The use of long-term observations of soil respiration for calculations of net carbon balance in Chernozem zone

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Long-term (2017–2023) year-round observations of soil CO2 efflux (soil respiration, SR) in the area of typical Chernozems distribution (Kursk region, Medvensky district, Kursk Biosphere Station of the Institute of Geography RAS) were carried out using a unified technique based on field measurements with IRGA. Annual estimates of SR were calculated in the most representative local anthropogenic and natural ecosystems that form the forest–steppe agro–landscape in Chernozem zone of European Russia (permanently used arable land, non–fertilized vegetable garden, 2–8 yr fallow, meadow steppe, and broadleaved forests). According to estimates averaged by various models and calculation schemes, SR in the study area varies from 650.6 ± 88.2 (non–fertilized vegetable garden) to 1550 ± 215 (2–8 yr abandoned land) g C–CO2 m–2 yr–1, amounting to 895 ±91 on permanently used arable land and 1040 ± 55 g C–CO2 m–2 yr–1 in natural ecosystems. The share of microbial (heterotrophic) respiration (MR) in local soils averaged 55.5% (broadleaf forests), 77.6% (abandoned land), and 72.4% (meadow steppe) during the growing season. The ecosystem net carbon balance of the three broadleaf forest sites, calculated by the difference between net primary production (NPP estimated by CBM–CFS3 model and taxation data) and heterotrophic respiration (SR and CO2 losses from decomposition of coarse woody debris, CWD) vary from atmospheric carbon uptake +130 g C–CO2 m–2 yr–1 to its source –112 g C–CO2 m–2 yr–1. In the latter case, the net carbon source is due to the accumulation of significant stocks of CWD as a result of tree mortality from xylophages. On arable lands, similarly, calculated by NPP and MR net carbon balance, according to the expert assessment of MR share, vary from +186 to –143.7 g C–CO2 m–2 yr–1, with almost ultimate contribution of the crop type grown in a given year to inter–annual variations of SR (87.9%). It is concluded that the above approach is applicable to estimates of the net C balance in rather different ecosystems, however, the greatest uncertainty is introduced by estimates of the soil MR share.

About the authors

D. V. Karelin

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119017

A. N. Zolotukhin

Kursk Federal Agrarian Scientific Center

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Kursk, 305021

O. V. Ryzhkov

Central Black Earth Biosphere Reserve

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Zapovedny, Kursk region, 305528

V. N. Lunin

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119017

D. G. Zamolodchikov

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

Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 117997

O. E. Sukhoveeva

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olgasukhoveeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow, 119017

References

  1. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.
  2. Евдокимов И.В., Ларионова А.А., Шмит М., Лопес де Гереню В.О., Бан М. Определение вклада дыхания корней растений в эмиссию СО2 из почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2010. № 3. С. 349–355.
  3. Грабовский В.И., Замолодчиков Д.Г. Методы оценки запасов валежа по данным учетов на трансектах // Лесоведение. 2012. № 2. C. 66–73.
  4. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестник РАН. 2006. Т. 76. № 1. С. 14–29.
  5. Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Коровин Г.Н. Управление бюджетом углерода лесов Дальнего Востока России: прогнозный анализ по модели CBM–CFS // Лесная таксация и лесоустройство. 2009. Т. 1. № 41. С. 98–103.
  6. Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Коровин Г.Н., Гитарский М.Л., Блинов В.Г., Дмитриев В.В., Курц В.А. Бюджет углерода управляемых лесов Российской Федерации в 1990–2050 гг.: ретроспективная оценка и прогноз // Метеорология и гидрология. 2013. № 10. С. 73–92.
  7. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука, 2008. 344 с.
  8. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г., Каганов В.В., Почикалов А.В., Гитарский М.Л. Микробная и корневая составляющие дыхания дерново-подзолистых почв южной тайги // Лесоведение. 2017. № 3. С. 183–195. https://doi.org/10.1134/S199542551707006X
  9. Карелин Д.В., Суховеева О.Э., Глаголев М.В., Добрянский А.С., Сабреков А.Ф., Замотаев И.В. Годовой бюджет углеродсодержащих биогенных парниковых газов при смешанном землепользовании: Льговский район как модельный объект центрального Черноземья // Почвоведение. 2023. № 8. С. 911–924.
  10. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Савин И.Ю., Шорохова Е.В. Баланс углерода в лесных экосистемах южного Подмосковья в условиях усиления засушливости климата // Лесоведение. 2016. № 5. С. 332–345.
  11. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Жиенгалиев А.Т., Кудеяров В.Н. Углеродный бюджет степных экосистем России // Доклады академии наук, 2019. Т. 485. № 6. С. 732–735.
  12. Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А., Денисенко Е.А., Нефедова Т.Г. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М.: ГЕОС, 2010. 416 с.
  13. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
  14. Саржанов Д.А., Васенев В.И., Сотникова Ю.Л., Тембо А., Васенев И.И., Валентини Р. Краткосрочная динамика и пространственная неоднородность эмиссии СО2 почвами естественных и городских экосистем Центрально-Черноземного региона // Почвоведение. 2015. № 4. С. 469–478.
  15. Суховеева О.Э., Карелин Д.В. Оценка дыхания почв с помощью модели Райха–Хашимото: параметризация и прогноз // Известия РАН. Сер. Географическая. 2022. Т. 86. № 4. С. 519–527.
  16. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. 2019. № 9. С. 1081–1091.
  17. Тарасов М.Е. Роль крупного древесного детрита в балансе углерода лесных экосистем Ленинградской области. Автореф. дис. … канд. биол. наук. СПб., 2000. 21 с.
  18. Швиденко А., Щепащенко Д., Нильссон С., Булуй Ю. Таблицы и модели хода роста и продуктивности насаждений основных лесообразующих пород Северной Евразии (нормативно–справочные материалы). М.: Федеральное агентство лесного хозяйства, 2008. 886 с.
  19. Anderson M.J., Gorley R.N., Clarke K.R. PERMANOVA+ for PRIMER: guide to software and statistical methods. Plymouth: PRIMER–E Ltd, 2008. 214 pp.
  20. Bond-Lamberty B., Chuankuan Wang, Stith T. Gower. A global relationship between the heterotrophic and autotrophic components of soil respiration? // Global Change Biology. V. 10. 2004. P. 1756–1766. https://doi.org/10.1111/j.1365–2486.2004.00816.x
  21. Gavrichkova O. Drivers of soil respiration of root and microbial origin in grasslands. Universita degli studi della Tuscia–Viterbo, 2009. 166 p.
  22. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial to soil respiration: A review of methods and observations // Biogeochemistry. 2000. V. 48. P. 115–146.
  23. 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 Regional. 2020. V. 22. P. e00290. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00290
  24. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Shilkin A.V., Popov S.Yu, Kumanyaev A.S., Lopes de Gerenyu V.O., Tel’nova N.O., Gitarskiy M.L. The effect of tree mortality on CO2 fluxes in an old-growth spruce forest // Eur. J. Forest Res. 2021. V. 140. Р. 287–305. https://doi.org/10.1007/s10342–020–01330–3
  25. Khanina L., Bobrovsky M., Smirnov V., Romanov M. Wood decomposition, carbon, nitrogen, and pH values in logs of 8 tree species 14 and 15 years after a catastrophic windthrow in a mesic broad-leaved forest in the East European plain // Forest Ecology and Management. 2023. V. 545. P. 121275.
  26. Luo Y., Zhou X. Soil respiration and the environment. Burlington: Academic Press, 2006. 316 p.
  27. Pierre B., Ceschia E., Dedieu G. Саrbon balance of a three crop succession over two cropland sites in South West France // Agricultural and Forest Meteorology 149 (2009) 1628–1645.
  28. Schmidt M., Reichenaua T.G., Fiener P., Schneider K. The carbon budget of a winter wheat field: An eddy covariance analysis of seasonal and inter–annual variability // Agricultural and Forest Meteorology. 2012. V. 165. P. 114–126.
  29. Shuxia J., Zhang X., Chen X., McLaughlin N.B., Zhang S., Wei S., Sun B., Lian A. Long-term conservation tillage influences the soil microbial community and its contribution to soil CO2 emissions in a Mollisol in Northeast China // J. Soils Sediments. 2016. V. 16(1). P. 1–12. https://doi.org/10.1007/s11368-015-1158-7
  30. Soegaard H., Jensen N., Boegh E., Hasager C., Schelde K., Thomsen A. Carbon dioxide exchange over agricultural landscape using eddy correlation and footprint modelling // Agricultural and Forest Meteorology. 2003. V. 114. P. 153–173.
  31. Ståhl G., Ringvall A., Fridman J. Assessment of coarse woody debris – a methodological overview // Ecol. Bul. 2001. V. 49. P. 57–71.
  32. Subke J.A., Inglima I., Cotrufo M.F. Trends and methodological impacts in soil CO2 efflux partitioning: A meta–analytical review // Global Change Biology. 2006.V. 12. P. 921–943. https://doi.org/10.1111/j.1365–2486.2006.01117.x
  33. Tarnocai C., Canadell J.G., Schuur E.A.G., Kuhry P., Mazhitova G., Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region // Glob. Biogeochem. Cycles. 2009. https://doi.org/10.1029/2008GB003327

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Additional Materials
Download (313KB)
3. Fig. 1. Calculation of the ecosystem net flow (NF) in three forest types based on net primary production (NPP), soil microbial respiration (SM), and respiration of deadwood and fallen trees (DR). Positive values ​​indicate the absorption of C by the ecosystem from the atmosphere, negative values ​​indicate the source of C into the atmosphere. (a) – old-growth oak forest, (b) – maple-oak forest, (c) – ash forest.

Download (183KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences