Чувствительность почвенных свойств к изменению типа землепользования с пашни на залежь

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для оценки скорости изменения свойств почв (содержания органического углерода (Сорг) и общего азота (Nобщ), скорости микробного дыхания и активности гидролитических ферментов) в ходе их постагрогенного развития исследовали хроноряд серых почв (Haplic Luvisol) в лесостепной зоне Восточной Сибири, включающий пашню, 7 и 25-летние залежи и естественный суходольный луг. Прекращение распашки (залежный режим использования почв) и восстановление растительности ведут к увеличению поступления органических веществ в почву. Этот процесс обусловливает двукратный прирост запасов углерода (Сstock) и азота (Nstock) в верхних 10 см залежных почв по сравнению с пахотными почвами, несмотря на увеличение микробной и ферментативной активности почв. Соотношение скоростей изменения почвенных свойств, отвечающих за накопление и разложение почвенного органического вещества, определяет статус постагрогенной почвы как стока или источника С. Скорость изменения почвенных свойств в ходе постагрогенного развития оценивали по их чувствительности к изменению землепользования, по относительному росту содержания Сорг в почве. Наименее чувствительными к изменению землепользования являются содержание Сорг и Nобщ в составе органо-минеральной фракции органического вещества и величина pH. Содержание водорастворимого азота (Nраств), Cорг и Nобщ в составе свободной и окклюдированной фракций органического вещества, активность β-глюкозидазы и хитиназы являются наиболее чувствительными к изменению землепользования. Восстановление почвенных свойств, чувствительных к изменению землепользования, в верхних 10 см почвы завершается в течение первого десятилетия после прекращения распашки земель, тогда как для восстановления менее чувствительных свойств требуется более 20 лет.

Об авторах

Н. П. Самохина

Научно-технологический университет “Сириус”; Тюменский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: samokhina_np@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-0608-6506
Россия, Олимпийский пр., 1, Федеральная территория Сириус, 354340; ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003

Е. А. Филимоненко

Научно-технологический университет “Сириус”; Тюменский государственный университет

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, Олимпийский пр., 1, Федеральная территория Сириус, 354340; ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003

И. Н. Курганова

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Институтская, 2, Московская область, Пущино, 142290

В. О. Лопес де Гереню

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Институтская, 2, Московская область, Пущино, 142290

А. Н. Мальцева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Институтская, 2, Московская область, Пущино, 142290

А. К. Ходжаева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Институтская, 2, Московская область, Пущино, 142290

С. Ю. Зорина

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН – Иркутский научный центр

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Лермонтова, 132, Иркутск, 664033

Л. Г. Соколова

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН – Иркутский научный центр

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Лермонтова, 132, Иркутск, 664033

Н. В. Дорофеев

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН – Иркутский научный центр

Email: samokhina_np@mail.ru
Россия, ул. Лермонтова, 132, Иркутск, 664033

Я. В. Кузяков

Университет Георга Аугуста; Российский университет дружбы народов

Email: samokhina_np@mail.ru
Германия, Бузгенвег, 2, Геттинген, 37077; ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, 117198 Россия

Список литературы

  1. Артемьева З.С., Рыжова И.М., Силёва Т.М., Ерохова А.А. Стабилизация органического углерода в микроагрегатах дерново-подзолистых почв в зависимости от характера землепользования // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2013. № 3. С. 19–26.
  2. Артемьева З.С., Федотов Г.Н. Состав функциональных пулов легкоразлагаемого органического вещества автоморфных зонального ряда почв центра русской равнины // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2013. № 4. С. 3–10.
  3. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. № 2. С. 205–210.
  4. Воробьева Г.А. Почва как летопись природных событий Прибайкалья: проблемы эволюции и классификации почв. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2010. 205 с.
  5. Журавлева А.И., Алифанов В.М., Благодатская Е.В. Влияние контрастных трофических условий на величины затравочного эффекта в серых лесных почвах // Почвоведение. 2018. № 2. С. 203–210.
  6. Иркутская область: экологические условия развития. Атлас. Иркутск: Роскартография, Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2004. 90 с.
  7. Когут Б.М., Семенов В.М., Артемьева З.С., Данченко Н.Н. Дегумусирование и почвенная секвестрация углерода // Агрохимия. 2021. № 5. С. 3–13. https://doi.org/10.31857/S0002188121050070
  8. Кудеяров В.Н. Современное состояние углеродного баланса и предельная способность почв к поглощению углерода на территории России // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1049–1060. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090087
  9. Носонов А. М., Чернобровкина В. А. Трансформация систем использования земель в регионах России // Известия Сарат. ун-та. Сер. Науки о Земле. 2024. Т. 24. № 2. С. 92–100. https://doi.org/10.18500/1819-7663-2024-24-2-92-100
  10. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева. 2008. 182 с.
  11. 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. https://doi.org/10.31251/pos.v6i1.199
  12. Хазиев Ф.Х. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2015. Т. 10. № 2. С. 14–24.
  13. Якушев А.В., Журавлева А.И., Кузнецова И.Н. Влияние длительной и кратковременных засух на гидролитические ферменты серой почвы // Почвоведение. 2023. № 6. C. 745–757. https://doi.org/10.31857/S0032180X2260130X
  14. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. № 3. P. 215–221. https://doi.org/10.1016/0038-0717(78)90099-8
  15. Anderson T., Domsch K. The metabolic quotient for CO2 (qCO2) as a specific activity parameter to assess the effects of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393–395. https://doi.org/10.1016/0038-0717(93)90140-7
  16. Blagodatskaya Е., Kuzyakov Y. Mechanisms of real and apparent priming effects and their dependence on soil microbial biomass and community structure: critical review // Biol. Fertil. Soils. 2008. V. 45. P. 115–131. https://doi.org/10.1007/s00374-008-0334-y
  17. Chazdon R., Lindenmayer D., Guariguata M., Crouzeilles R., Benayas J., Chavero E. Fostering natural forest regeneration on former agricultural land through economic and policy interventions // Environ. Res. Lett. 2020. V. 15. P. 043002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab79e6
  18. Christensen B.T. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates // Adv. Soil Sci. 1992. V. 20. P. 1–90. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-2930-8_1
  19. Cotrufo M.F., Wallenstein M.D., Boot C.M., Denef K., Paul E. The Microbial Efficiency‐Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs form stable soil organic matter? // Global Change Biol. 2013. V. 19. №. 4. P. 988–995. https://doi.org/10.1111/gcb.12113
  20. Deng L., Peng C., Huang C., Wang K., Liu Q., Liu Y., Hai X., Shangguan Z. Drivers of soil microbial metabolic limitation changes along a vegetation restoration gradient on the Loess Plateau, China // Geoderma. 2019. V. 353. P. 188–200. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.06.037
  21. Fontaine S., Barot S., Barré P., Bdioui N, Mary B., Rumpel C. Stability of organic carbon in deep soil layers controlled by fresh carbon supply // Nature. 2007. V. 450. P. 277–280. https://doi.org/10.1038/nature06275
  22. Guillaume T., Maranguit D., Murtilaksono K., Kuzyakov Y. Sensitivity and resistance of soil fertility indicators to land-use changes: new concept and examples from conversion of Indonesian rainforest to plantations // Ecological Indicators. 2016. V. 67. P. 49–57. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.02.039
  23. Gunina A., Kuzyakov Y. Pathways of litter C by formation of aggregates and SOM density fractions: implications from 13C natural abundance // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 71. P. 95–104.
  24. Guo L.B., Gifford R.M. Soil carbon stocks and land use change: a meta-analysis: soil carbon stocks and land use change // Global Change Biol. 2002. V. 8. P. 345–360. https://doi.org/10.1046/j.1354-1013.2002.00486.x
  25. Ivashchenko K.V., Ananyeva N.D., Vasenev V.I., Kudeyarov V.N., Valentini R. Biomass and respiration activity of soil microorganisms in anthropogenically transformed ecosystems (Moscow region) // Eurasian Soil Sci. 2014. V. 47. P. 892–903. https://doi.org/10.1134/S1064229314090051
  26. John B., Yamashita T., Ludwig B., Flessa H. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use // Geoderma. 2005. V. 128. P. 63–79. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.12.013
  27. Kalinina O., Cherkinsky A., Chertov O.G., Goryachkin S., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Lyuri D., Kuzyakov Y., Giani L. Post-agricultural restoration: Implications for dynamics of soil organic matter pools // Catena. 2019. V. 181. 104096. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.104096
  28. Kalinina O., Chertov O., Frolov P., Goryachkin S., Kuner P., Küper J., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Lyuri D., Rusakov A., Kuzyakov Y., Giani L. Alteration process during the post-agricultural restoration of Luvisols of the temperate broad-leaved forest in Russia // Catena. 2018. V. 171. P. 602–612. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.08.004
  29. Kurganova I., Merino A., Lopes de Gerenyu V., Barros N., Kalinina O., Giani L., Kuzyakov Y. Mechanisms of carbon sequestration and stabilization by restoration of arable soils after abandonment: A chronosequence study on Phaeozems and Chernozems // Geoderma. 2019. V. 354. P. 113882. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.113882
  30. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Mostovaya A.S., Ovsepyan L.A., Telesnina V.M., Lichko V.I., Baeva Yu.I. Effect of Reforestation on Microbiological Activity of Postagrogenic Soils in European Russia // Contemp. Probl. Ecol. 2018. V. 11. P. 704–718. https://doi.org/10.1134/S1995425518070089
  31. Kurganova I.N., Telesnina V.M., Lopes de Gerenyu V.O., Lichko V.I., Karavanova E.I. The Dynamics of Carbon Pools and Biological Activity of Retic Albic Podzols in Southern Taiga during the Postagrogenic Evolution // Eurasian Soil Sci. 2021. V. 54. P. 337–35. https://doi.org/10.1134/S1064229321030108
  32. Kurganova I.N., Telesnina V.M., Lopes de Gerenyu V.O., Lichko V.I., Ovsepyan L.A. Changes in the Carbon Stocks, Microbial and Enzyme Activities of Retic Albic Podzol in Southern Taiga during Postagrogenic Evolution // Eurasian Soil Sci. 2022. V. 55. P. 895–910. https://doi.org/10.1134/S1064229322070079
  33. Kuzyakov Y., Gunina A., Zamanian K., Tian J., Luo Y., Xu X., Yudina A., Aponte H., Alharbi H., Ovsepyan L., Kurganova I., Ge T., Guillaume T. New approaches for evaluation of soil health, sensitivity and resistance to degradation // Frontiers of Agricultural Sci. Engineer. 2020 V. 7. P. 282–288. https://doi.org/10.15302/J-FASE-2020338
  34. Lagomarsino A., Grego S., Kandeler E. Soil organic carbon distribution drives microbial activity and functional diversity in particle and aggregate-size fractions // Pedobiologia. 2012. V. 55. P. 101–110. https://doi.org/10.1016/j.pedobi.2011.12.002
  35. Liang B.C., Balser T. Microbial production of recalcitrant organic matter in global soils: implications for productivity and climate policy // Nat. Rev. Microbiol. 2011. V. 9. P. 75. https://doi.org/10.1038/nrmicro2386-c1
  36. Liang B.C., McConkey B.G., Schoenau J., Curtin D., Campbell C.A., Moulin A.P., Lafond G.P., Brandt S.A., Wang H. Effect of tillage and crop rotations on the light fraction organic carbon mineralization in Chernozemic soils of Saskatchewan // Can. J. Soil Sci. 2003. V. 83. P. 65–72. https://doi.org/10.4141/S01-083
  37. Lu Q., An Z., Zhang B., Lu X., Mao X., Li J., Chang S., Liu Y., Fu X. Optimizing tradeoff strategies of soil microbial community between metabolic efficiency and resource acquisition along a natural regeneration chronosequence // Sci. Total Environ. 2024. V. 946. P. 174337. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174337
  38. Marx M-C., Wood M., Jarvis S.C. A microplate fluorometric assay for the study of enzyme diversity in soils // Soil Biol. Biochem. 2001. V. 33. P. 1633–1640. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(01)00079-7
  39. Mayer M., Prescott C.E., Abaker W.E., Augusto L., Cécillon L., Ferreira G.W., Vesterdal L. Tamm Review: Influence of forest management activities on soil organic carbon stocks: A knowledge synthesis // Forest Ecol. Managem. 2020. V. 466. P. 118–127. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118127
  40. Ovsepyan L., Kurganova I., L. de Gerenyu V., Kuzyakov Y. Conversion of cropland to natural vegetation boosts microbial and enzyme activities in soil // Sci. Total Environ. 2020. V. 743. P. 140829. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140829
  41. Ovsepyan L., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kuzyakov Ya. Recovery of organic matter and microbial biomass after abandonment of degraded agricultural soils: the influence of climate // Land Degradation and Development. 2019. V. 30. P. 1861–1874. https://doi.org/10.1002/ldr.3387
  42. Ovsepyan L.A., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Rusakov A.V., Kuzyakov Ya.V. Changes in the Fractional Composition of Organic Matter in the Soils of the Forest–Steppe Zone during Their Postagrogenic Evolution // Eurasian Soil Sci. 2020. V. 53. P. 50–61. https://doi.org/10.1134/S1064229320010123
  43. Potapov P., Turubanova S., Hansen M.C., Tyukavina A., Zalles V., Khan A., Song X., Pickens A., Shen Q., Cortez J. Global maps of cropland extent and change show accelerated cropland expansion in the twenty-first century // Nature Food. 2022. V. 3. P. 19–28. https://doi.org/10.1038/s43016-021-00429-z
  44. Rasmussen C., Southard R.J., Horwath W.R. Mineral control of organic carbon mineralization in a range of temperate conifer forest soils // Globe Change Biol. 2006. V. 12. P. 834–847. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01132.x
  45. Ren W., Banger K., Tao Bo., Yang J., Huang Y., Tian H. Global pattern and change of cropland soil organic carbon during 1901-2010: roles of climate, atmospheric chemistry, land use and management // Plant Soil Sci. Faculty Publ. 2020. V. 152. P. 59–69. https://doi.org/10.1016/j.geosus.2020.03.001
  46. Singh K., Singh B., Singh R.R. Changes in physico-chemical, microbial and enzymatic activities during restoration of degraded sodic land: ecological suitability of mixed forest over monoculture plantation // Catena. 2012. V. 96. P. 57–67. https://doi.org/10.1016/j.catena.2012.04.007
  47. Sollins P., Homann P., Caldwell B.A. Stabilization and destabilization of soil organic matter: mechanisms and controls // Geoderma. 1996. V. 74. P. 65–105.
  48. Sun T., Zhou J., Shi L., Feng W., Dippold M.A., Zang H., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kalinina O., Giani L., Kuzyakov Y. Microbial growth rates, carbon use efficiency and enzyme activities during post-agricultural soil restoration // Catena. 2022. V. 214. P. 106226. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106226
  49. Walker T., Bais H., Grotewold E., Vivanco J. Root Exudation and Rhizosphere Biology // Plant Physiology. 2003. V. 132. P. 44–51. https://doi.org/10.1104/pp. 102.019661
  50. Wang X., Li Y., Wang L., Duan Y., Yao B., Chen Y., Cao W. Soil extracellular enzyme stoichiometry reflects microbial metabolic limitations in different desert types of northwestern China // Sci. Total Environ. 2023. V. 874. 162504. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162504
  51. Weissgerber M., Chanteloup L., Bonis A. Carbon stock increase during post-agricultural succession in central France: no change of the superficial soil stock and high variability within forest stages // New Forests. 2024. V. 55. P. 1533–1555. https://doi.org/10.1007/s11056-024-10044-y
  52. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th edition. International Union of Soil Sciences (IUSS). Vienna, 2022.
  53. Wu D., Ren C., Ren D., Tian Y., Li Y., Wu C., Li Q. New insights into carbon mineralization in tropical paddy soil under land use conversion: coupled roles of soil microbial community, metabolism, and dissolved organic matter chemodiversity // Geoderma. 2023. V. 432. P. 116393. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116393
  54. Yin H.J., Li Y.F., Xiao J., Xu Z.F., Cheng X.Y., Liu Q. Enhanced Root Exudation Stimulates Soil Nitrogen Transformations in a Subalpine Coniferous Forest under Experimental Warming // Glob. Chang. Biol. 2013. V. 19. P. 2158–2167. https://doi.org/10.1111/gcb.12161
  55. Zhang W., Xu Y., Gao D., Wang X., Liu W., Deng J., Han X., Yang G, Feng Y., Ren G. Ecoenzymatic stoichiometry and nutrient dynamics along a revegetation chronosequence in the soils of abandoned land and Robinia pseudoacacia plantation on the Loess Plateau, China // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 134. P. 1–14. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.03.017
  56. Zhou J., Gube M., Holz M., Song B., Shan I., Shi L.L., Kuzyakov Y., Dippold M.A., Pausch J. Ectomycorrhizal and non-mycorrhizal rhizosphere fungi increase root-derived C input to soil and modify enzyme activities: a 14C pulse labeling of Picea abies seedlings // Plant Cell. Environ. 2022. V. 45. P. 3122–3133. https://doi.org/10.1111/pce.14413
  57. Zhou J., Sun T., Shi L., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kalinina O., Giani L., Kuzyakov Y. Organic carbon accumulation and microbial activities in arable soils after abandonment: A chronosequence study // Geoderma. 2023. V. 435. P. 116496. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116496
  58. Zhou J., Wen Y., Shi L., Marshall M.R., Kuzyakov Y., Blagodatskaya E., Zang H. Strong priming of soil organic matter induced by frequent input of labile carbon // Soil Biol. Biochem. 2021. V. 152. P. 108069. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108069

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Запасы углерода, Cstock (a), общего азота, Nstock (b) на глубине 0–5 и 5–10 см и содержание растворенных С и N (c) на глубине от 0 до 10 см в почвах пашни, 7 и 25-летней залежей и естественного луга. Для обозначения пределов погрешностей на графике использовали стандартную ошибку.

Скачать (503KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Содержание Cорг (a) и Nобщ (b) во фракциях ПОВ с учетом их массы (г/кг почвы), fPOM – свободная фракция (<1.6 г/см3), оРОМ – окклюдированная фракция (1.6–2.0 г/см3), MAOM – органо-минеральная фракция (>2.0 г/см3) и вклад каждой фракции в содержание Cорг и Nобщ в почве.

Скачать (227KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Скорость базального дыхания – БД (a), пул углерода микробной биомассы – Смик/Сорг (b), удельное дыхание на единицу углерода почвы – БД/Сорг (c), микробный метаболический коэффициент – qCO2 (d), активность β-глюкозидазы (e) и хитиназы (f) в почвах пашни, 7 и 25-летней залежей и естественного луга на глубине 0–5 и 5–10 см. Для обозначения пределов погрешностей на графике использовалась стандартная ошибка. Значимость различий между глубинами при p = 0.05, a, b, c, d – значимость различий между объектами при p = 0.05.

Скачать (435KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Взаимосвязь содержания органического углерода оPOC (a) и общего азота оPON (b) в окклюдированной фракции ПОВ (сумма oPOM с плотностью <1.6, 1.6–1.8 и 1.8–2.0 г/см3) и скоростью базального дыхания (БД), взаимосвязь содержания органического углерода oPON (c) и общего азота oPON (d) в субфракции oPOM плотностью менее 1.6 г/см3 с содержанием углерода микробной биомассы (Смик).

Скачать (266KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Чувствительность почвенных свойств при изменении землепользования (постагрогенном восстановлении почв). Пунктирная стрелка расположена в направлении увеличения содержания Сорг и почвенных свойств в процессе постагрогенного развития. Сплошная стрелка расположена в направлении увеличения чувствительности почвенных параметров к постагрогенному развитию почв. Свойства почвы, расположенные на линии 1 : 1, увеличиваются пропорционально увеличению содержания Сорг и обладают одинаковой чувствительностью с почвенным углеродом. Если увеличение значений свойств почвы происходят быстрее, чем значения Сорг (находятся ниже линии 1 : 1), то свойства являются более чувствительными, а если медленнее (находятся выше линии 1 : 1) – то свойства менее чувствительны по сравнению с содержанием Сорг.

Скачать (439KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025