Изменение содержания общего углерода, азота и фосфора в почвах таежной зоны при сельскохозяйственном использовании

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2018; : 27-41

Изменение содержания общего углерода, азота и фосфора в почвах таежной зоны при сельскохозяйственном использовании

Дубровина И. А.

https://doi.org/10.17223/19988591/41/2

Аннотация

Представлены результаты мониторингового исследования влияния сельскохозяйственного использования на содержание общего углерода, азота и фосфора в верхних горизонтах почв разного генезиса. Исследованы почвы сельскохозяйственных угодий и лесные почвы прилегающих территорий в среднетаежной подзоне Карелии. Показано, что антропогенная трансформация оказывает различное влияние на содержание основных биогенных элементов в верхних горизонтах почв в зависимости от происхождения и состава почвообразующих пород. Так, в органогенных горизонтах почв подзолистого ряда существует тенденция увеличения содержания общего углерода, азота и фосфора. В почвах с торфяными горизонтами доминирует противоположный процесс, когда при активном антропогенном воздействии в них значительно снижается содержание углерода и азота в верхних горизонтах и в целом повышается степень минерализации торфа. Антропогенное воздействие не влияет на содержание валового фосфора в торфяных почвах. Наиболее устойчивыми к антропогенным влияниям являются почвы на шунгитовых породах, где изменение содержания основных биогенных элементов незначительно.

Список литературы

1. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация. Смоленск : Ойкумена, 2003. 268 с.

2. Муха В.Д. Естественно-антропогенная эволюция почв (общие закономерности и зональные особенности). М. : КолосС, 2004. 271 с.

3. Караваева Н.А., Лебедева И.И., Скворцова Е.Б., Герасимова М.И. Генетическая концепция пахотных горизонтов и опыт их типизации // Почвоведение. 2003. № 12. С. 1413-1421.

4. Васильченко Н.И., Звягин Г.А. Проявление агрогенной трансформации в почвах сухостепной зоны Республики Казахстан // Вестник Томского государтсвенного университета. Биология. 2015. № 1 (29). С. 6-15. doi: 10.17223/19988591/29/1

5. Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А., Денисенко Е.А., Нефедова Т.Г. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М. : ГЕОС, 2010. 416 с.

6. Кечайкина И.О., Рюмин А.Г., Чуков С.Н. Постагрогенная транс формация органического вещества дерново-подзолистых почв // Почвоведение. 2011. № 10. С. 1178-1193.

7. Дубровина И.А., Тонконогов В.Д. Корректировка содержания крупномасштабной почвенной карты с использованием новой классификации почв России // Почвоведение. 2008. № 11. С. 13-22.

8. Дубровина И.А. Почвенный покров Корзинской низины в новой классификации почв России // Экология и география почв / под ред. П.В. Красильникова. Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2009. С. 91-105.

9. Канев В.В., Мокиев В.В. Трансформация свойств подзолистых почв подзоны средней тайги при освоении и окультуривании (Республика Коми) // Почвоведение. 2008. № 3. С. 349-359.

10. Poeplau C., Don A. Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to different land-use changes across Europe // Geoderma. 2013. № 192. PP. 189-201. doi: 10.1016/j. geoderma.2012.08.003.

11. Akujarvi A., Heikkinen J., Palosuo T., Liski J. Carbon budget of Finnish croplands - Effects of land use change from natural forest to cropland // Geoderma Regional. 2014. № 2-3. PP. 1-8. doi: 10.1016/j.geodrs.2014.09.003.

12. Sperow M. Estimating carbon sequestration potential on U.S. agricultural topsoils // Soil & Tillage Research. 2016. № 155. PP. 390-400. doi: 10.1016/j.still.2015.09.006.

13. Duran J., Morse J.L., Rodriguez A., Campbell J.L., Christenson L.M., Driscoll C.T., Fahey T. J., Fisk M.C., Mitchell M.J., Templer P.H., Groffman P.M. Differential sensitivity to climate change of C and N cycling processes across soil horizons in a northern hardwood forest // Soil Biology & Biochemistry. 2017. № 107. PP. 77-84. doi: 10.1016/j.soilbio.2016.12.028.

14. Batjes N.H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world // European Journal of Soil Science. 1996. № 47. PP. 151-163.

15. Smith P. Monitoring and verification of soil carbon changes under Article 3.4 of the Kyoto Protocol // Soil Use & Management. 2004. № 20. PP. 264-270. doi: 10.1079/SUM2004239.

16. Морозова Р.М., Федорец Н.Г. Земельные ресурсы Карелии и их охрана. Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2004. 152 с.

17. Морозова Р.М., Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Почвы и почвенный покров Заонежья Карелии // Труды Карельского научного центра РАН. 2004. Вып. 6. С. 69-89.

18. Агроклиматические ресурсы Карельской АССР / под ред. Г.И. Бугиновой. Л. : Гидрометеоиздат, 1974. 115 с.

19. Атлас Карельской АССР / под ред. А.Г. Дурова. М. : ГУГК СССР, 1989. 40 с.

20. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

21. Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. М. : ГЕОС, 2006. 400 с.

22. Hammer 0., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. № 4 (1). PP. 1-9.

23. Бахмет О.Н. Состав органического вещества и его запасы в почвах Карелии, сформировавшихся на коренных породах // Лесной вестник. 2015. Т. 19, № 2. С. 28-33.

24. Ефимов В.Н. Торфяные почвы и их плодородие. Л. : Агропромиздат, 1986. 254 с.

Tomsk State University Journal of Biology. 2018; : 27-41

Change in the content of total carbon, nitrogen and phosphorus in the boreal soils of the Republic of Karelia when used in agriculture

Dubrovina I. A.

https://doi.org/10.17223/19988591/41/2

Abstract

Recently, studies devoted to geochemical cycles of biogenic elements have been especially relevant in connection with global climate change. Since soil is the central link in biological cycle of substances, in many respects its condition determines the stability of terrestrial ecosystems. It is known that changes in land use lead to changes in carbon stocks and other nutrients in soils, therefore, monitoring of their content is required to implement effective control and management of soil resources. This paper presents the results of studying the effect of agricultural use on the content of total carbon, nitrogen and phosphorus in the topsoil of soils of different genesis. The studies were carried out in the Middle Taiga zone of Karelia (Eastern Fennoscandia) at four key sites (See Fig. 1). Soil profiles were located on farmlands and in the adjacent territories under forest. General sampling comprises 73 profiles. Samples were selected from the middle part of the topsoil. In thick horizons, a mixed sample was analyzed from a depth of 0-20 cm and 20 and > cm. In soil samples, the following parameters were analyzed: total nitrogen according to Kjeldahl, total phosphorus photometrically, total carbon by high-temperature catalytic combustion, and pH_KCl potentiometrically. For statistical analysis, the PAST Statistics software was used. Comparisons of mean values were performed using Student's t-test and one-way ANOVA with post-hoc analysis according to Tukey's HSD test. It is known that the moderately cold and humid climate of Karelia and the predominance of forest vegetation foster the zonal podzolic process of soil formation and waterlogging. The soil cover is characterized by a complex structure, a high degree of patchiness and shallowness. To a large extent, the soil diversity of Karelia is due to differences in soil-forming rocks and strong relief roughness. Mineral soils of agricultural lands are mainly in relation to Quaternary sediments of the last glacial period. The profile structure and the properties of mineral soils depend, to a large extent, on the texture and origin of parent rocks. Soils on sands and sandy loams (Albic / Entic Umbric Podzols), on loams and clays (Umbric Retisols), and soils on schungites (Skeletic Umbrisols) were analyzed (See Table 1). The presented data suggest that anthropogenic transformation of mineral soils leads to significant changes in structure of the profile and properties of soils. The thickness of upper horizons increases from 5 to 25 cm, strongly acidic pH (3.7-3.9) rises to slightly acidic (5.1-5.3). The content of carbon, nitrogen and phosphorus significantly increases in soils on sands and sandy loams. Mineralization of organic matter intensifies, and the content of nitrogen and phosphorus also increases reliably in soils on loams and clays. Soils on schungite rocks are less susceptible to noticeable changes during agrotransformation. Peat soils represent drained farmlands with varying degrees of transformation of lowland peat (Drainic Eutric Histosols) (See Table 2). A part of these soils (Peat soils) has preserved an undisturbed natural structure of upper horizons with a strongly acidic pH (4.3), a high content of carbon (48%) and nitrogen (1.6%) and weak decomposition of organic matter. Soils with a highly disturbed topsoil (Torfozems) have an elevated pH (5.0), a lower content of carbon (p <0.001), nitrogen (p <0.005) and a C:N ratio (p <0.01) compared to peat soils. Peat-mineral soils with peat thickness <50 cm (Histic Gleysols) have a highly disturbed topsoil with pH 4.9 and a lower content of carbon (p <0.001) and nitrogen (p <0.005) than peat soils. Thus, in cold humid conditions of Karelia under anthropogenic influence in topsoils of Al-Fe-humus and texturally-differentiated soils, there is a tendency to increasing the content of the main biogenic elements. In soils with peat horizons, the opposite process dominates when an active human impact reduces greately the content of carbon and nitrogen in the topsoil and generally increases the degree of peat mineralization. Anthropogenic influence does not affect the content of total phosphorus in peat soils. Soils on schungite rocks are most resistant to anthropogenic influences where an increase in the content of the main biogenic elements is insignificant (no statistically significant differences). The paper contains 1 Figure, 2 Tables and 24 References. Acknowledgments: The author is grateful to the staff of the Laboratory of Ecology and Geography of Soils, Institute of Biology, Karelian Research Center of the Russian Academy of Sciences (IB ХшКС RAS) TV Bogdanova, AG Kashtanova, LI Skorokhodova and AA Khomichenko for assistance in analytical studies.

References

1. Gerasimova M.I., Stroganova M.N., Mozharova N.V., Prokof'eva T.V. Antropogennye pochvy: genezis, geografiya, rekul'tivatsiya. Smolensk : Oikumena, 2003. 268 s.

2. Mukha V.D. Estestvenno-antropogennaya evolyutsiya pochv (obshchie zakonomernosti i zonal'nye osobennosti). M. : KolosS, 2004. 271 s.

3. Karavaeva N.A., Lebedeva I.I., Skvortsova E.B., Gerasimova M.I. Geneticheskaya kontseptsiya pakhotnykh gorizontov i opyt ikh tipizatsii // Pochvovedenie. 2003. № 12. S. 1413-1421.

4. Vasil'chenko N.I., Zvyagin G.A. Proyavlenie agrogennoi transformatsii v pochvakh sukhostepnoi zony Respubliki Kazakhstan // Vestnik Tomskogo gosudartsvennogo universiteta. Biologiya. 2015. № 1 (29). S. 6-15. doi: 10.17223/19988591/29/1

5. Lyuri D.I., Goryachkin S.V., Karavaeva N.A., Denisenko E.A., Nefedova T.G. Dinamika sel'skokhozyaistvennykh zemel' Rossii v XX veke i postagrogennoe vosstanovlenie rastitel'nosti i pochv. M. : GEOS, 2010. 416 s.

6. Kechaikina I.O., Ryumin A.G., Chukov S.N. Postagrogennaya trans formatsiya organicheskogo veshchestva dernovo-podzolistykh pochv // Pochvovedenie. 2011. № 10. S. 1178-1193.

7. Dubrovina I.A., Tonkonogov V.D. Korrektirovka soderzhaniya krupnomasshtabnoi pochvennoi karty s ispol'zovaniem novoi klassifikatsii pochv Rossii // Pochvovedenie. 2008. № 11. S. 13-22.

8. Dubrovina I.A. Pochvennyi pokrov Korzinskoi niziny v novoi klassifikatsii pochv Rossii // Ekologiya i geografiya pochv / pod red. P.V. Krasil'nikova. Petrozavodsk : KarNTs RAN, 2009. S. 91-105.

9. Kanev V.V., Mokiev V.V. Transformatsiya svoistv podzolistykh pochv podzony srednei taigi pri osvoenii i okul'turivanii (Respublika Komi) // Pochvovedenie. 2008. № 3. S. 349-359.

12. Sperow M. Estimating carbon sequestration potential on U.S. agricultural topsoils // Soil & Tillage Research. 2016. № 155. PP. 390-400. doi: 10.1016/j.still.2015.09.006.

14. Batjes N.H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world // European Journal of Soil Science. 1996. № 47. PP. 151-163.

15. Smith P. Monitoring and verification of soil carbon changes under Article 3.4 of the Kyoto Protocol // Soil Use & Management. 2004. № 20. PP. 264-270. doi: 10.1079/SUM2004239.

16. Morozova R.M., Fedorets N.G. Zemel'nye resursy Karelii i ikh okhrana. Petrozavodsk : KarNTs RAN, 2004. 152 s.

17. Morozova R.M., Fedorets N.G., Bakhmet O.N. Pochvy i pochvennyi pokrov Zaonezh'ya Karelii // Trudy Karel'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2004. Vyp. 6. S. 69-89.

18. Agroklimaticheskie resursy Karel'skoi ASSR / pod red. G.I. Buginovoi. L. : Gidrometeoizdat, 1974. 115 s.

19. Atlas Karel'skoi ASSR / pod red. A.G. Durova. M. : GUGK SSSR, 1989. 40 s.

20. Shishov L.L., Tonkonogov V.D., Lebedeva I.I., Gerasimova M.I. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii. Smolensk : Oikumena, 2004. 342 s.

21. Teoriya i praktika khimicheskogo analiza pochv / pod red. L.A. Vorob'evoi. M. : GEOS, 2006. 400 s.

22. Hammer 0., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis // Palaeontologia Electronica. 2001. № 4 (1). PP. 1-9.

23. Bakhmet O.N. Sostav organicheskogo veshchestva i ego zapasy v pochvakh Karelii, sformirovavshikhsya na korennykh porodakh // Lesnoi vestnik. 2015. T. 19, № 2. S. 28-33.

24. Efimov V.N. Torfyanye pochvy i ikh plodorodie. L. : Agropromizdat, 1986. 254 s.

Изменение содержания общего углерода, азота и фосфора в почвах таежной зоны при сельскохозяйственном использовании

Аннотация

Change in the content of total carbon, nitrogen and phosphorus in the boreal soils of the Republic of Karelia when used in agriculture

Abstract

События