Ecosystem carbon stocks for different types of land use on iron-metamorphic soils of South Karelia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Iron-metamorphic soils of normal moistening in the middle taiga subzone of Karelia were investigated. 100-year-old pine forest as a control, arable land, hayfield, and also 15-year-old and 75-year-old pine forests naturally reforestation on former farmland were studied. The influence of different types of land use on the morphological structure of soils and the main chemical and microbiological indicators of the upper horizons was analyzed. The stocks of organic carbon (Corg) and microbial biomass carbon (Cmic) in a meter layer of soils and sites carbon pools structure were investigated. At all sites a uniform accumulative type of carbon distribution and similar values of C/N ratio (16–18) were observed in the soils. The soils are characterized by poor natural fertility and low agrochemical indicators, which significantly improve with agricultural development. The highest content of Corg (4.9%) and Ntot (0.3%) at low bulk density and a neutral pH was noted on the arable land. In the soil of a young forest was recorded the greatest Cmic content (419 mg C/kg). In arable and hayfield areas, Cmic decreases to 209–211 mg C/kg and is minimal in soils of mature forests (144–175 mg C/kg). Microbial biomass carbon stocks in the 0–100 cm soil layer range from 76.5–132.4 g C/m2 in the studied areas. In forest soils, litter Cmic stocks are 12.7–27.4 g C/m2. Soil Corg stocks in a meter layer are maximum in arable land and amount to 272 t C/ha, and decrease in the range of hayfields – mature forest from 98 to 39 t C/ ha. The total ecosystem carbon stocks are maximum in arable land (275 t C/ha), which exceeds stocks in mature forests – 206–221 t C/ha. Corg stocks in hayfield and young forest amount to 105–115 t C/ha.

About the authors

I. A. Dubrovina

Institute of Biology, Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vorgo@mail.ru
Russian Federation, Petrozavodsk, 185910

E. V. Moshkina

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

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

A. V. Tuyunen

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

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

N. V. Genikova

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

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

A. Yu. Karpechko

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

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

M. V. Medvedeva

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

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

References

  1. Астафьева М.М., Фелицын С.Б., Алфимова Н.А. Бактериальные остатки в нижнепротерозойских красноцветных кварцитах // Палеонтологический журнал. 2021. № 4. С. 94–102. https://doi.org/10.31857/S0031031X21040024
  2. Атлас Карельской АССР / Под ред. Дурова А.Г. М.: ГУГК СССР, 1989. 40 с.
  3. Богородская А.В., Шишикин А.С. Динамика микробной биомассы, ее структура и функциональная активность в почвах при лесовозобновлении на вырубках пихтарников Енисейского кряжа // Почвоведение. 2020. № 1. С. 119–130. https://doi.org/10.31857/S0032180X20010050
  4. Бургхардт В., Хайнц Д., Хоке Н. Показатели почвенного плодородия и запасы органического углерода в почвах овощных грядок и окружающих полей в центре городского промышленного региона Рур в Германии // Почвоведение. 2018. № 11. С. 1384–1397. https://doi.org/10.1134/S0032180X18110114
  5. Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Гилев В.Ю. Минералы железа в почвах на красноцветных отложениях Предуралья // Почвоведение. 2007. № 4. С. 474–486.
  6. Водяницкий Ю.Н., Горячкин С.В., Лесовая С.Н. Оксиды железа в буроземах на красноцветных отложениях Европейской России и цветовая дифференциация почв // Почвоведение. 2003. № 11. С. 1285–1299.
  7. Геология Карелии / Под ред. Соколова В.А. Л.: Наука, 1987. 231 с.
  8. Горячкин С.В., Водяницкий Ю.Н., Конюшков Д.Е., Лесовая С.Н., Мергелов Н.А., Титова А.А. Биоклиматогенные и геогенные проблемы географии почв Северной Евразии // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2008. № 62. С. 48–68.
  9. Дубровина И.А. Влияние биоугля на агрохимические показатели и ферментативную активность почв средней тайги Карелии // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1523–1534. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120054
  10. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Сидорова В.А., Туюнен А.В., Карпечко А.Ю., Геникова Н.В., Медведева М.В., Мамай А.В., Толстогузов О.В., Кулакова Л.М. Влияние типа землепользования на свойства почв и структуру экосистемных запасов углерода в среднетаежной подзоне Карелии // Почвоведение. 2021. № 11. С. 1392–1406. https://doi.org/10.31857/S0032180X21110058
  11. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Туюнен А.В., Геникова Н.В., Карпечко А.Ю., Медведева М.В. Динамика свойств почв и экосистемные запасы углерода при разных типах землепользования (средняя тайга Карелии) // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1112–1125. https://doi.org/10.31857/S0032180X22090052
  12. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Туюнен А.В., Геникова Н.В., Карпечко А.Ю., Медведева М.В. Почвы и пулы углерода на шунгитовых породах Южной Карелии при разных типах землепользования // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1371–1384. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600464
  13. Ерохова А.А., Макаров М.И., Моргун Е.Г., Рыжова И.М. Изменение состава органического вещества дерново-подзолистых почв в результате естественного восстановления леса на пашне // Почвоведение. 2014. № 11. С. 1308–1314. https://doi.org/10.7868/S0032180X14110045
  14. Жангуров Е.В., Лебедева М.П., Шишков В.А. Минералого-микроморфологическая диагностика особенностей почвообразования северотаежных почв на средне-основных породах Тимана // Почвоведение. 2018. № 11. С. 1372–1383. https://doi.org/10.1134/S0032180X18110102
  15. История Карелии с древнейших времен до наших дней / Под ред. Кораблевой Н.А. и др. Петрозаводск: Периодика, 2001. 944 с.
  16. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  17. Красильников П.В. Современная эволюция почв на красноцветных моренах Карелии и продуктах их переотложения // Экология и география почв. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1995. С. 5–17.
  18. Лебедева И.И., Герасимова М.И. Диагностические горизонты в классификации почв России // Почвоведение. 2012. № 9. С. 923–934.
  19. Лесовая С.И., Гойло Э.А., Чижикова Н.П. Минералогический состав красноцветных отложений и его влияние на почвообразование в северотаежной подзоне Европейской территории России // Почвоведение. 2005. № 8. С. 1001–1011.
  20. Медведев П.В., Голубев А.И., Куликова В.С. Вепсий // Онежская палеопротерозойская структура (геология, тектоника, глубинное строение и минерагения). Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. С. 119–123.
  21. Минерально-сырьевая база Республики Карелия Неметаллические полезные ископаемые. Подземные воды и лечебные грязи / Под ред. Михайловой В.П., Анимовой В.Н. Петрозаводск: Карелия, 2006. Кн. 2. 356 с.
  22. Природные комплексы Вепсской волости: особенности, современное состояние, охрана и использование / Под ред. Громцева А.Н. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. 278 с.
  23. Стольникова Е.В., Ананьева Н.Д., Чернова О.В. Микробная биомасса, ее активность и структура в почвах старовозрастных лесов европейской территории России // Почвоведение. 2011. № 4. С. 479–494.
  24. Телеснина В.М., Ваганов И.Е., Карлсен А.А., Иванова А.Е., Жуков М.А., Лебедев С.М. Особенности морфологии и химических свойств постагрогенных почв южной тайги на легких отложениях (Костромская область) // Почвоведение. 2016. № 1. С. 115–129. https://doi.org/10.7868/S0032180X16010111
  25. 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
  26. Dawson J.J.C., Smith P. Carbon losses from soil and its consequences for land-use management // Science of The Total Environment. 2007. V. 382 (2–3). P. 165–190. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2007.03.023
  27. Deng L., Zhu G.Y., Tang Z.S., Shangguan Z.P. Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stocks // Global Ecology and Conservation. 2016. V. 5. P. 127–138. https://doi.org/10.1016/j.gecco.2015.12.004
  28. Downie A.E., Van Zwieten L., Smernik R.J., Morris S., Munroe P.R. Terra Preta Australis: reassessing the carbon storage capacity of temperate soils // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2011. V. 140(1–2). P. 137–147. https://doi.org/10.1016/j.agee.2010.11.020
  29. Garnett T., Appleby M.C., Balmford A., Bateman I.J., Benton T.G., Bloomer P., Burlingame B. et al. Sustainable intensification in agriculture: premises and policies // Science. 2013. V. 341(6141). P. 33–34. https://doi.org/10.1126/science.123448
  30. Glaser B., Birk J.J. State of the scientific knowledge on properties and genesis of Anthropogenic Dark Earths in Central Amazonia(terra preta de Índio) // Geochim. Cosmochim. Acta. 2012. V. 82. P. 39–51. https://doi.org/10.1016/j.gca.2010.11.029
  31. Guo L.B., Gifford R.M. Soil carbon stocks and land use change: a meta-analysis // Global Change Biology. 2002. V. 8(4). P. 345–360. https://doi.org/10.1046/j.1354-1013.2002.00486.x
  32. Hansson K., Olsson B.A., Olsson M., Johansson U., Kleja D.B. Differences in soil properties in adjacent stands of Scots pine, Norway spruce and silver birch in SW Sweden // Forest Ecology and Management. 2011. V. 262. P. 522–530. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2011.04.021
  33. Jarmain C., Cummins T., Jovani-Sancho A.J., Nairn T., Premrov A., Reidy B., Renou-Wilson F., Tobin B., Walz K., Wilson D., Byrne K.A. Soil organic carbon stocks by soil group for afforested soils in Ireland // Geoderma Regional. 2023. V. 32. P. e00615. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2023.e00615
  34. Kogel-Knabner I., Amelung W. Soil organic matter in major pedogenic soil groups // Geoderma. 2021. V. 384. P. 114785. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114785
  35. Kuznetsov N.B., Kolodyazhnyi S.Yu., Romanyuk T.V., Strashko A.V., Baluev A.S., Terekhov E.N., Mezhelovskaya S.V., Dubensky A.S., Sheshukov V.S. On the time and conditions of formation of the Shoksha quartzite-sandstones of the South Onega Depression based on the new data from isotope geochronology // Geodynamics Tectonophysics. 2023. V. 14(1). P. 0685. https://doi.org/10.5800/ GT-2023-14-1-0685
  36. Liang Y., Rillig M.C., Chen H.Y.H., Shan R., Ma Z. Soil pH drives the relationship between the vertical distribution of soil microbial biomass and soil organic carbon across terrestrial ecosystems: A global synthesis // Catena. 2024. V. 238. P. 107873. https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.107873
  37. Minasny B., Malone B.P., McBratney A.B., Angers D.A., Arrouays D., Chambers A., Chaplot V., Chen Z.-S. et al. Soil carbon 4 per mille // Geoderma. 2017. V. 292. P. 59–86. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.002
  38. Munsell A. Munsell Soil Color Charts. Revised Washable Edition. Munsell Color. New Windsor. N.Y. 2000.
  39. Ostle N.J., Levy P.E., Evans C.D., Smith P. UK land use and soil carbon sequestration // Land Use Policy. 2009. V. 26S. P. 274–283. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2009.08.006
  40. Pan Y., Birdsey R.A., Fang J., Houghton R., Kauppi P.E., Kurz W.A., Phillips O.L. 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
  41. Rodríguez-Albarracín H.S., Demattê J.A.M., Rosin N.A., Contreras A.E.D., Silvero N.E.Q., Cerri C.E.P., De Sousa Mendes W., Tayebi M. Potential of soil minerals to sequester soil organic carbon // Geoderma. 2023. V. 436. P. 116549. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116549
  42. Rumpel C. Opportunities and threats of deep soil organic matter storage // Carbon Management. 2014. V. 5. P. 115–117. http://dx.doi.org/10.1080/17583004.2014.912826
  43. Schiefer J., Lair G.J., Blum W.E.H. Potential and limits of land and soil for sustainable intensification of European agriculture // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2016. V. 230. P. 283–293. http://dx.doi.org/10.1016/j.agee.2016.06.021
  44. Schmidt M.W.I., Torn M.S., Abiven S., Dittmar T., Guggenberger G., Janssens I.A., Kleber M., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 478. P. 49–56. https://doi.org/10.1038/nature10386.
  45. Solomon D., Lehmann J., Fraser J.A., Leach M., Amanor K., Frausin V., Kristiansen S.M., Millimouno D., Fairhead J. Indigenous African soil enrichment as a climate-smart sustainable agriculture alternative // Frontiers in Ecology and the Environment. 2016. V. 14(2). P. 71–76. https://doi.org/10.1002/fee.1226
  46. Urbanski L., Schad P., Kalbitz K., van Mourik J., Gehrt E., Kögel-Knabner I. Legacy of plaggen agriculture: High soil organic carbon stocks as result from high carbon input and volume increase // Geoderma. 2022. V. 406. P. 115513. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115513
  47. Wiedner K., Schneeweiß J., Dippold M.A., Glaser B. Anthropogenic Dark Earth in Northern Germany – the nordic analogue to terra preta de Índio in Amazonia // Catena. 2015. V. 132. P. 114–125. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.10.024
  48. Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E., Lang B., von Lützow M., Marin-Spiotta E., van Wesemael 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. P. 149–162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026
  49. Wiesmeier M., von Lutzow M., Sporlein P., Geuss U., Hangen E., Reischl A., Schilling B., Kogel-Knabner I. Land use effects on organic carbon storage in soils of Bavaria: the importance of soil types // Soil & Tillage Research. 2015. V. 146. P. 296–302. https://doi.org/10.1016/j.still.2014.10.003
  50. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports № 106. FAO, Rome.
  51. Xia Q., Rufty T., Shi W. Soil microbial diversity and composition: Links to soil texture and associated properties // Soil Biology and Biochemistry. 2020. V. 149. P. 107953. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107953
  52. Xiong X., Grunwald S., Myers D.B., Ross C.W., Harris W.G., Comerford N.B. Interaction effects of climate and land use / land cover change on soil organic carbon sequestration // Science of The Total Environment. 2014. V. 493. P. 974–982. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.06.088
  53. You M., Zhu-Barker X., Hao X-X., Li L-J. Profile distribution of soil organic carbon and its isotopic value following long term land-use changes // Catena. 2021. V. 207. P. 105623. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105623

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic structure of soil profiles: 1 – arable land; 2 – hayfield; 3 – forest, 15 years; 4 – forest, 75 years; 5 – forest, 100 years.

Download (133KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in soil properties along the profile (average, n = 3): 1 – arable land; 2 – hayfield; 3 – forest, 15 years; 4 – forest, 75 years; 5 – forest, 100 years.

Download (168KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Contribution of different layers (%) and total stocks of organic carbon (a) and microbial biomass carbon (b) in soil (n = 3) and litter (n = 6).

Download (176KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Structure of carbon reserves of phytomass of ground (a) and woody (b) vegetation.

Download (94KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences