Model Estimates of Changes in Soil Organic Matter Stocks in Forested Areas of European Russia under Different Forest Management Regimes

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The results of the dynamic simulation of forest soil organic matter stocks are discussed from the point of a predictive assessment of carbon sink depending on forest site types and forest management regimes. The nutrient cycling in the “soil-stand” system was simulated with simulation models FORRUS-S, Romul_Hum, SCLISS. Simulation experiments were carried out for three forest enterprises and a nature reserve located in the Republic of Karelia, in Nizhny Novgorod, Moscow and Bryansk regions, which corresponds to a gradient of zonal conditions from the middle taiga to the broad-leaved forest subzone. To simulate the long-term (100 years) forest dynamics, we used the forest survey data available for all study objects. Calculations of soil Corg pools were carried out separately for each forest management unit, using the corresponding characteristics of the forest stand (average height, diameter, basal area, growing stock) and soil (content of Corg and Ntot in the forest floor and mineral soil) as initial data, which made it possible to take into account the spatial variability of forest conditions and successional change of species in the resulting area-based estimates of soil carbon sink. Under the conditions of the strict nature reserve regime, an average increase in soil stock of organic matter by 35–80 t C/ha, compared to the initial values, is predicted for all territories over 100 years. Carrying out cuttings of varying intensity reduces the possible Corg sink into forest soils by an average of 30–50 t/ha compared to the reserve regime. Regional features of the dynamics of organic matter are manifested in different ratios of accumulation of carbon pools in organic and organomineral soil horizons.

About the authors

I. V. Priputina

Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: priputina@pbcras.ru
Russian Federation, Pushchino, Moscow Oblast, 142290

V. N. Shanin

Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences; Center for Forest Ecology and Productivity of the Russian Academy of Sciences

Email: priputina@pbcras.ru
Russian Federation, Pushchino, Moscow Oblast, 142290; Moscow, 117997

P. V. Frolov

Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: priputina@pbcras.ru
Russian Federation, Pushchino, Moscow Oblast, 142290

S. I. Chumachenko

Center for Forest Ecology and Productivity of the Russian Academy of Sciences; Mytischi Branch of the Bauman Moscow State Technical University

Email: priputina@pbcras.ru
Russian Federation, Moscow, 117997; Mytishchi, 141005

D. N. Tebenkova

Center for Forest Ecology and Productivity of the Russian Academy of Sciences

Email: priputina@pbcras.ru
Russian Federation, Moscow, 117997

References

  1. Быховец С.С., Комаров А.С. Простой статистический имитатор климата почвы с месячным шагом // Почвоведение. 2002. № 4. С. 443–452.
  2. Воробьев Д.В. Типы лесов Европейской части СССР. Киев: Изд-во АН УССР, 1953. 452 с.
  3. Грабарник П.Я., Чертов О.Г., Чумаченко С.И., Шанин В.Н., Ханина Л.Г., Бобровский М.В., Быховец С.С., Фролов П.В. Интеграция имитационных моделей для комплексной оценки экосистемных услуг лесов: методические подходы // Математическая биология и биоинформатика. 2019. Т. 14. № 2. С. 488–499. https://doi.org/10.17537/2019.14.488
  4. Дымов А.А. Влияние сплошных рубок в бореальных лесах России на почвы (обзор) // Почвоведение. 2017. № 7. С. 787–798. https://doi.org/10.7868/S0032180X17070024
  5. Дымов А.А., Старцев В.В. Изменение температурного режима подзолистых почв в процессе естественного лесовозобновления после сплошнолесосечных рубок // Почвоведение. 2016. № 5. С. 599–608. https://doi.org/10.7868/S0032180X16050038
  6. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России (http://egrpr.soil.msu.ru/index.php)
  7. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В.В., Артемьева З.И., Когут Б.М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  8. Каганов В.В., Замолодчиков Д.Г., Мостовая А.С. Влияние климата на запасы углерода фитомассы и подстилки в лесных насаждениях юга Европейской России // Лесоведение. 2023. № 5. С. 486–501. https://doi.org/10.31857/S0024114823050030
  9. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  10. Кузнецова А.И., Лукина Н.В., Горнов А.В., Горнова М.В., Тихонова Е.В., Смирнов В.Э., Данилова М.А., Тебенькова Д.Н., Браславская Т.Ю., Кузнецов В.А., Ткаченко Ю.Н., Геникова Н.В. Запасы углерода в песчаных почвах на Западе России // Почвоведение. 2020. № 8. С. 959–969. https://doi.org/10.31857/S0032180X20080109
  11. Ларионова А.А., Квиткина А.К., Быховец С.С., Лопес де Гереню В.О., Калягин Ю.Г., Каганов В.В. Влияние азота на минерализацию и гумификацию лесных опадов в модельном эксперименте // Лесоведение. 2017. № 2. С. 128–139.
  12. Лукина Н.В., Орлова М.А., Бахмет О.Н., Тихонова Е.В., Тебенькова Д.Н., Казакова А.И., Крышень А.М., Горнов А.В., Смирнов В.Э., Шашков М.П., Ершов В.В., Князева С.В. Влияние растительности на характеристики лесных почв Республики Карелия // Почвоведение. 2019. № 7. С. 827–842. https://doi.org/10.1134/S0032180X19050071
  13. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах / Под ред. Кудеярова В.Н. М.: Наука, 2007. 380 с.
  14. Надпорожская М.А., Зубкова Е.В., Фролов П.В., Быховец С.С., Чертов О.Г. Соподчиненность почвенных условий и растительных сообществ в сосняках как следствие действия комплекса факторов // Вестн. ТвГУ. Сер. Биология и экология. 2018. № 2. С. 122–138.
  15. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2016 год. М.: Росгидромет, 2017. 216 с.
  16. 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
  17. Почвы Карелии и пути повышения их плодородия. Петрозаводск: Карелия, 1971. 280 с.
  18. Припутина И.В., Быховец С.С., Фролов П.В., Чертов О.Г., Кургановa И.Н., Лопес де Гереню В.О., Сапронов Д.В., Мякшина Т.Н. Применение математических моделей ROMUL и Romul_Hum для оценки эмиссии CO2 и динамики органического вещества в серой лесной почве под лиственным лесом в южном Подмосковье // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1262–1275. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100159
  19. Припутина И.В., Фролов П.В., Шанин В.Н., Быховец С.С., Кургановa И.Н., Лопес де Гереню В.О., Сапронов Д.В., Мякшина Т.Н., Хорошаев Д.А. Имитационное моделирование почвенной эмиссии СО2 на примере дерново-подбура хвойно-широколиственного леса в Южном Подмосковье // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1128–1142. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600439
  20. Романенков В.А., Мешалкина Ю.Л., Горбачева А.Ю., Добровольская В.А., Кренке А.Н. Прогноз динамики запасов углерода в почвах возделываемых земель Европейской России в контексте стратегии низкоуглеродного развития // Известия Р АН. Сер. Географическая. 2023. Т. 87. № 4. С. 1–13. https://doi.org/10.31857/S2587556623040106
  21. Самсонова В.П., Мешалкина Ю.Л., Добровольская В.А., Кондрашкина М.И., Дядькина С.Е., Филиппова О.И., Кротов Д.Г., Морозова Т.М., Красильников П.В. Исследование неопределенности оценок запасов органического углерода в масштабах угодий // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1437–1449. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600725
  22. Тебенькова Д.Н., Лукина Н.В., Катаев А.Д., Чумаченко С.И., Киселева В.В., Колычева А.А., Шанин В.Н., Гагарин Ю.Н., Кузнецова А.И. Разработка сценариев для имитационного моделирования экосистемных услуг лесов // Вопросы лесной науки. 2022. Т. 5. № 2. C. 104. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202252-104
  23. Титлянова А.А. Универсальность процессов биотического круговорота // Почвоведение. 2014. № 7. С. 771–780. https://doi.org/10.7868/S0032180X14050220
  24. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Изменение чистой первичной продукции и восстановление запасов углерода в почвах залежей // Почвоведение. 2022. № 4. С. 500–510. https://doi.org/10.31857/S0032180X2204013X
  25. Ханина Л.Г. Классификация типов лесорастительных условий по индикаторным видам Воробьева-Погребняка база данных и опыт анализа лесотаксационных данных // Вопросы лесной науки. 2019. Т. 2(4). С. 1–30.
  26. 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
  27. Шанин В.Н., Фролов П.В., Припутина И.В., Чертов О.Г., Быховец С.С., Зубкова Е.В., Портнов А.М., Фролова Г.Г., Стаменов М.Н., Грабарник П.Я. Моделирование динамики лесных экосистем с учетом их структурной неоднородности на разных функциональных и пространственных уровнях // Вопросы лесной науки. 2022. Т. 5. № 3. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202252-112
  28. Шевченко Н.Е., Кузнецова Н.А., Тебенькова Д.Н., Смирнов В.Э., Гераськина А.П., Горнов А.В., Грабенко Е.А., Тихонова Е.В., Лукина Н.В. Сукцессионная динамика растительности и запасы почвенного углерода в хвойно-широколиственных лесах Северо-Западного Кавказа // Лесоведение. 2019. № 3. С. 163–176. https://doi.org/10.1134/S0024114819030082
  29. 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
  30. 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
  31. Честных О.В., Грабовский В.И., Замолодчиков Д.Г. Оценка запасов почвенного углерода лесных районов России с использованием баз данных почвенных характеристик // Лесоведение. 2022. № 3. С. 227–238. https://doi.org/10.31857/S0024114822030056
  32. Bélanger N., Collin A., Khlifa R., Lebel-Desrosiers S. Balsam Fir and American Beech Influence Soil Respiration Rates in Opposite Directions in a Sugar Maple Forest Near Its Northern Range Limit // Front. For. Glob. Change. 2021. V. 4. https://doi.org/10.3389/ffgc.2021.664584
  33. Binkley D., Giardina C. Why do tree species affect soils? The warp and woof of tree-soil interactions // Biogeochemistry. 1998. V. 42. P. 89–106. https://doi.org/10.1023/A:1005948126251
  34. Chertov O., Komarov A., Shaw C., Bykhovets S., Frolov P., Shanin V., Grabarnik P., Priputina I., Zubkova E., Shashkov M. Romul_Hum—A model of soil organic matter formation coupling with soil biota activity. II. Parameterisation of the soil food web biota activity // Ecol Modell. 2017. V. 345. P. 125–139. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.10.024
  35. Chumachenko S.I., Korotkov V.N., Palenova M.M., Politov D.V. Simulation modeling of long-term stand dynamics at different scenarios of forest management for coniferous-broad-leaved forests // Ecol Modell. 2003. V. 170(2–3). P. 345–362. https://doi.org/10.1016/S0304-3800(03)00238-2
  36. Cools N., Vesterdal L., De Vos B., Vanguelova E., Hansen K. Tree species is the major factor explaining C:N ratios in European forest soils // For. Ecol. Manag. 2014. V. 311. P. 3–16. http://dx.doi.org/10.1016/j.foreco.2013.06.047
  37. Erkan N., Güner Ş.T., Aydın A.C. Thinning effects on stand growth, carbon stocks, and soil properties in Brutia pine plantations // Carbon Balance and Management. 2023. V. 18. P. 6. https://doi.org/10.1186/s13021-023-00226-0
  38. Falloon P., Smith P. Modelling soil carbon dynamics. In: Kutsch WL, Bahn M, Heinemeyer A, eds. Soil Carbon Dynamics: An Integrated Methodology. Cambridge University Press; 2010/ V. 221–244. https://doi.org/10.1017/CBO9780511711794.013
  39. Hulvey K., Hobbs R., Standish R., Lach L., Perring M.P. Benefits of tree mixes in carbon plantings // Nat. Clim. Change. 2013. V. 3. P. 869–874. https://doi.org/10.1038/nclimate1862
  40. Guo X., Meng M., Zhang J., Chen H.Y.H. Vegetation change impacts on soil organic carbon chemical composition in subtropical forests // Sci Rep. 2016. V. 6. P. 29607. https://doi.org/10.1038/srep29607
  41. Jandl R., Rodeghiero M., Martinez C., Cotrufo M.F., Bampa F., van Wesemael B., Harrison R.B., Guerrini I.A., Richter D., Rustad L., Lorenz K., Chabbi A., Miglietta F. Current status, uncertainty and future needs in soil organic carbon monitoring // Sci. Total Environ. 2014. V. 468–469. P. 376–383. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.08.026
  42. Janisch J.E., Harmon M.E. Successional changes in live and dead wood carbon stores: Implications for net ecosystem productivity // Tree Physiol. 2002. V. 22(2–3). P. 77–89. https://doi.org/10.1093/treephys/22.2-3.77
  43. Komarov A.S. Use of Mathematical models for assessing the pool and dynamics of carbon in forest soils // Eurasian Soil Sci. 2008. V. 41(13). P. 1387–1397. https://doi.org/10.1134/S1064229308130061
  44. Кomarov A., Chertov O., Bykhovets S., Shaw C., Nadporozhskaya M., Frolov P., Shashkov M., Shanin V., Grabarnik P., Priputina I., Zubkova E. Romul_Hum model of soil organic matter formation coupled with soil biota activity. I. Problem formulation, model description, and testing // Ecol Modell. 2017. V. 345. P. 113–124. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.08.007
  45. Laganière J., Augusto L., Hatten J.A., Spielvogel S. Editorial: vegetation effects on soil organic matter in forested ecosystems // Front. For. Glob. Change. 2022. V. 4. https://doi.org/10.3389/ffgc.2021.828701
  46. Laganière J., Boča A., Van Miegroet H., Paré D. A tree species effect on soil that is consistent across the species’ range: The case of aspen and soil carbon in North America // Forests. 2017. V. 8. P. 113. https://doi.org/10.3390/f8040113
  47. Lal R. Forest soils and carbon sequestration // For. Ecol. Manag. 2005. V. 220(1–3). P. 242–258. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2005.08.015
  48. Lindeskog M., Smith B., Lagergren F., Sycheva E., Ficko A., Pretzsch H., Rammig A. Accounting for forest management in the estimation of forest carbon balance using the dynamic vegetation model LPJ-GUESS (v4.0, r9710): implementation and evaluation of simulations for Europe // GMD. 2021. V. 14(10). P. 6071–6112. https://doi.org/10.5194/gmd-14-6071-2021
  49. Martin M.P., Orton T.G., Lacarce E., Meersmans J., Saby N.P.A., Paroissien J.B., Jolivet C., Boulonne L., Arrouays D. Evaluation of modelling approaches for predicting the spatial distribution of soil organic carbon stocks at the national scale // Geoderma. 2014. V. 223–225. P. 97–107. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.01.005
  50. Mueller K.E., Hobbie S.E., Chorover J., Reich P.B., Eisenhauer N., Castellano M.J. Effects of litter traits, soil biota, and soil chemistry on soil carbon stocks at a common garden with 14 tree species // Biogeochemistry. 2015. V. 123. P. 313-327. https://doi.org/10.1007/s10533-015-0083-6
  51. Nadporozhskaya M.A., Mohren G.M.J., Chertov O.G., Komarov A.S., Mikhailov A.V. Soil organic matter dynamics at primary and secondary forest succession on sandy soils in The Netherlands: an application of soil organic matter model ROMUL // Ecol Modell. 2006. V. 190(3). P. 399–418. http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.03.025
  52. Nickels M.C.L., Prescott C. Soil Carbon Stabilization Under Coniferous, Deciduous and Grass Vegetation in Post-mining Reclaimed Ecosystems // Front. For. Glob. Change. 2021. https://doi.org/10.3389/ffgc.2021.689594
  53. Panov A.V., Onuchin A.A., Zrazhevskaya G.K., Shibistova O.B. Structure and Dynamics of Organic Matter Pools in Clearings in the Lichen Pine Forests of Middle Taiga Subzone of Yenisei Siberia // Biol. Bull. 2013. V. 40(1). P. 95–10. https://doi.org/10.1134/S1062359012060088
  54. Rehschuh S., Jonard M., Wiesmeier M., Rennenberg H., Dannenmann M. Impact of European beech forest diversification on soil organic carbon and total nitrogen stocks–a meta-analysis // Front. For. Glob. Change. 2021. V. 4. https://doi.org/10.3389/ffgc.2021.606669
  55. Saby N.P.A., Bellamy P.H., Morvan X., Arrouays D., Jones R.J.A., Verheijen F.G.A., Kibblewhite M.G., Verdoodt A., Üveges J.B., Freudenschuß A., Simota C. Will European soil-monitoring networks be able to detect changes in topsoil organic carbon content? // Glob Chang Biol. 2008(14). P. 2432–2442. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2008.01658.x
  56. Scheffer M., Carpenter S., Foley J.A., Folke C., Walkerk B. Catastrophic shifts in ecosystems // Nature. 2001. V. 413. P. 591-596.
  57. Schelfhout S., Mertens J., Verheyen K., Vesterdal L., Baeten L., Muys B., De Schrijver A. Tree Species Identity Shapes Earthworm Communities // Forests. 2017. V. 8. P. 85. https://doi.org/10.3390/f8030085
  58. Stockmann U., Adams M.A., Crawford J.W., Field D.J., Henakaarchchi N., Jenkins M., Minasny B., McBratney A.B. et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon // Agric. Ecosyst. Environ. 2013. V. 164. P. 80–99. https://doi.org/10.1016/j.agee.2012.10.001
  59. Vesterdal L., Schmidt I.K., Callesen I., Nilsson L.O., Gundersen P. Carbon and nitrogen in forest floor and mineral soil under six common European tree species // For. Ecol. Manag. 2008. V. 255. P. 35–48. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2007.08.015

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Appendix
Download (17KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. Geographical location of the study sites and the ratio of the number of taxation allotments of different TLU on the territories of forestry areas.

Download (612KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Integration scheme of FORRUS-S (simulates stand dynamics), Romul_Hum (simulates POC dynamics) and SCLISS (simulates soil hydrothermal regime) simulation models: dashed arrows - model input data; solid arrows - exchange data.

Download (127KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. Range of DOM and C : N stocks in soils of different TLU (grey colour - data for forest litter, black - for the organo-mineral part of the soil profile).

Download (174KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. Change of organic matter reserves in organogenic horizons of forest litter (grey - data for taxation sections, coloured lines - average estimate for TLU).

Download (401KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. Changes in organic matter reserves in organic-mineral soil horizons (grey - data for taxation sections, coloured lines - average estimates for different TLU).

Download (478KB)
Indexing metadata
8. Fig. 6. Change of carbon pool in organogenic horizons of forest litter and organo-mineral horizons of soils under different forest management options (based on the results of the average assessment for the areas of the study sites). Scenarios of forest management: NAT - preservation, STH - selective harvesting, IFM - intensive forest management.

Download (428KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences