Transformation of the carbon budget in middle-taiga spruce forests on swamp-podzolic soils during winter clear fellings

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The paper presents the characteristics of the main components of the carbon cycle in the ecosystems of mature spruce forests: blueberry moist, polytrichum-sphagnum, and in fellings of these spruce forests on peaty podzolic gley soils. Income and expenditure items of the carbon budget of phytocenoses are assessed according to the indicators of production and destruction processes of organic matter. It has been established that the total carbon pool in the ecosystems of mature spruce forests is 160–194 t∙ha−1, of which in plants of phytocenoses 44.4–57.8%, in large wood residues (deadwood) 2.1–9.7%, in the soil including litter and mineral layer 35.8–45.9%. In the ecosystems of fellings carbon reserves of organic matter are equal to 106–113 t∙ha−1, of which in soil 62.5–72.5%, in phytocenoses plants 18.0–25.2%, in large wood residues 9.5–12.3%. The annual carbon sequestration by phytocenoses of mature spruce forests is 2.4–3.5 t∙ha−1, in felled areas – 1.8–2.2 t∙ha−1. In the accumulation of carbon in spruce forests the leading role belongs to the tree stand, and in the fellings – to ground cover plants. The amount of carbon entering with the litter is 2.0–2.1 t∙ha−1 in spruce forests, and 1.4–1.6 t∙ha−1 in fellings. The carbon released during the decomposition of the litterfall plant residues in the fellings is 0.54–0.63 t∙ha−1, which is 37.2–37.6% of the annual decomposition of the litterfall plant residues. It is shown that mature spruce forests are a place of sink and fellings is a source of carbon.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. V. Likhanova

Saint-Petersburg State Forest Technical University, Syktyvkar Forest Institute

Author for correspondence.
Email: lihanad@mail.ru
Russian Federation, Lenin st., 39, Syktyvkar, Komi Republic, 167001

K. S. Bobkova

Institute of Biology, Federal Research Center Komi Science Center, RAS

Email: bobkova@ib.komisc.ru
Russian Federation, Kommunisticheskaya st., 28, Syktyvkar, Komi Republic, 167982

References

  1. Агроклиматические ресурсы Коми АССР, 1973. М.: Гидрометеоиздат. 134 с.
  2. Аккумуляция углерода в лесных почвах и сукцессионный статус лесов, 2018 / Под ред. Лукиной Н.В. М.: Т-во науч. изд. КМК. 232 с.
  3. Алексеев В.А., Бердси Р.А., 1994. Углерод в экосистемах лесов и болот России. Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева. 173 с.
  4. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г., 2011. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. № 11. С. 1327–1333.
  5. Аристовская Т.В., 1965. Микробиология подзолистых почв. М.; Л.: Наука. 187 с.
  6. Арчегова И.Б., 1985. Почвы некоторых типов хвойных фитоценозов среднетаежной подзоны // Комплексные биогеоценологические исследования хвойных лесов европейского Северо-Востока. Тр. Коми фил. АН СССР. Сыктывкар: Изд-во Коми фил. АН СССР. С. 70–82.
  7. Атлас Коми АССР, 1964. М.: ГУГК. 112 с.
  8. Атлас почв Республики Коми, 2010 / Под ред. Добровольского Г.В., Таскаева А.И., Забоевой И.В. Сыктывкар: Коми республиканская типография. 356 с.
  9. Базилевич Н.И., 1993. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука. 293 с.
  10. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., 2008. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 381 с.
  11. Бобкова К.С., 1989. Эколого-физиологические основы продукционного процесса хвойных фитоценозов на Севере. Серия препринтов “Научные доклады”. Сыктывкар: Коми НЦ УрО АН СССР. С. 4–11.
  12. Бобкова К.С., 1994. Продуктивность и структура органической массы в спелых ельниках средней тайги Республики Коми // Биогеоценологические исследования таежных лесов. Тр. Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар: Изд-во Коми НЦ УрО РАН. С. 6–21.
  13. Бобкова К.С., Кузнецов М.А., 2022. Бюджет углерода в экосистемах среднетаежных коренных ельников // Журн. общ. биологии. Т. 83. № 6. С. 434–449.
  14. Бобкова К.С., Кузнецов М.А., Осипов А.Ф., 2015. Запасы крупных древесных остатков в ельниках средней тайги Европейского Северо-Востока // Лесн. журн. № 2. С. 9–20.
  15. Бобкова К.С., Лиханова Н.В., 2012. Вынос углерода и элементов минерального питания при сплошнолесосечных рубках древостоев ельников средней тайги // Лесоведение. № 6. С. 44–54.
  16. Бобкова К.С., Машика А.В., Смагин А.В., 2014. Динамика содержания углерода органического вещества в среднетаежных ельниках на автоморфных почвах / Отв. ред. Лукина Н.В. СПб.: Наука. 270 с.
  17. Бобкова К.С., Смольцева Н.Л., Тужилкина В.В., Артемов В.А., 1982. Круговорот азота и зольных элементов в сосново-еловом насаждении средней тайги // Лесоведение. № 5. С. 3–11.
  18. Бобкова К.С., Тужилкина В.В., 2001. Содержание углерода и калорийность органического вещества в лесных экосистемах Севера // Экология. № 1. С. 69–71.
  19. Богородская А.В., Шишкин А.С., 2014. Микробиологическая оценка состояния почв вырубок темнохвойных лесов на юге енисейского кряжа // Лесоведение. № 4. С. 67–75.
  20. Замолодчиков Д.Г., 2009. Оценка пула углерода крупных древесных остатков в лесах России с учетом влияния пожаров и рубок // Лесоведение. № 4. С. 3–15.
  21. Дымов А.А., Бобкова К.С., Тужилкина В.В., Ракина Д.А., 2012. Растительный опад в коренном ельнике и лиственно-хвойных насаждениях // Изв. вузов. Лесн. журн. № 3. С. 7–18.
  22. Дымов А.А., Лаптева Е.М., 2006. Изменение подзолистых почв на двучленных отложениях при рубках // Лесоведение. № 3. С. 42–49.
  23. Гусев И.И., 2002. Моделирование экосистем: учеб. пособие. Архангельск: Архангел. гос. тех. ун-т. 112 с.
  24. Государственный доклад “О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2022 году”, 2022. Сыктывкар: Минприроды Республики Коми. 167 с.
  25. Исаев А.С., Коровин Г.Н., 1999. Углерод в лесах северной Евразии // Круговорот углерода на территории России. М.: Мин-во науки и технологии РФ. С. 63–95.
  26. Казимиров Н.И., Морозова Р.М., 1975. Биологический круговорот веществ в ельнике черничном // Вопросы лесоведения и лесоводства в Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН. С. 51–78.
  27. Карпачевский Л.О., 2005. Экологическое почвоведение. М.: ГЕОС. 336 с.
  28. Клевенская И.Л., Наплекова Н.Н., Гантимурова Н.И., 1970. Микрофлора почв Западной Сибири. Новосибирск: Наука. 221 с.
  29. Коренные еловые леса Севера: биоразнообразие, структура, функции, 2006 / Отв. ред. Бобкова К.С., Галенко Э.П. СПб.: Наука. 337 с.
  30. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.В., Воронин П.Ю. и др., 2007. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России / Отв. ред. Заварзин Г.А. М.: Наука. 315 с.
  31. Кузнецов А.А., 2007. Изменчивость пула углерода крупных древесных остатков в ходе сукцессий лесных биогеоценозов // Изв. СПбЛТА. № 181. С. 59–65.
  32. Кузнецов М.А., 2022. Эмиссия диоксида углерода с поверхности болотно-подзолистой почвы вырубки ельника черничного влажного (средняя тайга, Республика Коми) // Мат-лы Всерос. науч. конф. с междунар. участием “Научные основы устойчивого управления лесами”. М.: ЦЭПЛ РАН. С. 234–235.
  33. Лазарева И.П., Вуоримаа Т.А., 1986. Влияние сплошных рубок леса на свойства песчаных подзолов северной Карелии // Лесоводственные и экологические последствия рубок в лесах Карелии. Петрозаводск: КФ АН СССР. С. 61–79.
  34. Леса Республики Коми, 1999 / Под ред. Козубова Г.М., Таскаева А.И. М.: Изд-во-продюсерский центр “Дизайн. Информация. Картография”. 332 с.
  35. Лесные экосистемы Енисейского меридиана, 2002 / Под ред. Плешикова Ф.И., Ваганова Е.А., Ведровой Э.Ф. и др. Новосибирск: СО РАН. 356 с.
  36. Лиханова Н.В., 2014. Роль растительного опада в формировании лесной подстилки на вырубках ельников средней тайги // Изв. вузов. Лесн. журн. № 3. С. 52–66.
  37. Лиханова Н.В., Бобкова К.С., 2019. Пулы и потоки углерода в экосистемах вырубки ельников средней тайги Республики Коми // Теор. и прикл. экология. № 2. С. 91–100.
  38. Лукина Н.В., Никонов В.В., 1996. Биохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения. Апатиты: Изд-во Кольского НЦ РАН. Ч. 1. 216 с. Ч. 2. 194 с.
  39. Макаров Б.Н., 1985. Газовый режим почвы. М.: Агропромиздат. 105 с.
  40. Манаков К.Н., Никонов В.В., 1981. Биологический круговорот минеральных элементов и почвообразование в ельниках Крайнего Севера. Л.: Наука. 196 с.
  41. Мартынюк З.П., Бобкова К.С., Тужилкина В.В., 1998. Оценка баланса углерода лесного фитоценоза // Физиология растений. Т. 45. С. 914–918.
  42. Машика А.В., 2006. Эмиссия диоксида углерода с поверхности подзолистой почвы // Почвоведение. № 12. С. 1457–1464.
  43. Методы изучения лесных сообществ, 2002. СПб.: НИИ химии СПбГУ. 240 с.
  44. Орлов А.Я., 1967. Метод определения массы корней деревьев в лесу и возможность учета годичного прироста органической массы в толще лесной почвы // Лесоведение. № 1. С. 64–69.
  45. Осипов А.Ф., Кузнецов М.А., 2010. Содержание органического углерода в болотно-подзолистых почвах хвойных лесов средней тайги // Лесоведение. № 6. С. 65–70.
  46. Паршевников А.Л., 1962. Круговорот азота и зольных элементов в связи со сменой пород в лесах средней тайги // Типы леса и почвы северной части Вологодской области. Тр. ин-та леса и древесины СО АН СССР. Л.: Ин-т леса АН СССР. Т. 52. С. 196–209.
  47. Подвезенная М.А., Рыжова И.М., 2010. Зависимость вариабельности запасов углерода в почве от пространственной структуры растительного покрова лесных биогеоценозов // Вест. МГУ. Сер. 17. Почвоведение. № 4. С. 3–9.
  48. Правила рубок главного пользования в равнинных лесах Европейской части Российской Федерации. Рослесхоз. Приказ от 31.08.93. № 226.
  49. Пугачев А.А., 2006. Годичный баланс фитомассы в экосистемах кедрового стланика на северо-востоке России // Актуальные проблемы лесного комплекса. Вып. 15. Брянск: БГИТА. С. 110–113.
  50. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И., 1968. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука. 143 с.
  51. Рожков В.А., Вагнер В.В., Когут Б.М., Конюшков Д.Е., Шеремет Б.В., 1997. Запасы органических и минеральных форм углерода в почвах России // Углерод в биоценозах. Докл. на XV ежегодных чтениях памяти акад. В.Н. Сукачева. М.: Наука. С. 5–58.
  52. Руководство по технологии и организации лесосечных работ при сплошных и не сплошных рубках, 2002. Сыктывкар: ООО НПФ “Ниокр”. 48 с.
  53. Русанова Г.В., 1975. Биологическая продуктивность и содержание химических элементов в фитомассе ельника зеленомошника // Продуктивность и круговорот элементов в фитоценозах Севера. Л.: Наука. С. 30–75.
  54. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., 2006. Структурно-функциональное состояние органического вещества почвы // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв. М.: Наука. С. 230–247.
  55. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В., Глаголев М.В., Шевченко Е.М. и др., 2001. Моделирование динамики органического вещества почв. М.: МГУ. 120 с.
  56. Смоленцева Н.Л., 1979. Роль почвенных животных и микроорганизмов в разложении опада сосново-елового насаждения средней тайги // Экология роста и развития сосны и ели на северо-востоке европейской части СССР. Тр. Коми фил. АН СССР. Сыктывкар: Изд-во Коми фил. АН СССР. С. 104–116.
  57. Стенина Т.А., 1970. Микрофлора подзолистых почв север-востока европейской части СССР. Л.: Наука. С. 92–107.
  58. Теория и практика химического анализа почв, 2006 / Под ред. Воробьевой Л.А. М.: ГЕОС. 400 с.
  59. Трофименко П.И., Трофименко Н.В., Борисов Ф.И., Зацерковный В.И., 2019. Методология исследования и профильное распределение концентрации диоксида углерода в воздухе дерново-подзолистой глееватой супесчаной почвы // Почвоведение и агрохимия. № 1 (62). С. 73–81.
  60. Уланова Н.Г., 2007. Механизмы сукцессий растительности сплошных вырубок в ельниках южной тайги // Актуальные проблемы геоботаники. III Всерос. шк.-конф. Петрозаводск: КарНЦ РАН. С. 198–211.
  61. Усольцев В.А., 2007. Биологическая продуктивность лесов Северной Евразии: методы, база данных и ее приложения. Екатеринбург: УрО РАН. 636 с.
  62. Уткин А.И., 1975. Биологическая продуктивность лесов (методы изучения и результаты) // Лесоведение и лесоводство. Сер. “Итоги науки и техники”. М.: ВИНИТИ. С. 9–189.
  63. Уткин А.И., Замолодчиков Д.Г., Честных О.В., Коровин Г.Н., Зукерт Н.В., 2001. Леса России как резервуар органического углерода биосферы // Лесоведение. № 5. С. 8–23.
  64. Федоров Ю.А., Сухоруков В.В., Трубник Р.Г., 2021. Аналитический обзор: Эмиссия и поглощение парниковых газов почвами. Экологические проблемы // Антропогенная трансформация природной среды. Т. 7. № 1. С. 6–34.
  65. Фролова Л.Н., 1961. Интенсивность выделения углекислоты с поверхности почвы сосновых и еловых лесов // Тр. Коми фил. АН СССР. № 11. С. 123–129.
  66. Хабибуллина Ф.М., 2009. Почвенная микробиота естественных и антропогенно нарушенных экосистем Северо-Востока европейской части России. Автореф. дис. … докт. биол. наук. Сыктывкар. 40 с.
  67. Чайка В.Е., 1972. Особенности микрофлоры подзолистых и тундровых почв северо-востока Европейской части СССР. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Киев. 19 с.
  68. Честных О.В., Замолодчиков Д.Г., Уткин А.И., 2004. Общие запасы биологического углерода и азота в почвах лесного фонда России // Лесоведение. № 4. С. 30–42.
  69. Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г., 2014. Углеродный бюджет лесов России // Сиб. лесн. журн. № 1. С. 69–92.
  70. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S., 2008. Microbial respiration activities of soil from different climatic regions of European Russia // Eur. J. Soil Biol. V. 44. № 2. P. 147–157.
  71. Anderson T.H., Domsch K.H., 1986. Carbon links between microbial biomass and soil organic matter // Perspectives in Ïicrobial Âcology / Eds Megusar F., Gantar M. Ljubljana: Slovene Society for Microbiology. P. 467–471.
  72. Anderson T.H., Domsch K.H., 1989. Rations of microbial biomass to total organic carbon in arable soils // Soil Biol. Biochem. V. 21. № 4. P. 471–479.
  73. Berg B., Staaf H., 1981. Leaching, accumulation and release of nitrogen in decomposing forest litter // Ecol. Bull. V. 33. P. 163–178.
  74. Berg B., Staaf H., 1987. Release of nutrients from decomposing white birch leaves and Scots pine needle litter // Pedobiologia. V.30. P. 55–63.
  75. Binkley D., Stape I., Ryan M., Bamard H., Fownes J., 1997. Age-related decline in forest ecosystem growth: An individual-tree, stand-structure hypothesis // Ecosystems. V. 5. P. 58–67.
  76. Bolin B., 1977. Changes of land biota and their importance for the carbon cycle // Science. V. 196. P. 613–615.
  77. Dahlman K.C., Kuceera C.L., 1965. Root productivity and turnover in native prairie // Ecology. V. 46. P. 40–48.
  78. Dalal R.C., Allen D.E., 2008. Greenhouse gas fluxes from natural ecosystems. Turner review // Austral. J. Bot. V. 56. P. 369–407.
  79. Knohl A., Schulze E.-D., Kolle O., Buchmann N., 2003. Large carbon uptake by an unmanaged 250-year-old deciduous forest in Central Germany // Agricult. Forest Meteorol. V. 118. P. 151–167.
  80. Kuricheva O., Mamkin V., Sandlersky R., Puzachenko J., Varlagin A., Kurbatova J., 2017. Radiative entropy production along the paludification gradient in the southern taiga // Entropy. V. 19. № 1. Art. 43. https://doi.org/10.3390/e19010043
  81. Lin H., Fan Z., Shi L., Arain A., McCaughey H., et al., 2016. The cooling trend of canopy temperature during the maturation, succession, and recovery of ecosystems // Ecosystems. V. 20. № 2. P. 406–415.
  82. Melillo J.M., Prentice I.C., Farquhar G.D., Schulze E.-D., Sala O.E., 1995. Terrestrial biotic responses to environmental change and feedbacks to climate // Climate Change Science of Climate Change / Eds Houghton J.T., Callander B.A., Varney S.K. N.-Y.: Cambr. Univ. Press. P. 444–481.
  83. Novakovskiy A.B., Elsakov V.V., 2014. Hydrometeorological database (HMDB) for practical research in ecology // Data Sci. J. V. 13. P. 57–63.
  84. Scheffer R.A., Logtestijn R.S.P., van, Verhoeven J.T.A., 2001. Decomposition of Carex and Sphagnum litter in two mesotrophic fens differing in dominant plant species // Oikos. V. 92. P. 44–54.
  85. Shvidenko A., Nilsson S., 2003. A synthesis of the impact of Russian forests on the global carbon budget for 1961– 1998 // Tellus. V. 55. P. 391–415.
  86. Stolbovoi V., 2002. Carbon in Russian soils // Climatic Change. V. 55. № 1–2. P. 131–156.
  87. Stoy P., Lin H., Novick K.A., Siqueira M., Juang J.Y., 2014. The role of vegetation on the ecosystem radiative entropy budget and trends along ecological succession // Entropy. V. 16. № 7. P. 3710–3731.
  88. Svirezhev Y.M., 2000. Thermodynamics and ecology // Ecol. Model. V. 132. № 1–2. P. 11–22.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Carbon pool of phytomass in wet bilberry (A1), long-moss-sphagnum (A2) spruce forests and in clearings of wet bilberry (B1), long-moss-sphagnum (B2) spruce forests: 1 – woody plants, 2 – ground cover plants, 3 – large woody remains, 4 – forest litter.

Download (166KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Carbon accumulation in plant products in wet bilberry (A1), long-moss-sphagnum (A2) spruce forests and in clearings of wet bilberry (B1), long-moss-sphagnum (B2) spruce forests: 1 – woody plants, 2 – ground cover plants. Carbon production, t∙ha⁻¹.

Download (193KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Return of carbon with organic matter litter in wet bilberry (A1), long-moss-sphagnum (A2) spruce forests and in clearings of wet bilberry (B1), long-moss-sphagnum (B2) spruce forests: 1 – woody plants, 2 – ground cover plants.

Download (134KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences