978. № 3. P. 465–472. https://doi.org/10.2307/1936-576
  45. Moore T.R., Trofymow J.A., Prescott C.E., Fyles J., Titus B.D. CIDET working group. Patterns of carbon, nitrogen and phosphorus dynamics in decomposing foliar litter in Canadian forests // Ecosystems. 2006. V. 9. № 1. P. 46–62.
  46. Olson J.S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems // Ecology. 1963. V. 44. P. 322–331.
  47. Pedersen L.B., Bille-Hansen J. A comparison of litterfall and element fluxes in even aged Norway spruce, sitka spruce and beech stands in Denmark // For. Ecol. Manage. 1999. № 114. P. 55–70.
  48. Poinsot-Balaguer N. Racon L., Sadaka N., Lepetit J. Effects of tannin compounds on two species of Collembola // Eur. J. Soil Biol. (France). 1993. V. 29. № 1. P. 13–16.
  49. Portillo-Estrada M., Pihlatie M., Korhonen J.F.J., Levula J., Frumau A.K.F., Ibrom A., Lembrechts J.J., Morillas L., Horvath L., Jones S.K., Niinemets U. Climatic controls on leaf litter decomposition across European forests and grasslands revealed by reciprocal litter transplantation experiments // Biogeosciences. 2016. V. 13. P. 1621–1633.
  50. Six J., Bossuyt H., Degryze S.D., Denef K. A history of research on the link between (micro)aggregates, soil biota, and soil organic matter dynamics // Soil Till. Res. 2004. V. 79. P. 7–31. https://doi.org/10.1016/j.still.2004.03.008
  51. Swift M.J., Heal O.W., Anderson J.M. Decomposition in terrestrial ecosystems. Studies in ecology. Oxford: Blackwell Scientific, 1979. 372 p.
  52. Symonds J., Morris D.M., Kwiaton M.M. Effects of harvest intensity and soil moisture regime on the decomposition and release of nutrients from needle and twig litter in northwestern Ontario // Boreal Environ. Res. 2013. V. 18. P. 401–413.
  53. Takeda H. A 5-year study of litter decomposition processes in a Chamaecyparis obtusa Endl. forest // Ecological Res. 1995. V. 10. P. 95–104. https://doi.org/10.1007/BF02347659
  54. Talbot J.M., Yelle D.J., Nowick J., Treseder K.K. Litter decay rates are determined by lignin chemistry // Biogeochemistry. 2012. V. 108. P. 279–295. https://doi.org/10.1007/s10533-011-9599-6
  55. Ukonmaanaho L., Pitman R., Bastrup-Birk A., Breda N., Rautio P. Sampling and Analysis of Litterfall. Part XIII // UNECE ICP Forests. Manual on methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests. Eberswalde: Thünen Institute of Forest Ecosystems, 2020. 15 p. http://www.icp-forests.org/manual.htm
  56. Weedon J.T., Cornwell W.K., Cornelissen J.H.C., Zanne A.E., Wirth C., Coomes D.A. Global meta-analysis of wood decomposition rates: a role for trait variation among tree species? // Ecology Lett. 2009. V. 12. P. 45–56. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01259.x
  57. Weidenhamer J.D, Macias F.A., Fischer N.H., Williamson G.B. Just how insoluble are monoterpenes? // J. Chem. Ecology. 1993. V. 19. P. 1799–1807. https://doi.org/10.1007/BF00982309
  58. World reference base for soil resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World soil resources reports. IUSS Working Group WRB. Rome: FAO, 2015. 203 p.
  59. Zhang D.Q., Hui D.F., Luo Y.Q., Zhou G.Y. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems: global patterns and controlling factors // J. Plant Ecol. 2008. P. 85–93.10.1093/jpe/rtn002.
  60. Yevdokimov I.V. Methods for measuring biomass // Russ. J. Ecosystem Ecology. 2018. V. 3. P. 1–20. https://doi.org/10.21685/2500-0578-2018-3-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Appendix
Download (994KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Fall composition during autumn-winter-spring period (October to April) and summer-autumn period (May to November).

Download (322KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Mass loss of different fall fractions, % of the initial mass for 9, 14, 28 and 38 months of the experiment in spruce forests: PP1 - blueberry, PP2 - sour-blackberry, PP3 - tame forest.

Download (670KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Cellulosolitic activity of forest litter (1) and underlying mineral horizon (2) of elluvial-metamorphic soil of old-growth middle taiga spruce forests.

Download (189KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences