1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 12, 2023

Почвоведение, 2023, № 12, стр. 1686-1702

Оценка запасов углерода в почвах лесных экосистем как основа мониторинга климатически активных веществ

Г. Н. Копцик a, *, С. В. Копцик b, Ю. В. Куприянова a, c, М. С. Кадулин a, И. Е. Смирнова a

a Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, Россия

b Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, Россия

c Югорский государственный университет
628012 Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16, Россия

* E-mail: koptsikg@mail.ru

Поступила в редакцию 20.06.2023
После доработки 24.07.2023
Принята к публикации 31.07.2023

Аннотация

Характерные для почвенного покрова Звенигородской биостанции МГУ элювоземы и дерново-элювоземы на двучленных отложениях содержат в подстилке и метровом слое минеральной толщи в среднем 65–83 т/га органического углерода. Запасы углерода минимальны в дерново-элювоземе сложного ельника (59–68 т/га), отличающемся облегченным гранулометрическим составом, и достигают 76–92 т/га в почвах березово-елового и сложного сосново-елового лесов. При этом в подстилке сосредоточено 3.3–5.8 т С/га или 4–9% общих запасов органического углерода, а в верхнем минеральном слое (0–20 см) – 64–69%. Разные уровни и профильное распределение запасов органического углерода в почвах обусловлены литолого-гранулометрическими особенностями и характером растительности. Вклад экстрагируемых водой органических соединений углерода в их общее содержание в верхних минеральных горизонтах почв не превышает 1.3–1.8%, микробного углерода – 1.7–2.4%. В кислых легкосуглинистых почвах обогащенность кальцием и калием, емкость катионного обмена, содержание обменных оснований и степень насыщенности могут служить индикаторами содержания и запасов органического углерода на экосистемном уровне. Связь с содержанием тонкодисперсных фракций и оксалаторастворимых Al и Fe проявляется в меньшей степени вследствие близкого происхождения и свойств почв. Изменчивость запасов органического углерода в почвах в наибольшей степени определяется его содержанием, влияние которого снижается с глубиной. Учет пространственной неоднородности, полевые измерения плотности и доли мелкозема, корректные аналитические определения являются необходимыми составляющими оценки запасов углерода в почвах лесных экосистем в рамках создаваемой национальной системы мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов.

Ключевые слова: экологические функции, секвестрация углерода, органический углерод, водорастворимые соединения, микробная биомасса, изменчивость, подстилка, Dystric Cambisol

Список литературы

  1. Абакумов Е.В., Поляков В.И., Чуков С.Н. Подходы и методы изучения органического вещества почв карбоновых полигонов России (обзор) // Почвоведение. 2022. № 7. С. 773–772.

  2. Баева Ю.И., Курганова И.Н., Почикалов А.В., Кудеяров В.Н. Физические свойства и изменение запасов углерода серых лесных почв в ходе постагрогенной эволюции (юг Московской области) // Почвоведение. 2017. № 3. С. 345–353.

  3. Браславская Т.Ю. Леса и лесопользование на территории Звенигородской биостанции МГУ: XIX век // Russ. J. Ecosystem Ecology. 2020. V. 5. https://doi.org/10.21685/2500-0578-2020-2-2

  4. Когут Б.М., Милановский Е.Ю., Хаматнуров Ш.А. О методах определения содержания органического углерода в почвах (критический обзор) // Бюл. Почв. ин-а им. В.В. Докучаева. 2023. Т. 114. С. 5–28. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2023-114-5-28

  5. Когут Б.М., Семенов В.М. Оценка насыщенности почвы органическим углеродом // // Бюл. Почв. ин-а им. В.В. Докучаева. 2020. Вып. 102. С. 103–124.

  6. Копцик Г.Н., Копцик С.В., Ливанцова С.Ю. Мониторинг почв лесных биогеоценозов Звенигородской биостанции // Тр. Звенигородской биологической станции. Т. 4. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. С. 29–44.

  7. Копцик Г.Н., Смирнова И.Е., Копцик С.В. Анализ эколого-генетических особенностей почв для мониторинга лесных экосистем в зоне хвойно-широколиственных лесов // Почвоведение. 2023. № 10. С. 1269–1284.

  8. Копцик Г.Н., Смирнова И.Е., С.Ю. Ливанцова, Копцик С.В., Захарова А.И., Вострецова Е.В. Вклад растительного опада и подстилки в биологический круговорот элементов в лесных экосистемах Звенигородской биостанции // Тр. Звенигородской биологической станции. Т. 5. М.: Изд-во Московского университета, 2011. С. 18–32.

  9. Копцик С.В., Копцик Г.Н., Ливанцова С.Ю., Березина Н.А., Вахрамеева М.Г. Анализ взаимосвязи почв и растительности в лесных биогеоценозах методом главных компонент // Экология. 2003. № 1. С. 37–45.

  10. Коротков В.Н. Лесные климатические проекты в России: ограничения и возможности // Rus. J. Ecosystem Ecology. 2022. V. 7(4). https://doi.org/10.21685/2500-0578-2022-4-3

  11. Кузнецова А.И., Лукина Н.В., Тихонова Е. В., Горнов А.В., Горнова М.В., Смирнов В.Э., Гераськина А.П., Шевченко Н.Е., Тебенькова Д.Н., Чумаченко С.И. Аккумуляция углерода в песчаных и суглинистых почвах равнинных хвойно-широколиственных лесов в ходе послерубочных восстановительных сукцессий // Почвоведение. 2019. № 7. С. 803–816.

  12. Лукина Н.В., Кузнецова А.И., Гераськина А.П., Смирнов В.Э., Иванова В.Н., Тебенькова Д.Н., Горнов А.В., Шевченко Н.Е., Тихонова Е.В. Неучтенные факторы, определяющие запасы углерода в лесных почвах // Метеорология и гидрология. 2022. № 10. С. 92–110. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2022-10-92-110

  13. Наумова Н.Б. К вопросу об определении содержания органического углерода в почве // Почвы и окружающая среда. 2018. № 1(2). С. 98–103. https://doi.org/10.31251/pos.v1i2.13

  14. Никитин Д.А., Семенов М.В., Чернов Т.И., Ксенофонтова Н.А., Железова А.Д., Иванова Е.А., Хитров Н.Б., Степанов А.Л. “Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор)” // Почвоведение. 2022. № 2. С. 228–243.

  15. Подзолистые почвы запада европейской части СССР. М., 1977. 286 с.

  16. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.

  17. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Лопес де Гереню В.О., Овсепян Л.А., Семенов М.В., Курганова И.Н. Пулы и фракции органического углерода в почве: структура, функции и методы определения // Почвы и окружающая среда. 2023. Т. 6. № 1. e199. https://doi.org/10.31251/pos.v6i1.199

  18. 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.

  19. Чернова О.В., Голозубов О.М., Алябина И.О., Щепащенко Д.Г. Комплексный подход к картографической оценке запасов органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2021. № 3. С. 273–286.

  20. Честных О.В., Грабовский В.И., Замолодчиков Д.Г. Углерод почв лесных районов Европейско-Уральской части России // Вопросы лесной науки. 2020. Т 3. № 2. С. 1–5. https://doi.org/10.31509/2658-607x-2020-3-2-1-15

  21. Честных О.В., Замолодчиков Д.Г. Зависимость плотности почвенных горизонтов от глубины их залегания и содержания гумуса // Почвоведение. 2004. № 8. С. 937–944.

  22. Честных О.В., Замолодчиков Д.Г., Уткин А.И. Общие запасы биологического углерода и азота в почвах лесного фонда России // Лесоведение. 2004. № 4. С. 30–42.

  23. Честных О.В., Лыжин В.А., Кокшарова А.В. Запасы углерода в подстилках лесов России // Лесоведение. 2007. № 6. С. 114–121.

  24. Шамрикова Е.В., Ванчикова Е.В., Кондратенок Б.М., Лаптева Е.М., Кострова С.Н. Проблемы и ограничения дихроматометрического метода измерения содержания почвенного органического вещества (обзор) // Почвоведение. 2022. № 7. С. 787–794.

  25. Щепащенко Д.Г., Мухортова Л.В., Швиденко А.З., Ведрова Э.Ф. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2013. № 2. С. 123–123.

  26. Anderson J.P.E., Domsch K.H. Quantity of plant nutrients in the microbial biomass of selected soils // Soil Science. 1980. V. 130. № 4. P. 211–216.

  27. Angst G., Mueller K.E., Nierop K.G., Simpson M.J. Plant- or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter // Soil Biol. Biochem. 2021. V. 156(1–3). P. 108–189. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108189

  28. Baritz R., Seufert G., Montanarella L., Van Ranst E. Carbon concentrations and stocks in forest soils of Europe // Forest Ecology and Management. 2010. V. 260. P. 262–277.

  29. Baveye P., Berthelin J., Tessier D., Lemaire G. The “4 per 1000” initiative: A credibility issue for the soil science community? // Geoderma. 2018. V. 309. P. 118–123. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.005

  30. Bolan N.S., Adriano D.C., Kunhikrishnan A., James T., McDowell R., Senesi N. Dissolved organic matter: Biogeochemistry, dynamics, and environmental significance in soils // Adv. Agron. 2011. V. 110. P. 1–75. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385531-2.00001-3

  31. Corti G., Ugolini F., Agnelli A., Certini G. et al. The soil skeleton, a forgotten pool of carbon and nitrogen in soil // Eur. J. Soil Sci. 2002. V. 53(2). P. 283–298. https://doi.org/10.1046/j.1365-2389.2002.00442.x

  32. Cotrufo   M.F., Ranalli M.G., Haddix M.L. et al. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter // Nat. Geosci. 2019. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0484-6

  33. De Vos B., Cools N., Ilvesniemi H., Vesterdal L., Vanguelova E., Carnicelli S. Benchmark values for forest soil carbon stocks in Europe: Results from a large scale forest soil survey // Geoderma. 2015. V. 251–252. P. 33–46. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.03.008

  34. De Vos B., Van Meirvenne M., Quataert P., Deckers J., Muys B. Predictive quality of pedotransfer functions for estimating bulk density of forest soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. V. 69. P. 500–510. https://doi.org/10.2136/sssaj2005.0500

  35. De Vries W. Soil carbon 4 per mille: a good initiative but let’s manage not only the soil but also the expectations. Comment on Minasny et al. (2017) Geoderma 292: 59–86 // Geoderma. 2018. V. 309(1). P. 111–112. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.023

  36. Doetterl S., Stevens A., Six J. et al. Soil carbon storage controlled by interactions between geochemistry and climate // Nat. Geosci. 2015. V. 8. P. 780–783. https://doi.org/10.1038/ngeo2516

  37. Dynarski K.A., Bossio D.F., Scow K.M. Dynamic Stability of Soil Carbon: Reassessing the “Permanence” of Soil Carbon Sequestration // Front. Environ. Sci. 2020. V. 8: 514701. https://doi.org/10.3389/fenvs.2020.514701

  38. FAO. 2020. Global Forest Resources Assessment 2020: Main report. Rome. https://doi.org/10.4060/ca9825en

  39. Gao D., Bai E., Wang S. et al. Three- dimensional mapping of carbon, nitrogen, and phosphorus in soil microbial biomass and their stoichiometry at the global scale // Glob Change Biol. 2022. V. 22. P. 6728–6740. https://doi.org/10.1111/gcb.16374

  40. Georgiou G., Jackson R.B., Vindušková O. et al. Global stocks and capacity of mineral-associated soil organic carbon // Nat. Commun. 2022. V. 13. 3797. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31540-9

  41. Harrison R.B., Footen P.W., Strahm B.D. Deep Soil Horizons: Contribution and Importance to Soil Carbon Pools and in Assessing Whole-Ecosystem Response to Management and Global Change // For. Sci. 2011. V. 57(1). P. 67–76.

  42. Hartley I.P., Hill T.C., Chadburn C.E., Hugelius G. Temperature effects on carbon storage are controlled by soil stabilisation capacities // Nat. Commun. 2021. V. 12: 6713. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27101-1

  43. Hoffland E., Kuyper T.W., Comans R.N.J. et al. Eco-functionality of organic matter in soils // Plant Soil. 2020. V. 455. P. 1–22. https://doi.org/10.1007/s11104-020-04651-9

  44. Honeysett J.L., Ratkowsky D.A. The use of ignition loss to estimate bulk density of forest soils // J. Soil Sci. 1989. V. 40. P. 299–308.

  45. Jackson R.B., Lajtha K., Crow S.E., Hugelius G., Kramer M.G., Piñeiro G. The Ecology of Soil Carbon: Pools, Vulnerabilities, and Biotic and Abiotic Controls // Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 2017. V. 48. P. 419–445. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-112414-054234

  46. Jandl R., Rodeghiero M., Martinez C., Cotrufo M.F., Bampa F., van Wesemael B., Harrison R.B., Guerrini I.A., deB Richter D., Jr., 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

  47. Jobbágy E.G., Jackson R.B. The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation // Ecol Appl. 2000. V. 10(2). P. 423–436. https://doi.org/10.2307/2641104

  48. Juhos K., Madarász B., Kotroczó Z. et al. Carbon sequestration of forest soils is reflected by changes in physicochemical soil indicators – A comprehensive discussion of a long-term experiment on a detritus manipulation // Geoderma. 2021. V. 385(1). 114918. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114918

  49. Kaiser M., Ellerbrock R.H., Wulf M., Dultz S. Hierath C., Sommer M. The influence of mineral characteristics on organic matter content, composition, and stability of topsoils under long-term arable and forest land use // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2012. V. 117. G02018. https://doi.org/10.1029/2011JG001712

  50. Kalbitz K., Kaiser K. Contribution of dissolved organic matter to carbon storage in forest mineral soils // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2008. V. 171. P. 52–60. https://doi.org/10.1002/jpln.200700043

  51. Kalbitz K., Solinger S., Park J.-H., Michalzik B., Matzner E. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: A review // Soil Sci. 2000. V. 165. P. 277–304. https://doi.org/10.1097/00010694-200004000-00001

  52. Kögel-Knabner I., Guggenberger G., Kleber M., Kandeler E., Kalbitz K., Scheu S., Eusterhues K., Leinweber P. Organo-mineral associations in temperate soils: Integrating biology, mineralogy, and organic matter chemistry // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2008. V. 171. P. 61–82.https://doi.org/10.1002/jpln.20070004861

  53. Kögel-Knabner I., Rumpel C. Advances in Molecular Approaches for Understanding Soil Organic Matter Composition, Origin, and Turnover: A historical overview // Adv. Agron. 2018. V. 149. P. 1–48. https://doi.org/10.1016/bs.agron.2018.01.003

  54. Lal R. Forest soils and carbon sequestration // For. Ecol. Manag. 2005. V. 220. P. 242–258. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2005.08.015

  55. Lal R., Negassa W., Lorenz K. Carbon sequestration in soil // COSUST. 2015. V. 15. P. 79–86. https://doi.org/10.1016/j.cosust.2015.09.002

  56. Lavallee J.M., Soong J.L., Cotrufo M.F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century // Glob Change Biol. 2020. V. 26. P. 261–273. https://doi.org/10.1111/gcb.14859

  57. Lefebvre D., Williams A.G., Kirk G.J.D. et al. Assessing the carbon capture potential of a reforestation project // Sci. Rep. 2021. V. 11. 19907. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99395-6

  58. Liang C., Amelung W., Lehmann J., Kästner M. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter // Glob Change Biol. 2019. V. 25. P. 3578–3590. https://doi.org/10.1111/gcb.14781

  59. Manual on Methods and Criteria for Harmonized Sampling, Assessment, Monitoring and Analysis of the Effects of Air Pollution on Forests. Part IIIa. Sampling and Analysis of Soil. UN-ECE, CLRTAP, 2006. 26 p.

  60. Marschner B., Kalbitz K. Controls of bioavailability and biodegradability of dissolved organic matter in soils // Geoderma. 2003. V. 113. P. 211–235. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(02)00362-2

  61. Michalzik B., Kalbitz K., Park J.H., Solinger S., Matzner E. Fluxes and concentrations of dissolved organic carbon and nitrogen–a synthesis for temperate forests // Biogeochemistry. 2001. V. 52. P. 173–205. https://doi.org/10.1023/A:1006441620810

  62. Moinet G.Y.K., Hijbeek R., Vuuren D.P., Giller K.E. Carbon for soils, not soils for carbon // Glob Change Biol. 2023. V. 29(9). P. 2384–2398. https://doi.org/10.1111/gcb.16570

  63. Mukhortova L., Schepaschenko D., Shvidenko A., McCallum I., Kraxner F. Agric. For. Meteorol. 2015. V. 200. P. 97–108. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2014.09.017

  64. Ni X., Liao S., Tan S. et al. The vertical distribution and control of microbial necromass carbon in forest soils // Global Ecol Biogeogr. 2020. V. 29(10). P. 1829–1839. https://doi.org/10.1111/geb.13159

  65. Pan Y., Birdsey R.A., Fang J. et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests // Science. 2011. V. 333. P. 988–993. https://doi.org/10.1126/science.1201609

  66. Poulton P., Johnston J., Macdonald A. et al. Major limitations to achieving “4 per 1000” increases in soil organic carbon stock in temperate regions: Evidence from long-term experiments at Rothamsted Research, United Kingdom // Glob Change Biol. 2018. V. 24. P. 2563–2584. https://doi.org/10.1111/gcb.14066

  67. Rasmussen C., Heckman K., Wieder W.R., Keiluweit M., Lawrence C.R., Berhe A.A., Blankinship J.C., Crow S.E., Druhan J.L., Hicks Pries C.E., Marin-Spiotta E., Plante A.F., Schädel C., Schimel J.P., Sierra C.A., Thompson A., Wagai R. Beyond clay: towards an improved set of variables for predicting soil organic matter content // Biogeochemistry. 2018. V. 137. P. 297–306. https://doi.org/10.1007/s10533-018-0424-3

  68. Roth V.-N., Lange M., Simon C., Hertkorn N., Bucher S., Goodall T. et al. Persistence of dissolved organic matter explained by molecular changes during its passage through soil // Nat. Geosci. 2019. V. 12. P. 755–761. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0417-4

  69. Rumpel C., Kögel-Knabner I. Deep soil organic matter–a key but poorly understood component of terrestrial C cycle // Plant Soil. 2011. V. 338. P. 143–158. https://doi.org/10.1007/s11104-010-0391-5

  70. Schmidt M., Torn M., Abiven S. et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 478. P. 49–56. https://doi.org/10.1038/nature10386

  71. Schrumpf M., Schulze E., Kaiser K., Schumacher J. How accurately can soil organic carbon stocks and stock changes be quantified by soil inventories? // Biogeosci. Discuss. 2011. V. 8. P. 723–769. https://doi.org/10.5194/bgd-8-723-2011

  72. Schulze K., Borken W., Matzner E. Dynamics of dissolved organic C-14 in throughfall and soil solution of a Norway spruce forest // Biogeochemistry. 2011. V. 106(3). P. 461–473. https://doi.org/10.1007/s10533-010-9526-2

  73. Shao P., Han H., Sun J., Xie H. Effects of global change and human disturbance on soil carbon cycling in boreal forest: A review // Pedosphere. 2023. V. 33(1). P. 194–211. https://doi.org/10.1016/j.pedsph.2022.06.035

  74. Six J., Conant R.T., Paul E.A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C‑saturation of soils // Plant Soil. 2002. V. 241. P. 155–176. https://doi.org/10.1023/A:1016125726789

  75. Solly E.F., Weber V., Zimmermann S., Walthert L., Hagedorn F., Schmidt M.W.I. A Critical Evaluation of the Relationship Between the Effective Cation Exchange Capacity and Soil Organic Carbon Content in Swiss Forest Soils // Front. For. Glob. Change. 2020. V. 3. 98. https://doi.org/10.3389/ffgc.2020.00098

  76. ter Braak C.J.F. Ordination // Data analysis in community and landscape ecology. Cambridge University Press, 1995. P. 91–274.

  77. The international “4 per 1000” Initiative [Электронный ресурс]. – https://4p1000.org (дата обращения 18.06.2023).

  78. Van Groenigen J.W., Van Kessel C., Hungate B.A., Oenema O., Powlson D.S., Van Groenigen K.J. Sequestering soil organic carbon: a nitrogen dilemma // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. P. 4738–4739. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b01427

  79. van Hees P.A.W., Jones D.L., Finlay R., Godbold D.L., Lundström U.S. The carbon we do not see–the impact of low molecular weight compounds on carbon dynamics and respiration in forest soils: a review // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2004.06.010

  80. Vance E.D., Brookes P.C., Jenkinson D.S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C // Soil Biol. Biochem. 1987. V. 19. № 6. P. 703–707.

  81. Vogel H.-J., Eberhardt E., Franko U., Lang B., Ließ M., Weller U., Wiesmeier M., Wollschläger U. Quantitative Evaluation of Soil Functions: Potential and State // Front. Environ. Sci. 2019. V. 7. P. 164. https://doi.org/10.3389/fenvs.2019.00164

  82. Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E. 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

  83. Xu X., Thornton P.E., Post W.M. A global analysis of soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus in terrestrial ecosystems // Glob. Ecol. Biogeogr. 2013. V. 22(6). P. 737–749. https://doi.org/10.1111/geb.12029

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал