Carbon pools emissions in the soils of natural and post-agrogenic forest ecosystems and the dynamics of CO2 of the “BioCarbon” сarbon polygon (Novosibirsk) | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. № 72. DOI: 10.17223/19988591/72/3

Carbon pools emissions in the soils of natural and post-agrogenic forest ecosystems and the dynamics of CO2 of the “BioCarbon” сarbon polygon (Novosibirsk)

In Western Siberia, studies on carbon pools in forest ecosystems, particularly regarding carbon dioxide emissions from natural and post-agrogenic forests, are extremely limited. Therefore, the aim of this study was to compare carbon pools and examine the dynamics of CO2 emissions in natural and secondary birch forests within the “BioCarbon” carbon polygon in Novosibirsk Oblast. The research was conducted from 2022 to 2024 on test areas of the “BioCarbon” carbon polygon located at the Central Siberian Botanical Garden site, under natural birch forest and approximately 20-year-old fallow land. The test areas (TA2, natural birch forest, and TA4, secondary birch forest) are situated within the transition zone from the upper floodplain terrace of the Ob River to the subaerial complex of the denudation-accumulative Pre-Salair plain (See Fig. 1). The soils are classified as Albic Luvisols (loamic) (See Fig. 2). Bulk density, porosity, and soil moisture content were determined using the thermostatic-weight method. Total carbon and nitrogen were measured at the ISSA SB RAS testing laboratory by dry combustion using a 2400 Series II CHN analyzer. Soil organic carbon (SOC) content was determined by wet oxidation with K2Cr2O7 in 50% H2SO4 solution. Carbon pools in soils were calculated for the 0-20, 0-50, and 0-100 cm layers. Carbon pools in the litter were measured using the frame-square method according to the Ministry of Natural Resources’ recommendations. CO2 fluxes from the soil surface were measured once monthly in the morning from May to September using a portable LI-COR 8250 infrared gas analyzer. During greenhouse gas flux measurements, soil temperature and humidity sensors were used at depths of 5-10 cm. The total carbon content in the studied soils varied within a relatively narrow range, not exceeding 2.3%. Notably, the soil under the natural forest exhibited a more pronounced decrease in soil organic carbon content with depth, whereas the agrogenically transformed soil at the TA4 site showed a gradual decrease in carbon content down the profile (See Table 1). The total carbon pool in the soil under the natural birch forest was 38 t/ha in the 0-20 cm layer and 46 t/ha in the 0-50 cm layer. In contrast, under the secondary birch forest, the total carbon pool was lower in the 0-20 cm layer (33 t/ha) but exceeded that of the natural soil in the 0-50 cm layer (62 t/ha). Conversely, the carbon pool in the litter was higher under the natural forest (2.2 t/ha) than under the secondary forest (1.8 t/ha). Over the two years of observation, average CO2 emissions were minimal in May (2.1-3.3 mol/m2s). The maximum CO2 flux from the soil surface under the natural birch forest occurred in July (13.3 mol/m2s), whereas under the secondary forest, the peak emission was observed in June (10.8 mol/m2s). By September, emission values declined again (See Fig. 3). Hydrothermal conditions in the topsoil varied across the test sites. Soil properties, which influence these conditions, affect the CO2 flux from the soil surface during the growing season. This relationship is demonstrated by the dependence of CO2 flux on temperature in the 0-5 cm soil layer over two years (See Fig. 4). Thus, the incorporation of infertile soils within the Novosibirsk Scientific Center into agricultural use has led to long-term changes in their properties. The agrogenic transformation of soil properties increases the sensitivity of soil respiration to changes in hydrothermal conditions and contributes to greater variability in CO2 flux over the years. The article contains 4 Figures, 1 Tables, 50 References. The Authors declare no conflict of interest.

Download file
Counter downloads: 7

Keywords

soil temperature, postagrogenic restoration, carbon dioxide emissions, forest ecosystems, carbon pools

Authors

NameOrganizationE-mail
Sokolova Natalia A.Institute of Soil Science and Agrochemistry, SB RAS; Novosibirsk National Research State Universitynsokolova@issa-siberia.ru
Kuydina Sofia A.Institute of Soil Science and Agrochemistry, SB RAS; Novosibirsk National Research State Universitys.kuidina@g.nsu.ru
Sokolov Denis A.Institute of Soil Science and Agrochemistry, SB RASsokolovdenis@issa-siberia.ru
Всего: 3

References

Мухин В.А., Диярова Д.К., Веселкин Д.В. Влажность как фактор С02-эмиссионной активности древесного дебриса // Лесоведение. 2015. № 3. С. 208-213.
Мухин В.А., Диярова Д.К., Гитарский М.Л., Замолодчиков Д.Г. Климат и эмиссионная составляющая углеродного цикла лесных экосистем // Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды. Основные результаты и пути развития : тезисы докладов Всероссийской научной конференции (Москва, 20-22 марта 2017 г.). М. : Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, 2017. С. 128-129.
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.
Карелин Д.В., Люри Д. И., Горячкин С.В., Лунин В.Н., Кудиков А.В. Изменение почвенной эмиссии диоксида углерода в ходе постагрогенной сукцессии в чернозёмной лесостепи // Почвоведение. 2015. № 11. С. 1354-1366. doi: 10.7868/ S0032180X1511009X.
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 лёгких отложениях (Костромская область)//Почвоведение. 2016. № 1. С. 115-129. doi: 10.7868/S0032180X16010111.
Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Gallardo Lancho J.F., Oehm C.T. Evaluation of the rates of soil organic matter mineralization in forest ecosystems of temperate continental, mediterranean, and tropical monsoon climates // Eurasian Soil Science. 2012. Vol. 45. PP. 68-79. doi: 10.1134/S1064229312010085.
Иванов А.В., Замолодчиков Д.Г., Сало М.А., Кондратова А.В., Пилецкая О.А., Брянин С.В. Дыхание почв лесных экосистем юга Дальнего Востока // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1023-1033. doi: 10.31857/S0032180X23600397.
Карелин Д.В., Горячкин С.В., Кудиков А.В., Лопес де Гереню В.О., Лунин В.Н., Долгих А.В., Люри Д.И. Изменение запасов углерода и эмиссии СО2 в ходе постагрогенной сукцессии растительности на серых почвах в Европейской части России // Почвоведение. 2017. № 5. С. 580-594. doi: 10.7868/80032180X17050070.
Susyan E.A., Wirth S., Ananyeva N.D., Stolnikova E.V. Forest succession on abandoned arable soils in European Russia - Impacts on microbial biomass, fungal-bacterial ratio, and basal CO2 respiration activity // European Journal of Soil Biology. 2011. Vol. 47. PP. 169-174. doi: 10.1016/j.ejsobi.2011.04.002.
Wang Y., Wang Z.-L., Wang H., Guo C., Bao W. Rainfall pulse primarily drives litterfall respiration and its contribution to soil respiration in a young exotic pine plantation in subtropical China // Canadian Journal of Forest Research. 2012. Vol. 42. PP. 657-666. doi: 10.1139/x2012-017.
Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Честных О.В. Новая оценка баланса углерода в лесах федеральных округов Российской Федерации // Биоразнообразие и функционирование лесных экосистем. М. : Наука, 2021. С. 153-173.
Курганова И.Н., Лопес Де Гереню В.О., Галибина Н.А., Капица Е.А., Шорохова Е.В. Влияние температуры на интенсивность биогенного разложения коры осины // Сибирский экологический журнал. 2020. Т. 27, № 6. С. 792-804. doi: 10.15372/ SEJ20200610.
Лопес Де Гереню В.О., Курганова И.Н., Галибина Н.А., Капица Е.А., Шорохова Е.В. Влияние температуры и минеральных добавок азота и фосфора на процессы разложения и состав почвенно-коровых субстратов // Почвоведение. 2021. № 1. С. 45-59. doi: 10.31857/S0032180X21010081.
Зорина С.Ю., Соколова Л.Г., Казановский С.Г., Дорофеев Н.В. Изменение состава растительности и свойств почв в ходе их постагрогенного развития в лесостепной зоне Прибайкалья // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture. 2023. Т. 15, № 5. С. 74-96. doi: 10.12731/2658-6649-2023-15-5-927.
Deng L., Shangguan Zh. Afforestation drives soil carbon and nitrogen changes in China // Land Degradation and Development. 2017. Vol. 28, № 1. PP. 151-165. doi: 10.1002/ ldr.2537.
Kalinina O., Goryachkin S., Luyri D., Giani L. Chronosequential development of postagrogenic soils of different climatic zones in Russia under self-restoration // Catena. 2015. Vol. 129. PP. 18-29. doi: 10.1016/j.catena.2015.02.016.
Wang Y., Xue D., Kuzyakov Y., Wang Z.L., Hu N., Lou Y., Zhang Q., Zhang L., Zhu P., Gao H., Zhang S., Zhang H., Li D., Song Z., Kurganova I. Post-agricultural restoration of soil organic carbon pools across a climate gradient // Catena. 2021. Vol. 200. 105138. doi: 10.1016/j .catena.2020.105138.
Poeplau C., Don A. Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to different land-use changes across Europe // Geoderma. 2013. Vol. 192. PP. 189-201. doi: 10. 1016/j.geoderma.2012.08.003.
Кленов Б.М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск : Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2000. 176 с.
Методика количественного определения объема поглощений парниковых газов. Приложение № 2 к приказу Минприроды: России № 371 от 27.05.2022 г. 95 с.
ГОСТ 28268-89. Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений. М. : Стандартинформ, 1989. 8 с.
Androkhanov V.A., Sokolov D.A. Fractional composition of redox systems in soils of coal mine dumps // Eurasian Soil Science. 2012. № 45. PP. 399-403. doi: 10.1134/ S1064229312020032.
Когут Б.М., Фрид А.С. Сравнительная оценка методов определения содержания гумуса в почвах // Почвоведение. 1993. № 9. С. 119-123.
Abakumov E.V., Popov A.I. Determination of the carbon and nitrogen contents and oxidizability of organic matter and the carbon of carbonates content in one soil sample // Eurasian Soil Science. 2005. № 2. PP. 186-194.
ГОСТ 26213-2021. Почвы. Методу: определения органического вещества. М. : Стандартинформ, 2021. 12 с.
Dybzinski R., Kelvakis A., McCabe J., Panock S., Anuchitlertchon K., Vasarhelyi M., McCormack M.L., McNickle G.G., Poorter H., Trinder C., Farrior C.E. How are nitrogen availability, fine-root mass, and nitrogen uptake related empirically? Implications for models and theory // Glob. Change Biol. 2019. № 25. PP. 885-899. doi: 10.1111/ gcb.14541.
Классификация и диагностика почв России. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.
ГОСТ Р 58595-2019. Почвы. Отбор проб. М. : Стандартинформ, 2019. 6 с.
ГОСТ 17.4.4.02-2017. Охрана природы. Почвы. Методу: отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. М. : Стан-дартинформ, 2018. 10 с.
ГОСТ 17.4.3.01-2017. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М. : Стандартинформ, 2018. 3 с.
Зольников И.Д., Богуславский А.Е., Лямина В.А. Геолого-геоморфологическая основа ландшафтов Академгородка / Динамика экосистем Новосибирского Академгородка. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2013. 438 с.
Ovsepyan L., Kurganova I., Gerenyu de V.L., Kuzyakov Y. Conversion of cropland to natural vegetation boosts microbial and enzyme activities in soil // Science of Total Environment. 2020. Vol. 743. 140829. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.140829.
Lyuri D.I., Karelin D.V., Kudikov A.V., Goryachkin S.V. Changes in soil respiration in the course of the postagrogenic succession on sandy soils in the southern taiga zone // Eurasian Soil Science. 2013. Vol. 46, № 9. PP. 935-947. doi: 10.1134/S10642293 13070041.
Deng L., Wang K.B., Tang Z.S., Shangguan Z.P. Soil organic carbon dynamics following a long-term natural vegetation restoration: Evidence from stable carbon isotopes (513C) // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2016. Vol. 221. PP. 235-244. doi: 10.1016/j.agee.2016.01.048.
Kalinina O., Giani L., Goryachkin S., Lyuri D., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kuzyakov Y., Cherkinsky A., Chertov O. Post-agricultural restoration: implications for dynamics of soil organic matter pools // Catena. 2019. Vol. 181. 104096. doi: 10.1016/ j.catena.2019.104096.
Kurganova I.N., Telesnina V.M., Lopez De Guerenu V.O., Lichko V.I., Karavanova E.I. The dynamics of carbon pools and biological activity of retic albic podzols of the southern taiga during postagrogenic evolution // Eurasian Soil Science. 2021. Vol. 54, № 3. PP. 337-351. doi: 10.1134/S1064229321030108.
Laganiere J., Angers D.A., Pare D. Carbon accumulation in agricultural soils after afforestation: A meta-analysis // Global Change Biology. 2010. Vol. 16. PP. 439-453. doi: 10. 1111/j.1365-2486.2009.01930.x.
Vladychenskii A.S., Telesnina V.M., Rumyantseva K.A., Chalaya T.A. Organic matter and biological activity of postagrogenic soils in the Southern Taiga using the example of Kostroma Oblast // Eurasian Soil Science. 2013. Vol. 46 (5). PP. 518-529. doi: 10.1134/ S1064229313050141.
Del Galdo I., Six J., Peressotti A., Cotrufo M.F. Assessing the impact of land-use change on soil C sequestration in agricultural soils by means of organic matter fractionation and stable C isotopes // Global Change Biology. 2003. Vol. 9 (8). PP. 1204-1213. doi: 10. 1046/j.1365-2486.2003.00657.x.
Юрковская Т.К., Сафронова И.Н. Зональное деление растительного покрова Западной Сибири // Ботанический журнал. 2019. Т. 104, № 1. С. 3-11. doi: 10.1134/ S0006813619010113.
Шанин В.Н., Быховец С.С., Чертов О.Г., Комаров А.С. Оценка средствами имитационного моделирования влияния внешних факторов на динамику органического углерода в лесах разных типов // Лесоведение. 2018. № 5. С. 335-346. doi: 10.1134/ S0024114818050091.
Розенберг Г.С., Коломеец Э.Г., Шарая Л.С. Углеродный баланс и устойчивость лесных экосистем при глобальном потеплении (опыт прогнозного моделирования) // Успехи современной биологии. 2011. Т. 131, № 4. С. 367-381.
Курганова И.Н., Лопес Де Гереню В.О., Ипп С.Л., Каганов В.В., Хорошаев Д.А., Рухович Д.И., Сумин Ю.В., Дурманов Н.Д., Кузяков Я.В. Пилотный карбоновый полигон в России: анализ запасов углерода в почвах и растительности // Почвы и окружающая среда. 2022. Т. 5, № 2. doi: 10.31251/pos.v5i2.169.
Александрова Л., Гордеев А.С., Бабичук В.Р., Курынцева П.А., Селивановская С.Ю. Оценка запасов углерода в почве на территории карбонового полигона «Карбон - Поволжье» // Российский журнал прикладной экологии. 2023. № 4 (36). С. 12-21. doi: 10.24852/2411-7374.2023.4.12.21.
Байтурина Р.Р., Султанова Р.Р. Анализ запасов углерода в почвах на участках Карбонового полигона Республики Башкортостан // Леса России и хозяйство в них. 2024. № 1 (88). С. 93-100. doi: 10.51318/FRET.2023.88.1.009.
Байтурина Р.Р., Султанова Р.Р., Асылбаев И.Г. Оценка запаса углерода в лесной подстилке и верхнем слое почв насаждений основных лесообразующих пород // Journal of Agriculture and Environment. 2023. № 12 (40). 16. doi: 10.23649/JAE.2023. 40.24.
Королева Т.С., Шунькина Е.А. Обзор мирового опыта консервации углерода в существующих лесных резервуарах // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. 2014. № 4. С. 22-39.
Abakumov E.V., Polyakov V.I., Chukov S.N. Approaches and methods for studying soil organic matter in the carbon polygons of Russia (review) // Eurasian Soil Science. 2022. № 7. C. 849-860. doi: 10.1134/s106422932207002x.
Нургалиев Д.К., Селивановская С.Ю., Кожевникова М.В., Галицкая П.Ю. Некоторые вызовы и возможности для России и регионов в плане глобального тренда декарбонизации // Георесурсы. 2021. Т. 23, № 3. С. 8-16. doi: 10.18599/grs.2021.3.2.
Морковина С.С., Шашкин А.П. Карбоновые полигоны в лесных экосистемах: опыт и направления исследований // Инновации и технологии в лесном хозяйстве. Санкт-Петербург : материалы Всерос. научно-практической конф. Санкт-Петербург, 2024. С. 214-219. doi: 10.21178/160524.214.
 Carbon pools emissions in the soils of natural and post-agrogenic forest ecosystems and the dynamics of CO2 of the “BioCarbon” сarbon polygon (Novosibirsk) | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. №  72. DOI: 10.17223/19988591/72/3

Carbon pools emissions in the soils of natural and post-agrogenic forest ecosystems and the dynamics of CO2 of the “BioCarbon” сarbon polygon (Novosibirsk) | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. № 72. DOI: 10.17223/19988591/72/3

Download full-text version
Counter downloads: 21