Carbon Pools and Flows in Coniferous-Deciduous Forests and Clearcutting

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The results of a quantitative assessment of carbon pools and fluxes in a mid-taiga coniferous-deciduous forest and their changes after clear-cutting are presented. It was shown that up to 14.7 kg C/m2 accumulated in the original forest. The main reserves are concentrated in the biomass of the tree stand (62.4%), soil (35.5%), biomass of ground cover plants (1.1%) and large woody debris (1.0%). During the cutting process, 6.57 kg C/m2 is removed as part of the stem wood (44.8% of the total carbon reserves of the ecosystem or 71.79% of the carbon of the biomass of the tree stand). In the first year after logging, 8.1 kg C/m2 was detected in the ecosystem. Of these, 7.1% of carbon reserves are in forest vegetation, 66.8% (5.4 kg C/m2) are concentrated in the soil. During clearing, the share of large woody residues increases significantly (1.9 kg C/m2) (23.4% of ecosystem reserves) due to the appearance of logging residues that have died as a result of felling, which in the future will have an impact on the flow of carbon dioxide into the atmosphere from its territory. As a result of clear cutting, the supply of wood litter to the soil surface is reduced by 42 times. The decomposition of organic matter inherited and produced during wood harvesting slightly (≈ 10%) increased the supply of carbon through soil respiration. Logging leads to a decrease in carbon removal from litter. The data obtained will be used in assessing the impact of clear-cutting on the carbon cycle of taiga ecosystems.

About the authors

A. A. Dymov

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

Author for correspondence.
Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1284-082X
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

A. F. Osipov

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1563-8587
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

V. V. Startsev

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6425-6502
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

N. M. Gorbach

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5099-6868
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

D. A. Severgina

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3464-2744
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

S. A. Ogorodnyaya

Lomonosov Moscow State University

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7612-2544
Russian Federation, Moscow, 119991

I. N. Kutyavin

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7840-1934
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

A. V. Manov

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

Email: aadymov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5070-0078
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

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. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии / Под ред. Таскаева А.И. М.: Наука, 1997. 116 с.
  3. Биопродукционный процесс в лесных экосистемах Севера / Под ред. Бобковой К.С., Галенко Э.П. СПб.: Наука, 2001. 278 с.
  4. 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.
  5. Бобкова К.С., Тужилкина В.В. Содержание углерода и калорийность органического вещества в лесных экосистемах Севера // Экология. 2001. № 1. С. 69–71.
  6. Богатырев 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. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  8. Ведрова Э.Ф. Биогенные потоки углерода в бореальных лесах Центральной Сибири // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2011. № 1. С. 77-89.
  9. Долгая В.А., Бахмет О.Н. Свойства лесных подстилок на ранних этапах естественного лесовозобновления после сплошных рубок в средней тайге Карелии // Лесоведение. 2021. № 1. 65–77. https://doi.org/10.31857/S0024114821010022
  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. Дымов А.А. Влияние сплошных рубок в бореальных лесах России на почвы (обзор литературы) // Почвоведение. 2017. № 7. С. 787–798.
  12. Дымов А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми. М.: ГЕОС, 2020. 336 c. https://doi.org/10.34756/GEOS.2020.10.37828
  13. Дымов А.А., Старцев В.В., Горбач Н.М., Севергинa Д.А., Кутявин И.Н., Осипов А.Ф., Дубровский Ю.А. Изменения почв и растительности при разном числе проездов колесной лесозаготовительной техники (средняя тайга, Республика Коми) // Почвоведение. 2022. № 11. С. 1426–1441. https://doi.org/10.31857/S0032180X22110028
  14. Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Шуляк П.П., Честных О.В. Влияние пожаров и заготовок древесины на углеродный баланс лесов России // Лесоведение. 2013. № 5. С. 36–49.
  15. Карпачевский Л.О. Лес и лесные почвы. М., 1981. 263 с.
  16. Крышень А.М. Растительные сообщества вырубок Карелии. М.: Наука, 2006. 262 с.
  17. 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.
  18. Лесотаксационный справочник для северо-востока европейской части Российской Федерации (нормативные материалы для Ненецкого автономного округа, Архангельской, Вологодской областей, Республики Коми). Архангельск: Правда Севера, 2012. 672 с.
  19. Лиханова Н.В., Бобкова К.С. Пулы и потоки углерода в экосистемах вырубки ельников средней тайги Республики Коми // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 2. С. 91–100. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-2-091-100
  20. Лукина Н.В. Глобальные вызовы и лесные экосистемы // Вестник РАН. 2020. № 6. С. 528–532. https://doi.org/10.31857/S0869587320060080
  21. Молчанов А.Г., Курбатова Ю.А., Ольчев А.В. Влияние сплошной вырубки леса на эмиссию СО2 с поверхности почвы // Известия РАН. Сер. биологическая. 2017. № 2. С. 190–196.
  22. Мухортова Л.В., Ведрова Э.Ф. Вклад крупных древесных остатков в динамику запасов органического вещества послерубочных лесных экосистем // Лесоведение. 2012. № 6. С. 55–62.
  23. Наквасина Е.Н., Ильинцев А.С., Дунаева А.-А.П. Восстановительные сукцессии повреждений почвенного покрова при проведении рубок ухода в ельнике черничном северной тайги // Лесной вестник. 2021. Т. 25. № 6. С. 11–19. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2021-6-11-19
  24. Осипов А.Ф., Тужилкина В.В., Дымов А.А., Бобкова К.С. Запасы фитомассы и органического углерода среднетаежных ельников при восстановлении после сплошнолесосечной рубки // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2019. № 2. С. 215–224. https://doi.org/10.1134/S0002332919020103
  25. Осипов А.Ф. Влияние сплошной рубки на дыхание почвы среднетаежного сосняка черничного Республики Коми // Лесоведение. 2022. № 4. С. 395–406. https://doi.org/10.31857/S0024114822030111
  26. Осипов А.Ф., Старцев В.В., Прокушкин А.С., Дымов А.А. Запасы углерода в почвах лесов Красноярского края: анализ роли типа почвы и древесной породы // Теоретическая и прикладная экология. 2023. № 1. С. 67–74. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2023-1-067-074
  27. Осипов А.Ф., Старцев В.В. Дымов А.А. Влияние сплошной рубки на эмиссию СО2 с поверхности подзолистой почвы среднетаежного хвойно-лиственного насаждения (Республика Коми) // Почвоведение. 2024. № 5. С. 728–737. https://doi.org/10.31857/S0032180X24050066
  28. Оценка лесов Сибири в условиях глобальных изменений / Под ред. Соколова В.А. и др. СПб.: Наукоемкие технологии, 2023. 326 с.
  29. Панов А.В., Онучин А.А., Зражевская Г.К., Шибистова О.Б. Структура и динамика пулов органического вещества на вырубках в сосняках лишайниковых среднетаежной подзоны Приенисейской Сибири // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2012. № 6. С. 658–666.
  30. Паутов Ю.А., Ильчуков С.В. Пространственная структура производных насаждений на сплошных концентрированных вырубках в Республике Коми // Лесоведение. 2001. № 2. С. 27–32.
  31. Побединский А.В. Изучение лесовосстановительных процессов. М., 1966. 65 с.
  32. Подзолистые почвы центральной и восточной частей европейской территории СССР. Л.: Наука, 1981. С. 118–152.
  33. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  34. Приказ Минприроды России от 27.05.2022 N 371 “Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов”. Официальный интернет-портал правовой информации http://pravo.gov.ru, 29.07.2022
  35. Птичников А.В., Карелин Д.В., Котляков В.М., Паутов Ю.А., Боровлев А.Ю., Кузнецова Д.А., Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И. Применимость международных индикаторов оценки нейтрального баланса деградации земель к бореальным лесам России // Доклады РАН. 2019. Т. 489. № 2. C. 195–198. https://doi.org/10.31857/S0869-56524892195-198
  36. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / Под ред. Кудеярова В.Н. и др. М.: Наука, 2007. 315 с.
  37. Робакидзе Е.А., Торлопова Н.В., Бобкова К.С. Химический состав жидких атмосферных осадков в старовозрастных ельниках средней тайги // Геохимия. 2013. № 1. С. 72–83. https://doi.org/10.7868/S001675251211009X
  38. Старцев В.В., Севергина Д.А., Дымов А.А. Динамика содержания водорастворимых форм углерода и азота почв в первые годы после сплошной рубки // Почвоведение. 2024. № 6. С. 797–812. https://doi.org/10.31857/S0032180X24060028
  39. Стороженко В.Г. Устойчивые лесные сообщества. Теория и эксперимент. Тула: Гриф и К., 2007. 192 с.
  40. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В., Шевченко Е.М., Хайдапова Д.Д., Губер А.К. Моделирование динамики органического вещества почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. 120 с.
  41. Тебенькова Д.Н., Гичан, Д.В., Гагарин Ю.Н. Влияние лесоводственных мероприятии на почвенныи углерод: обзор // Вопросы лесной науки. 2022. Т. 5. № 4. С. 21–58. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202252-116
  42. Тужилкина В.В. Структура фитомассы и запасы углерода в растениях напочвенного покрова еловых лесов на северо-востоке европейской России // Растительные ресурсы. 2012. Т. 48. № 1. С. 44–50.
  43. Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. М.: ГЕОС, 2011. 266 с.
  44. Щепащенко Д.Г., Мухортова Л.В., Мартыненко О.В., Коротков В.Н., Карминов В.Н. Применение минеральных удобрений в лесном хозяйстве и углеродный бюджет лесов // Агрохимия. 2023. № 9. С. 81–96. https://doi.org/10.31857/S0002188123090107
  45. Almaraz M., Simmond M., Boudinot F.G., Di Vittorio A.V., Bingham N., Khalsa S.D.S., Ostoja S. et al. Soil carbon sequestration in global working lands as a gateway for negative emission technologies // Global Change Biol. 2023. V. 29. P. 5988–5998. https://doi.org/10.1111/gcb.16884
  46. Chertov O., Komarov A., Loukianov A., Mikhailov A., Nadporozhskaya M., Zubkova E. The use of forest ecosystem model EFIMOD for research and practical implementation at forest stand, local and regional levels // Ecological Modelling. 2006. V. 194. P. 227–232.
  47. Fu Y., Feng F., Zhang X., Qi D. Changes in fine root decomposition of primary Pinus koraiensis forest after clear cutting and restoration succession into secondary broad-leaved forest // Appl. Soil Ecol. 2021. V. 158. P. 103785. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103785
  48. IPCC Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC, 2007. 104 p.
  49. Karelin D., Goryachkin S., Zazovskaya E., Shishkov V., Pochikalov A., Dolgikh A., Sirin A. et al. Greenhouse gas emission from the cold soils of Eurasia in natural settings and under human impact: controls on spatial variability // Geoderma Reg. 2020. V. 22. P. e00290. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00290
  50. Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Khoroshaev D., Myakshina T., Sapronov D., Zhmurin V. Temperature sensitivity of soil respiration in two temperate forest ecosystems: the synthesis of a 24-year continuous observation // Forests. 2022. V. 13. P. 1374. https://doi.org/10.3390/f13091374
  51. Kutyavin I.N. Vertical-fractional structure of aboveground phytomass of the tree layer of pine forests in the northern ural foothills (Komi Republic) // Contemporary Problems of Ecology. 2021. V. 14. P. 743–749. https://doi.org/10.1134/S1995425521070118
  52. Mamkin V. Mukhartova Yu.V., Diachenko M., Kurbatova J. Three-year variability of energy and carbon dioxide fluxes at clear-cut forest site in the European southern taiga // Geography Environment Sustainability. 2019. V. 12(2). P. 197–212. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-13
  53. Morozov G., Aosaar J., Varik M., Becker H., Lõhmus K., Padari A., Aun K., Uri V. Long-term dynamics of leaf and root decomposition and nitrogen release in a grey alder (Alnus incana (L.) Moench) and silver birch (Betula pendula Roth.) stands // Scand. J. For. Res. 2018. V. 34. P. 12–25. https://doi.org/10.1080/02827581
  54. Osipov A.F., Bobkova K.S., Dymov A.A. Carbon stocks of soils under forest in the Komi Republic of Russia // Geoderma Reg. 2021. V. 27. P. e00427. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2021.e00427
  55. Portillo-Estrada M., Korhonen J.F.J. Pihlatie M., Pumpanen J., Frumau A.K.F., Morillas L., Tosens T., Niinemets Ű. Inter- and intra-annual variations in canopy fine litterfall and carbon and nitrogen inputs to the forest floor in two European coniferous forests // Annals Forest Sci. 2013. V. 70. P. 367–379. http://dx.doi.org/10.1007/s13595-013-0273-0
  56. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, 2022. https://www.R-project.org/
  57. Scharlemann J.P., Tanner E.V.J., Hiederer R., Kapos V. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool // Carbon Manag. 2014. V. 5. P. 81–91. https://doi.org/10.4155/cmt.13.77
  58. Schepaschenko D., Moltchanova E., Shvidenko A., Blyshchyk V., Dmitriev E., Martynenko O., See L., Kraxner F. Improved estimates of biomass expansion factors for russian forests // Forests. 2018. V. 9. P. 312. https://doi.org/10.3390/f9060312
  59. Smith P., Cotrufo M.F., Rumpel C., Paustian K., Kuikman P.J., Elliott J.A., Mcdowell R. et al. Biogeochemical cycles and biodiversity as key drivers of ecosystem services provided by soils // Soil. 2015. V. 1. P. 665–685.
  60. Woziwoda B., Parzych A., Kopeć D. Species diversity, biomass accumulation and carbon sequestration in the understorey of post-agricultural Scots pine forest // Silva Fennica. 2014. V. 48. P. 23.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Carbon in the composition of the biomass of ground cover plants in the middle taiga coniferous-deciduous plantation and at the clearcut: 1 - shrubs; 2 - grasses, including lower plants (horsetails, plaunas, ferns); 3 - mosses. Figures above the diagram are mean ± error of mean, g/m2. Figures on the diagram - share of the component in the total reserves, %.

Download (179KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Carbon contribution (%) in coarse woody debris in the original forest and in the clearcut.

Download (398KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. C-CO2 flux from the surface of the initial coniferous-deciduous forest (ID) and in the first year after its clearcutting.

Download (213KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Carbon contribution of individual pools in the initial forest (IL) and at the clearcut: 1 - stocks in soils; 2 - biomass of ground cover plants; 3 - large woody debris (dry wood, dead wood, stumps; at the clearcut, felling debris, including newly formed stumps, is added); 4 - stocks in the undergrowth; 5 - stocks in the stand.

Download (178KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences