Water-Soluble Components of Soil Organic Matter of Forest Litter in Podzolic Soils of Chronological Series of Cuttings

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The composition of water extracts and distribution of low-molecular-weight water-soluble organic compounds (WOC) in forest litter of native bilberry-green-moss spruce forest (TP-1) and deciduous-coniferous biocenoses of 12 (TP-2) and 43 years (TP-3), formed after clear-cut logging (middle taiga subzone, the Komi Republic) were studied using a high-temperature catalytic oxidation methods (the TOC-VCPH total carbon analyzer), gas chromatography and chromatography-mass spectrometry. It was found that forest litter on the plots TP-1 and TP-2 is characterized by a similar composition of plant residues (coniferous litter, moss destruction products). They have similar pH values of water extracts, total nitrogen (Ntot) and carbon content of water-soluble compounds (CWSC). The Plot TP-3 differs in composition and morphology of forest litter represented by birch and aspen leaf litter of different decomposition stages, which is reflected in an increase in the content of total carbon (Ctot), Ntot, CWSC, as well as a decrease in the acidity. The complex of identified LMWOC is represented by 25 compounds as 12 carboxylic acids, 9 carbohydrates, 4 alcohols. The main contribution to their composition is made by carbohydrates (hexoses). For forest litter in soils of felling sites (TP-2, TP-3), an increase in the proportion of alcohols, especially in the fermentation sub-horizon (O2), and a decrease in the proportion of sugars were observed. In the native spruce forest (TP-1), there is a well-defined tendency for the share of acids and alcohols to decrease downward the litter (in sequence O1→O2→O3), while the share of sugars increases.

About the authors

N. N. Bondarenko

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: BondNikropolNik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5609-3283
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. M. Lapteva

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: BondNikropolNik@mail.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. V. Kyzyurova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: BondNikropolNik@mail.ru
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

E. M. Perminova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: BondNikropolNik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8650-2524
Russian Federation, Syktyvkar, 167982

References

  1. Абакумов Е.В. Накопление и трансформация органического вещества на разновозрастных отвалах песчаного карьера // Почвоведение. 2008. № 8. С. 955–963.
  2. Атлас почв Республики Коми / Под ред. Добровольского Г.В. и др. Сыктывкар: Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2010. 355 с.
  3. Богатырев Л.Г., Смагин А.В., Акишина М.М., Витязев В.Г. Географические аспекты функционирования лесных подстилок // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2013. № 1. С. 30–36.
  4. Ваганов Е.А., Порфирьев Б.Н., Широв А.А., Колпаков А.Ю., Пыжев А.И. Оценка вклада российских лесов в снижение рисков климатических изменений // Экономика региона. 2021. Т. 17. Вып. 4. С. 1096–1109. https://doi.org/10.17059/ekon.reg.2021-4-4
  5. Ведрова Э.Ф., Мухортова Л.В., Метелева М.К. Трансформация органического вещества подстилки в лесных культурах // Лесоведение. 2018. № 1. С. 24–36. https://doi.org/10.7868/S0024114818010023
  6. Виноградова Ю.А., Лаптева Е.М., Перминова Е.М., Анисимов С.С., Новаковский А.Б. Микробные сообщества подзолистых почв на вырубках среднетаежных еловых лесов // Известия Самарского НЦ РАН. 2014. № 5. С. 74–80.
  7. Государственный доклад “О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2022 году”. Сыктывкар: Минприроды Республики Коми, 2023. 163 с.
  8. Дубровина И.А., Мошкина Е.В., Туюнен А.В., Геникова Н.В., Карпечко А.Ю., Медведева М.В. Динамика свойств почв и экономические запасы углерода при различных типах землепользования (средняя тайга Карелии) // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1112–1125. https://doi.org/10.31857/S0032180X22090052
  9. Дымов А.А. Влияние сплошных рубок в бореальных лесах России на почвы (обзор) // Почвоведение. 2017. № 7. С. 787–798. https://doi.org/10.7868/S0032180X17070024
  10. Дымов А.А., Бобкова К.С., Тужилкина В.В., Ракина Д.А. Растительный опад в коренном ельнике и лиственно-хвойных насаждениях // Лесной журнал. 2012. № 3. С. 7–18.
  11. Дымов А.А., Милановский Е.Ю. Изменение органического вещества таежных почв в процессе естественного лесовозобновления растительности после рубок (средняя тайга Республики Коми) // Почвоведение. 2014. № 1. С. 39–47. https://doi.org/10.7868/S0032180X14010043
  12. Дымов А.А., Старцев В.В. Изменение температурного режима подзолистых почв в процессе естественного лесовозобновления после сплошнолесосечных рубок // Почвоведение. 2016. № 5. С. 599–608. https://doi.org/10.7868/S0032180X16050038
  13. Иванова Е.А. Формирование и разложение древесного опада в лесных экосистемах в фоновых условиях и при аэротехногенном загрязнении // Вопросы лесной науки. 2021. Т. 4. № 3. С. 1–52. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202143-87
  14. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв (обзор литературы) // Почвоведение. 2013. № 8. С. 924–936. https://doi.org/10.7868/S0032180X13080042
  15. Караванова Е.И., Астайкина А.А. Свойства водорастворимых органических веществ, выделенных из почв методами центрифугирования и вакуумной фильтрации // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 1. С. 26–33.
  16. Караванова Е.И., Одинцов П.Е., Степанов А.А. Закономерности минерализации органических веществ почвенных растворов подзолистой почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2019. № 3. С. 3–10.
  17. Карпухин А.И., Яшин И.М., Черников В.А. Формирование и миграция комплексов водорастворимых органических веществ с ионами тяжелых металлов в таежных ландшафтах Европейского Севера // Известия ТСХА. 1993. № 2. С. 107–126.
  18. Лаптева Е.М., Бондаренко Н.Н. Изменение гумусного состояния среднетаёжных подзолистых почв под влиянием сплошнолесосечных рубок // Теоретическая и прикладная экология. 2015. № 1. С. 34–43. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2015-1-034-043
  19. Лаптева Е.М., Втюрин Г.М., Бобкова К.С., Каверин Д.А., Дымов А.А., Симонов Г.А. Изменение почв и почвенного покрова еловых лесов после сплошнолесосечных рубок // Сибирский лесной журнал. 2015. № 5. С. 64–76. https://doi.org/10.15372/SJFS20150505
  20. Лиханова Н.В. Роль растительного опада в формировании подстилки на вырубках ельников средней тайги // Известия ВУЗов. Лесной журнал. 2014. № 3. С. 50–66.
  21. Лиханова И.А, Перминова Е.М., Шушпанникова Г.С., Железнова Г.В., Пыстина Т.Н., Холопов Ю.В. Динамика растительности после сплошнолесосечных рубок ельников черничных (среднетаежная подзона европейского северо-востока России) // Растительность России. 2021. № 40. С. 108–136. https://doi.org/10.31111/vegrus/2021.40.108
  22. Масютенко Н.П. Трансформация органического вещества в черноземных почвах ЦЧР и система его воспроизводства. М.: Россельхозакадемия, 2012. 150 с.
  23. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. 2004. № 8. С. 918–926.
  24. Осипов А.Ф., Тужилкина В.В., Дымов А.А., Бобкова К.С. Запасы фитомассы и органического углерода среднетаёжных лесов ельников при восстановлении после сплошнолесосечной рубки // Известия РАН. Сер. биологическая. 2019. № 2. С. 215–224. https://doi.org/10.1134/S0002332919020103
  25. Перминова Е.М., Бондаренко Н.Н., Щемелинина Т.Н., Лаптева Е.М. Биохимическая активность подзолистых почв на вырубках среднетаёжных еловых лесов // Теоретическая и прикладная экология. 2023. № 1. С. 56–66. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2023-1-056-066
  26. Перминова Е.М., Виноградова Ю.А., Щемелинина Т.Н., Лаптева Е.М. Каталазная активность подзолистых почв и ее изменение при естественном лесовосстановлении на вырубках среднетаежных лесов // Известия Самарского НЦ РАН. 2016. Т. 18. № 1. С. 27–33.
  27. Путеводитель научной почвенной экскурсии. Подзолистые суглинистые почвы разновозрастных вырубок (подзона средней тайги). Сыктывкар, 2007. 84 с.
  28. Семёнов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  29. Соколова Т.А. Низкомолекулярные органические кислоты в почвах: источники, состав, содержание, функции в почвах (обзор) // Почвоведение. 2020. № 5. С. 559–575. https://doi.org/10.31857/s0032180x20050159
  30. Тулина А.С., Семенов В.М. Оценка чувствительности минерализуемого пула почвенного органического вещества к изменению температуры и влажности // Почвоведение. 2015. № 8. С. 952–962. https://doi.org/10.7868/S0032180X15080109
  31. Чупрова В.В., Жукова И.В. Водорастворимое органическое вещество в почвах склонового агроландшафта Красноярской лесостепи // Вестник КрасГАУ. 2017. № 9. С. 140–149. https://sciup.org/140224274
  32. Шамрикова Е.В. Кислотность почв таежной и тундровой зон Европейского Северо-Востока России. СПб.: Наука, 2013. 153 с.
  33. Шамрикова Е.В., Груздев И.В., Пунегов В.В., Ванчикова Е.В., Ветошкина А.А. Качественный анализ водных вытяжек из подзолистых почв Республики Коми на содержание органических соединений хромато-масс-спектроскопическим методом // Вода: химия и экология. 2011. № 11. С. 58–63.
  34. Шамрикова Е.В., Кубик О.С., Денева С.В., Пунегов В.В. Состав водорастворимой фракции почв побережья Баренцева моря: органический углерод и азот, низкомолекулярные компоненты // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1322–1338. https://doi.org/10.1134/S0032180X19110108
  35. Яшин И.М., Атенбеков Р.А., Черноков В.А., Васенев И.И. Экологическая роль водорастворимых органических веществ в гумусообразовании и миграции в почвах таежно-лесной зоны // Известия ТСХА. 2018. № 4. С. 32–45.
  36. Chen Yong-liang, Guo Yu-qiang, Han Shi-jie, Zou Chun-Yu-mei, Cheng Guo-ling. Effect of root derived organic acids on the activation of nutrients in the rhizosphere soil // J. Forest. Res. 2002. V. 13(2). P. 115–118.
  37. Falsone G., Celi L., Caimi A., Simonov G., Bonifacio E. The effect of clear cutting on podzolisation and soil carbon dynamics in boreal forests (Middle Taiga zone, Russia) // Geoderma. 2012. V. 177-178. P. 27–38. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2012.01.036
  38. Gmach M.R., Cherubin M.R., Kaiser K., Cerri C.E.P. Processes that influence dissolved organic matter in the soil: a review // Scientia Agricola. 2020. V. 77. https://doi.org/10.1590/1678-992x-2018-0164
  39. Kaiser K., Kaupenjohann M., Zech W. Sorption of dissolved organic carbon in soil: effects of soil sample storage, soil-to-solution ratio, and temperature // Geoderma. 2001. V. 99. P. 317–328.
  40. Kalbitz K., Solinger S., Park J.-H., Michalzik B., Matzner E. Сontrols on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review // Soil Science. 2000. V. 165(4). Р. 277–304. https://doi.org/10.1097/00010694-200004000-00001
  41. McCarthy J.F. Carbon fluxes in soil: long term sequestration in deeper soil horizons // J. of Geographical Sci. 2005. V. 15(2). P. 149–154. https://doi.org/10.1007/BF02872680
  42. Merilä P., Malmivaara-Lämsä M., Spetz P., Stark S., Vierikko K., Derome J., Fritze H. Soil organic matter quality as a link between microbial community structure and vegetation composition along a successional gradient in a boreal forest // Appl. Soil Ecology. 2010. V. 46(2). P. 259–267. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2010.08.003
  43. Nave L.E., Vance E.D., Swanston C.W., Curtis P.S. Harvest impact on soil carbon storage in temperate forest // Forest Ecology Management. 2010. V. 259. P. 857–866. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2009.12.009
  44. Qiming L., Shijie W., Hechun P., Ziyuan O. The variation of soil organic matter in a forest-cultivation sequence traced by stable carbon isotopes // Chin. J. Geochem.. 2003. V. 22(1). P. 83–88. https://doi.org/10.1007/BF02831548
  45. Rizinjirabake F., Tenenbaum D., Pilesjo P. Data for assessment of soil water extractable and percolation water dissolved organic carbon in watersheds // Data in Brief. 2019. V. 27(1). P. 104779. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.104779
  46. Scharlemann J.P., Tanner E.V., Hiederer R., Kapos V. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool // Carbon Manage. 2014. V. 5. Р. 81–91. https://doi.org/10.4155/cmt.13.77
  47. Strobel B.W. Influence of vegetation on low-molecular-weight carboxylic acids in soil solution – a review // Geoderma. 2001. V. 99. P. 169–198. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(00)00102-6
  48. Szymanski W. Quantity and chemistry of water-extractable organic matter in surface horizons of Arctic soils under different types of tundra vegetation – A case study from the Fuglebergsletta coastal plain (SW Spitsbergen) // Geoderma. 2017. V. 305. Р. 30–39. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.038
  49. Uroz S., Buee M., Deveau A., Mieszkin S., Martin F. Ecology of the forest microbiome: Highlights of temperate and boreal ecosystems // Soil Biol. Biochem. 2016. V. 103. P. 471–488. http://dx.doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.09.006
  50. Zsolnay A. Dissolved organic matter: artefacts, definitions and functions // Geoderma. 2003. V. 113. P. 187–209. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(02)00361-0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Carbon fraction of identified acids in the composition of water-soluble compounds of acid nature in sub-horizons of forest understory soils of bilberry-green spruce (PP-1), deciduous spruce young growth (PP-2) and mature birch mixed herbaceous forest (PP-3): 1 - 3,4-dioxybenzoic acid, 2 - 3-hydroxybutyric acid, 3 - malic acid, 4 - glyceric acid, 5 - 2,3,4-trihydroxybutanoic acid, 6 - galactonic acid, 7 - ribonic acid, 8 - 2-hydroxyacetic acid, 9 - 2-hydroxypropanoic acid, 10 - valerian acid, 11 - hexadionic acid, 12 - butanedioic acid.

Download (305KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Carbon fraction of identified carbohydrates in sub-horizons of forest understory soils of bilberry-green spruce forest (PP-1), deciduous young spruce forest (PP-2) and mature mixed birch forest (PP-3): 1 - sucrose, 2 - glucose, 3 - D-monopyranose, 4 - D-fructose, 5 - galactopyranose, 6 - D-riboturanose, 7 - D-ribofuranose, 8 - D-ribose, 9 - arabinose.

Download (312KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences