Сезонное влияние пирогенного угля на надземное и подземное разложение различных типов опада в бореальных лесах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Уголь является устойчивым продуктом лесных пожаров, накапливающимся в слое подстилки и почвах бореальных лесов. Поэтому разложение опада и корней, как один из ключевых процессов в цикле углерода, в почвах бореальных лесов практически повсеместно протекает в присутствии угля. К настоящему времени имеются крайне скудные сведения о влиянии угля на процесс разложения опада в бореальных лесах, и большинство из них не рассматривают холодный период, который в этой зоне длится в среднем полгода. Целью работы было выявление сезонного влияния угля на разложение растительного опада разного качества (хвои лиственницы, листьев березы, трав и смеси этих видов опада) на поверхности почв и корней этих же видов в почве. В полевом “litterbag” эксперименте установлено, что уголь ускорял разложение опада и его влияние было видоспецифическим. Ускорение потери массы в присутствии угля происходило для трудноразлагаемого наземного опада (хвои) и всех видов корней в холодный период. В теплый период ускорение разложения в присутствии угля наблюдалось только для хвои и не наблюдалось для корней. Таким образом, исследование показало большее влияние угля на внутрипочвенное разложение, особенно в холодный период. Сезонное воздействие угля установлено впервые и должно учитываться как важный фактор гумусообразования и динамики углерода в почвах бореальных лесов.

Об авторах

С. В. Брянин

Институт геологии и природопользования ДВО РАН

Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск

А. В. Кондратова

Институт геологии и природопользования ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск

А. В. Данилов

Институт геологии и природопользования ДВО РАН

Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск

Е. С. Суслопарова

Институт геологии и природопользования ДВО РАН

Email: kondratova.ava@gmail.com
Россия, Благовещенск

Список литературы

  1. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В., Родин Л.Е., Нечаева Н.Т., Левин Ф.И. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1978. 185 с.
  2. Караваева Н.А, Прокопчук В.Ф. Формирование почв с бурым профилем на севере Приамурья и Сахалина // Почвоведение. 2004. № 9. С. 1029–1039.
  3. Сапронов Д.В. Выделение СО2 из образцов почв различных природных зон России при промерзании–оттаивании в лабораторных условиях // Почвоведение. 2021. № 8. С. 935–945. https://doi.org/10.31857/S0032180X21080141
  4. 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. С. 860–875. https://doi.org/.31857/S0032180X22070085
  5. Семенов В.М., Паутова Н.Б., Лебедева Т.Н., Хромычкина Д.П., Семенова Н.А., Лопес де Гереню В.О. Разложение растительных остатков и формирование активного органического вещества в почве инкубационных экспериментов // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1172–1184.
  6. Шапченкова О.А., Краснощеков Ю.Н., Лоскутов С.Р. Использование методов термического анализа для оценки органического вещества почв, пройденных пожарами // Почвоведение. 2011. № 6. С. 738–747.
  7. Цибарт А.С., Геннадиев А.Н. Влияние пожаров на свойства лесных почв Приамурья (Норский заповедник) // Почвоведение. 2008. № 7. С. 783–792.
  8. Abiven S., Andreoli R. Charcoal does not change the decomposition rate of mixed litters in a mineral cambisol: A controlled conditions study // Biol Fertil Soils. 2011. V. 47(1). P. 111–114. https://doi.org/10.1007/s00374-010-0489-1.
  9. Berg B., McClaugherty C. Plant Litter. Decomposition, Humus Formation, Carbon Sequestration. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag GmbH, 2014. 315 p.
  10. Bleak A.T. Disappearance of plant material under a winter snow cover // Ecology. 1970. V. 51(5). P. 915–917. https://doi.org/10.2307/1933989.
  11. Bokhorst S., Metcalfe D.B., Wardle D.A. Reduction in snow depth negatively affects decomposers but impact on decomposition rates is substrate dependent // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 62. P. 157–164. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.03.016.
  12. Bryanin S., Abramova E., Makoto K. Fire-derived charcoal might promote fine root decomposition in boreal forests // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 116. P. 1–3. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.09.031.
  13. Bryanin S.V., Sorokina O.A. Effect of soil properties and environmental factors on chemical compositions of forest soils in the Russian Far East // J. Soils Sediments. 2019. V. 19(3). P. 1130–1138. https://doi.org/10.1007/s11368-018-2141-x.
  14. Coq S., Souquet J.M., Meudec E., Cheynier V., Hättenschwiler S. Interspecific variation in leaf litter tannins drives decomposition in a tropical rain forest of French Guiana // Ecology. 2010. V. 91(7). P. 2080–2091. https://doi.org/10.1890/09-1076.1
  15. Cornwell W.K., Cornelissen J.H.C., Amatangelo K. et al. Plant species traits are the predominant control on litter decomposition rates within biomes worldwide // Ecol. Lett. 2008. V. 11(10). P. 1065–1071. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01219.x.
  16. Cross A., Sohi S.P. The priming potential of biochar products in relation to labile carbon contents and soil organic matter status // Soil. Biol. Biochem. 2011. V. 43(10). P. 2127–2134. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2011.06.016
  17. Gartner T.B., Cardon Z.G. Decomposition dynamics in mixed-species leaf litter // Oikos. 2004. V. 104. P. 230–246. https://doi.org/10.1111/j.0030-1299.2004.12738.x
  18. Goldammer J.G., Furyaev V.V. Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia: Ecological Impacts and Links to the Global System. 1996. P. 1–20.
  19. Gower S.T., Krankina O., Olson R.J., Apps M., Linder S., Wang C. Net Primary production and carbon allocation patterns of boreal forest ecosystems // Ecol. Appl. 2001. V. 11(5). P. 1395–1411.
  20. Hobbie S.E., Chapin F.S. Winter regulation of tundra litter carbon and nitrogen dynamics // Biogeochemistry. 1996. V. 35(2). P. 327–338. https://doi.org/10.1007/BF02179958.
  21. Hobbie S.E., Gough L. Litter decomposition in moist acidic and non-acidic tundra with different glacial histories // Oecologia. 2004. V. 140(1). P. 113–124. https://doi.org/10.1007/s00442-004-1556-9.
  22. Kuzyakov Y., Subbotina I., Chen H., Bogomolova I., Xu X. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41(2). P. 210–219. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.10.016
  23. Lehmann J. A handful of carbon // Nature. 2007. V. 447(7141). P. 143–144. https://doi.org/10.1038/447143a
  24. Li Y., Hu S., Chen J., Müller K., Li Y., Fu W., Lin Z., Wang H. Effects of biochar application in forest ecosystems on soil properties and greenhouse gas emissions: a review // J. Soils Sediments. 2018. V. 18(2). P. 546–563. https://doi.org/10.1007/s11368-017-1906-y
  25. Lu Y., Zhang L., Li K., Ni R., Han R., Li C., Zhang C., Shen W., Zhang Z. Leaf and root litter species identity influences bacterial community composition in short-term litter decomposition // Forests. 2022. V. 13(9). P. 1402. https://doi.org/10.3390/f13091402
  26. Makoto K., Koike T. Charcoal ecology: Its function as a hub for plant succession and soil nutrient cycling in boreal forests // Ecol. Res. 2021. V. 36(1). P. 4–12. https://doi.org/10.1111/1440-1703.12179
  27. Makoto K., Tamai Y., Kim Y.S., Koike T. Buried charcoal layer and ectomycorrhizae cooperatively promote the growth of Larix gmelinii seedlingsb // Plant and Soil. 2010. V. 327(1-2). P. 143–152. https://doi.org/10.1007/s11104-009-0040-z
  28. Makoto K., Nemilostiv Y.P., Zyryanova O.A., Kajimoto T., Matsuura Y., Yoshida T., Satoh F., Sasa K., Koike T. Regeneration after forest fires in mixed conifer broad-leaved forests of the amur region in far eastern Russia: the relationship between species specific traits against fire and recent fire regimes // Eurasian J. For. Res. 2007. V. 10(1). P. 51–58.
  29. Makkonen M., Berg M.P., Handa I.T., Hättenschwiler S., van Ruijven J., van Bodegom P.M., Aerts R. Highly consistent effects of plant litter identity and functional traits on decomposition across a latitudinal gradient // Ecol Lett. 2012. V. 15(9). P. 1033–1041. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2012.01826.x
  30. Matovic D. Biochar as a viable carbon sequestration option: Global and Canadian perspective // Energy. 2011. V. 36(4). P. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.09.031
  31. McLauchlan K.K., Higuera P.E., Miesel J. et al. Fire as a fundamental ecological process: Research advances and frontiers // J. Ecol. 2020. V. 108(5). P. 2047–2069. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13403
  32. Minamino Y., Fujitake N., Suzuki T., Yoshitake S., Koizumi H., Tomotsune M. Effect of biochar addition on leaf-litter decomposition at soil surface during three years in a warm-temperate secondary deciduous forest, Japan // Sci. Rep. 2019. V. 9(16961). https://doi.org/10.1038/s41598-019-53615-2
  33. Olson J.S. energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems // Ecology. 1963. V. 44(2). P. 322–331. https://doi.org/10.2307/1932179
  34. Pimm S., Roulet N., Weaver A. Boreal forests’ carbon stores need better management // Nature. 2009. V. 462. P. 276–276. https://doi.org/10.1038/462276a
  35. Pingree M.R.A., DeLuca E.E., Schwartz D.T., DeLuca T.H. Adsorption capacity of wildfire-produced charcoal from Pacific Northwest forests // Geoderma. 2016. V. 283. P. 68–77. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.07.016
  36. Pluchon N., Gundale M.J., Nilsson M.-C., Kardol P., Wardle D.A. Stimulation of boreal tree seedling growth by wood-derived charcoal: Effects of charcoal properties, seedling species and soil fertility // Funct. Ecol. 2014. V. 28(3). P. 766–775. https://doi.org/10.1111/1365-2435.12221
  37. Pluchon N., Vincent A.G., Gundale M.J., Nilsson M.-C., Kardol P., Wardle D.A. The impact of charcoal and soil mixtures on decomposition and soil microbial communities in boreal forest // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 99. P. 40–50. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.11.020
  38. Pochikalov A.V., Karelin D.V. A field study of tundra plant litter decomposition rate via mass loss and carbon dioxide emission: The role of biotic and abiotic controls, biotope, season of year, and spatial-temporal scale // Biol. Bull. Rev. 2015. V. 5. P. 1–16. https://doi.org/10.1134/S2079086415010077
  39. Prescott C.E. Litter decomposition: What controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils? // Biogeochemistry. 2010. V. 101(1-3). P. 133–149. https://doi.org/10.1007/s10533-010-9439-0
  40. Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. 2006. V. 3(4). P. 397–420. https://doi.org/10.5194/bg-3-397-2006
  41. Preston C.M., Trofymow J.A. (Tony), Working Group the CIDE Variability in litter quality and its relationship to litter decay in Canadian forests // Can. J. Bot. 2000. V. 78(10). P. 1269–1287. https://doi.org/ 10.1139/b00-101
  42. R Development Core Team R: A Language and Environment for Statistical Computing, 2020.
  43. Richardson A.D., Andy Black T., Philippe C., Nicolas D., Friedl M.A., Nadine G. et al. Influence of spring and autumn phenological transitions on forest ecosystem productivity // Philos. T. R. Soc. B. 2010. V. 365. P. 3227–3246. https://doi.org/10.1098/rstb.2010.0102
  44. Santín C., Doerr S.H., Preston C.M., González-Rodríguez G. Pyrogenic organic matter production from wildfires: a missing sink in the global carbon cycle // Glob. Change Biol. 2015. V. 21(4). P. 1621–1633. https://doi.org/10.1111/gcb.12800.
  45. Sato H., Kobayashi H., Iwahana G., Ohta T. Endurance of larch forest ecosystems in eastern Siberia under warming trends // Ecol. Evol. 2016. V. 6(16). P. 5690–5704. https://doi.org/10.1002/ece3.2285
  46. Seidl R., Honkaniemi J., Aakala T. et al. Globally consistent climate sensitivity of natural disturbances across boreal and temperate forest ecosystems // Ecography. 2020. V. 43(7). P. 967–978. https://doi.org/10.1111/ecog.04995
  47. Seidl R., Thom D., Kautz M., et al. Forest disturbances under climate change. Europe PMC Funders Group // Nat. Clim. Change. 2017. V. 7. P. 395–402. https://doi.org/10.1038/nclimate3303
  48. Singh B.P., Cowie A.L. Long-term influence of biochar on native organic carbon mineralisation in a low-carbon clayey soil // Sci. Rep. 2015. V. 4(3687). https://doi.org/10.1038/srep03687
  49. Sun T., Hobbie S.E., Berg B., Zhang H., Wang Q., Wang Z., Hättenschwiler S. Contrasting dynamics and trait controls in first-order root compared with leaf litter decomposition // Proc. Natl. Acad. Sci. 2018. V. 115. P. 10392–10397. https://doi/10.1073/pnas.1716595115
  50. Uchida M., Mo W., Nakatsubo T., Tsuchiya Y., Horikoshi T., Koizumi H. Microbial activity and litter decomposition under snow cover in a cool-temperate broad-leaved deciduous forest // Agric. For. Meteorol. 2005. V. 134(1-4). P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2005.11.003
  51. Wardle D.A., Zackrisson O., Nilsson M.-C. The charcoal effect in Boreal forests: mechanisms and ecological consequences // Oecologia. 1998. V. 115(3). P. 419–426. https://doi.org/10.1007/s004420050536
  52. Wardle D.A., Nilsson M.-C., Zackrisson O. Fire-Derived Charcoal Causes Loss of Forest Humus // Science. 2008. V. 320(5876). P. 629–629. https://doi.org/10.1126/science.1154960
  53. Wardle D.A., Bonner K.I., Nicholson K.S. biodiversity and plant litter: experimental evidence which does not support the view that enhanced species richness improves ecosystem function // Oikos. 1997. V. 79(2). P. 247–258. https://doi.org/10.2307/3546010

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Среднесуточные температуры лесной подстилки на глубине 3 см. Данные представлены средними величинами (n = 7), серое поле отображает минимальную и максимальную суточные температуры.

Скачать (96KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние угля на влажность опада и корней за изучаемый период. Данные представлены средними значениями (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.

Скачать (206KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Динамика потери массы надземного опада и корней за изучаемый период. Данные представлены средними величинами (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.

Скачать (164KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Коэффициенты разложения опада и корней в начальный холодный (0–218 дней) и теплый (218–365 дней) периоды. Данные представлены средними величинами (n = 7), планки погрешностей отображают ±1SE. Значимое влияние угля в отдельных вариантах эксперимента обозначено (*) соответственно значениям p: *** <0.001, ** <0.01, * <0.05.

Скачать (187KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024