Динамика некоторых макроэлементов при разложении валежа в старовозрастном среднетаежном ельнике заповедника «Кивач»

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Оценена динамика содержания ряда макроэлементов – P, K, Ca, Mg и S – в процессе разложения коры и древесины валежа основных лесообразующих пород в старовозрастном среднетаежном ельнике (заповедник «Кивач», Республика Карелия). Исходное содержание большинства макроэлементов выше в коре, чем в древесине. Направленность и интенсивность динамики элементного состава валежа в процессе разложения зависят от древесной породы и фракции ствола. Содержание Р, Са и S в коре и древесине возрастает с различной интенсивностью в зависимости от древесной породы. В коре содержание Mg снижается у валежа лиственных пород и не изменяется у хвойных, в древесине – снижается у всех пород. Содержание К снижается в коре и древесине валежа всех пород. Предложены модели динамики запасов макроэлементов в масштабе валежного ствола. В коре запасы всех макроэлементов уменьшаются в прямой зависимости от интенсивности ее фрагментации: скорость потери варьирует от –0.08 до –0.69 год–1 в зависимости от древесной породы. В древесине запасы Р увеличиваются в валеже ели и незначительно изменяются у других пород. Запасы остальных макроэлементов уменьшаются со скоростью, не превышающей 0.08 год–1. Интенсивность потери запасов этих макроэлементов выше у валежа лиственных пород по сравнению с таковой у хвойных. Полученные результаты подчеркивают значимую роль крупных древесных остатков, прежде всего хвойных пород, в качестве долговременного пула макроэлементов в рамках биогеохимического круговорота в лесном биогеоценозе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Ромашкин

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: romashkin@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, д. 11, Петрозаводск, 185910

Е. А. Капица

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Email: romashkin@krc.karelia.ru
Россия, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, 194021

К. М. Никерова

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Email: romashkin@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, д. 11, Петрозаводск, 185910

Е. В. Шорохова

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Email: romashkin@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, д. 11, Петрозаводск, 185910

Список литературы

  1. Аканова Н.И., Козлова А.В., Мухина М.Т. Роль магния в системе питания растений // Агрохимический вестник. 2021. № 6. С. 66–72. DOI : 10.24412/1029-2551-2021-6-014
  2. Апостолов С.А. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. 2. СПб: Профессионал, 2006. 1142 с.
  3. Аристархов А.Н. Агрохимия серы. М.: ВНИИА, 2007. 272 с.
  4. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 376 с.
  5. Браунс Ф.Э., Браунс Д.А. Химия лигнина. М.: Лесная промышленность, 1964. 757 с.
  6. Гелес И.С. Древесная биомасса и основы экологически приемлемых технологий ее химико-механической переработки. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2001. 382 с.
  7. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
  8. Казимиров Н.И., Волков А.Д., Зябченко С.С. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера. Л.: Наука, 1977. 304 с.
  9. Казимиров Н.И., Морозова Р.М. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. Л.: Наука, 1973. 175 с.
  10. Казимиров Н.И., Морозова Р.М., Куликова В.К. Органическая масса и потоки веществ в березняках средней тайги. Л.: Наука, 1978. 216 с.
  11. Полубояринов О.И. Плотность древесины. М.: Лесная промышленность, 1976. 159 с.
  12. Полубояринов О.И., Сорокин A.M. Физические свойства осиновой коры и ее компонентов // Известия вузов. Лесной журнал. 1992. № 3. C. 67–69.
  13. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. М.-Л.: Наука, 1965. 253 с.
  14. Скороходова С.Б. О климате заповедника «Кивач» // Труды Государственного природного заповедника «Кивач». 2008. № 4. С. 3–34.
  15. Соколова В.Е., Шорохова Е.В., Соловьев В.А., Гринькова Е.Я., Алексеева С.А. Динамика минеральных элементов при ксилолизе крупных древесных остатков в ельниках кисличных южной тайги // Лесоведение. 2007. № 5. С. 32–38.
  16. Стороженко В.Г., Бондарцева М.А., Соловьев В.А., Крутов В.И. Научные основы устойчивости лесов к дереворазрушающим грибам. М.: Наука, 1992. 221 с.
  17. Стороженко В.Г. Древесный отпад в структурах лесного биогеоценоза // Хвойные бореальной зоны. 2010. Т. 27. № 3–4. С. 279–283.
  18. Фаустова Н.М. Химический состав коры и древесины осины Populus tremula L.: дис. … канд. хим. наук: 05.21.03. СПб., 2005. 208 с.
  19. Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Экологические особенности трансформации соединений углерода и азота в лесных почвах. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2003. 240 с.
  20. Ханина Л.Г., Смирнов В.Э., Бобровский М.В. Элементный состав валежа различных древесных пород и стадий разложения в широколиственном лесу заповедника «Калужские засеки» // Лесоведение. 2023. № 4. С. 353–368.
  21. Alban D.H., Pastor J. Decomposition of aspen, spruce, and pine boles on two sites in Minnesota // Canadian Journal of Forest Research. 1993. V. 23. № 9. P. 1744–1749.
  22. Berg B., McClaugherty C. Plant Litter: Decomposition, Humus Formation, Carbon Sequestration. Springer Cham, Switzerland, 2020. 332 p.
  23. Bergström B. Chemical and structural changes during heartwood formation in Pinus sylvestris // Glasgow Medical Journal. 2003. V. 76. № 1. P. 59–71. doi: 10.1093/forestry/76.1.45
  24. Błońska E., Kacprzyk M., Spólnik A. Effect of deadwood of different tree species in various stages of decomposition on biochemical soil properties and carbon storage // Ecological Research. 2017. V. 32. № 2. P. 193–203.
  25. Boddy L. Fungal community ecology and wood decomposition processes in angiosperms: from standing tree to complete decay of coarse woody debris // Ecological Bulletin. 2001. V. 49. P. 43–56.
  26. Brais S., Paré D., Lierman C. Tree bole mineralization rates of four species of the Canadian eastern boreal forest: implications for nutrient dynamics following stand-replacing disturbances // Canadian Journal of Forest Research. 2006. V. 36. № 9. P. 2331–2340.
  27. Busse M.D. Downed bole-wood decomposition in lodgepole pine forests of Central Oregon // Soil Science Society of America Journal. 1994. V. 58. № 1. P. 221–227.
  28. Chang C., Wang Z., Tan B., Li J., Cao R., Wang Q., Yang W., Weedon J.T., Cornelissen J.H.C. Tissue type and location within forest together regulate decay trajectories of Abies faxoniana logs at early and mid-decay stage // Forest Ecology and Management. 2020. V. 475. P. 1–10. doi: 10.1016/j.foreco.2020.118411
  29. Clinton P.W., Buchanan P.K., Wilke J.P., Small S.J., Kimberley M.O. Decomposition of Nothofagus wood in vitro and nutrient mobilization by fungi // Canadian Journal of Forest Research. 2009. V. 39. P. 2193–2202.
  30. Cleveland C.C., Townsend A.R. Nutrient Additions to a Tropical Rain Forest Drive Substantial Soil Carbon Dioxide Losses to the Atmosphere // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006. V. 103. № 27. P. 10316–10321.
  31. Dutton M.V., Evans C.S. Oxalate production by fungi: its role in pathogenicity and ecology in the soil environment // Canadian Journal of Microbiology. 1996. V. 42. № 9. P. 881–895.
  32. Dynesius M., Jonsson B.G. Dating uprooted trees: comparison and application of eight methods in a boreal forest // Canadian Journal of Forest Research. 1991. V. 21. № 5. P. 655–665.
  33. Fahey T.J., Battles J.J., Wilson G.F. Responses of early successional northern hardwood forests to changes in nutrient availability // Ecological Monographs. 1998. V. 68. P. 183–212.
  34. Filipiak M. Pollen stoichiometry may influence detrital terrestrial and aquatic food webs // Frontiers in Ecology and Evolution. 2016. V. 4. P. 138. doi: 10.3389/fevo.2016.00138
  35. Filipiak M., Sobczyk Ł., Weiner J. Fungal transformation of tree stumps into a suitable resource for xylophagous beetles via changes in elemental ratios // Insects. 2016. V. 7. P. 13. doi: 10.3390/insects7020013
  36. Ganjegunte G.K., Condron L.M., Clinton P.W., Davis M.R., Mahieu N. Decomposition and nutrient release from radiata pine (Pinus radiata) coarse woody debris // Forest Ecology and Management. 2004. V. 187. P. 197–211. doi: 10.3832/ifor1591-008
  37. Griffiths R.P., Baham J.E., Caldwell B.A. Soil solution chemistry of ectomycorrhizal mats in forest soil // Soil Biology and Biochemistry. 1994. V. 26. P. 331–337. doi: 10.1016/0038-0717(94)90282-8
  38. Hafner S.D., Groffman P.M., Mitchell M.J. Leaching of dissolved organic carbon, dissolved organic nitrogen, and other solutes from coarse woody debris and litter in a mixed forest in New York state // Biogeochemistry. 2005. V. 74. P. 257–282. doi: 10.1007/s10533-004-4722-6
  39. Harmon M.E., Sexton J., Caldwell B.A., Carpenter S.E. Fungal sporocarp mediated losses of Ca, Fe, K, Mg, Mn, N, P, and Zn from conifer logs in the early stages of decomposition // Canadian Journal of Forest Research. 1994. V. 24. P. 1883–1893.
  40. Harmon M.E. The role of woody detritus in biogeochemical cycles: past, present, and future // Biogeochemistry. 2021. V. 154. P. 349–369. doi: 10.1007/s10533-020-00751-x
  41. Holub S.M., Lajtha K., Spears J.D.H. A reanalysis of nutrient dynamics in coniferous coarse woody debris // Canadian Journal of Forest Research. 2001. V. 31. № 11. P. 1894–1902. doi: 10.1139/cjfr-31-11-1894
  42. Jellison J., Connolly J., Goodell B., Illman B., Frank F., Ostrofsky A. The role of cations in the biodegradation of wood by the brown rot fungi // International Biodeterioration and Biodegradation. 1997. V. 39. P. 165–179.
  43. Khan K., Hussain A., Jamil M.A., Duan W., Chen L., Khan A. Alteration in forest soil biogeochemistry through coarse wood debris in northeast China // Forests. 2022. V. 13. № 11. P. 1861. doi: 10.3390/f13111861
  44. Krankina O.N., Harmon M.E., Griazkin A.V. Nutrient stores and dynamics of woody detritus in a boreal forest: modeling potential implications at the stand level // Canadian Journal of Forest Research. 1999. V. 29. № 1. P. 20–32.
  45. Laiho R., Prescott C.E. The contribution of coarse woody debris to carbon, nitrogen, and phosphorus cycles in three Rocky Mountain coniferous forests // Canadian Journal of Forest Research. 1999. V. 29. № 10. P. 1592–1603. doi: 10.1139/x99-132
  46. Laiho R., Prescott C.E. Decay and nutrient dynamics of coarse woody debris in northern coniferous forests: a synthesis // Canadian Journal of Forest Research. 2004. V. 34. № 4. P. 763–777. doi: 10.1139/X03-241
  47. Marschner H. Mineral Nutrition of Higher Plants. 3nd Edition. London: Academic Press, 2012. 651 p.
  48. Means J.E., MacMillan P.C., Cromack K. Biomass and nutrient content of Douglas-fir logs and other detrital pools in an old-growth forest, Oregon, USA // Canadian Journal of Forest Research. 1992. V. 22. P. 1536–1546.
  49. Meerts P. Mineral nutrient concentrations in sapwood and heartwood: a literature review // Annals of Forest Science. 2002. V. 59. № 7. P. 713–722. doi: 10.1051/forest:2002059
  50. Minnich C., Peršoh D., Poll C., Borken W. Changes in chemical and microbial soil parameters following 8 years of deadwood decay: An experiment with logs of 13 tree species in 30 forests // Ecosystems. 2021. V. 142. P. 287–300. doi: 10.1007/s10021-020-00562-z
  51. Mukhortova L.V. Carbon and nutrient release during decomposition of coarse woody debris in forest ecosystems of Central Siberia // Folia Forestalia Polonica. 2012. V. 54. № 2. P. 71–83. doi: 10.5281/zenodo.30777
  52. Müller J., Bütler R. A review of habitat thresholds for dead wood: A baseline for management recommendations in European forests // European Journal of Forest Research. 2010. V. 129. № 6. P. 981–992. doi: 10.1007/s10342-010-0400-5
  53. Olson J.S. Energy Storage and the Balance of Producers and Decomposers in Ecological Systems // Ecology. 1963. V. 44. № 2. P. 322–331.
  54. Ostrofsky A., Jellison J., Smith K.T., Shortle W.C. Changes in cation concentrations in red spruce wood decayed by brown rot and white rot fungi // Canadian Journal of Forest Research. 1997. V. 27. № 4. P. 567–571. doi: 10.1139/x96-188
  55. Palviainen M., Finér L., Laiho R., Shorohova E., Kapitsa E., Vanha-Majamaa I. Phosphorus and base cation accumulation and release patterns in decomposing Scots pine, Norway spruce and silver birch stumps // Forest Ecology and Management. 2011. V. 260. P. 1478–1489. doi: 10.1016/j.foreco.2010.07.046
  56. Palviainen M., Finér L. Decomposition and nutrient release from Norway spruce coarse roots and stumps – A 40-year chronosequence study // Forest Ecology and Management. 2015. V. 358. № 1. P. 1–11. doi: 10.1016/j.foreco.2015.08.036
  57. Pastorelli R., De Meo I., Lagomarsino A. The necrobiome of deadwood: The life after death // Ecologies. 2023. V. 4. № 1. P. 20–38. doi: 10.3390/ecologies4010003
  58. Piaszczyk W., Błońska E., Lasota J. Soil biochemical properties and stabilization of soil organic matter in relation to deadwood of different species // FEMS Microbiological Ecology. 2019. V. 95. № 3. fiz011. doi: 10.1093/femsec/fiz011
  59. R Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria, 2024.
  60. Romashkin I., Shorohova E., Kapitsa E., Galibina N., Nikerova K. Carbon and nitrogen dynamics along the log bark decomposition continuum in a mesic old-growth boreal forest // European Journal of Forest Research. 2018. V. 137. № 5. P. 1–15. doi: 10.1007/s10342-018-1131-2
  61. Romashkin I., Shorohova E., Kapitsa E., Galibina N., Nikerova K. Substrate quality regulates density loss, cellulose degradation and nitrogen dynamics in downed woody debris in a boreal forest // Forest Ecology and Management. 2021. V. 491. P. 119143. doi: 10.1016/j.foreco.2021
  62. Russell M.B., Fraver S., Aakala T., Gove J.H., Woodall C.W., D’Amato A.W., Ducey M.J. Quantifying carbon stores and decomposition in dead wood: a review // Forest Ecology and Management. 2015. V. 350. P. 107–128. doi: 10.1016/j.foreco.2015.04.033
  63. Saarela K.-E. Elemental analysis of wood materials by external millibeam thick target PIXE. PhD thesis. Åbo Akademi University, Åbo, Finland, 2009. 64 p.
  64. Saunders M.R., Fraver S., Wagner R.G. Nutrient concentration of down woody debris in mixedwood forests in central Maine, USA // Silva Fennica. 2011. V. 45. № 2. P. 197–210. doi: 10.14214/sf.112
  65. Schilling J.S. Oxalate production and cation translocation during wood biodegradation by fungi. PhD thesis. The University of Maine, 2006. 120 p.
  66. Schwarze F.W.M.R., Engels J., Mattheck C. Fungal strategies of wood decay in trees. Heidelberg: Springer Berlin, 2000. 185 p. doi: 10.1007/978-3-642-57302-6
  67. Shorohova E., Kapitsa E., Kazartsev I., Romashkin I., Polevoi A., Kushnevskaya H. Tree species traits are the predominant control on the decomposition rate of tree log bark in a mesic old-growth boreal forest // Forest Ecology and Management. 2016. V. 377. P. 36–45. doi: 10.1016/j.foreco.2016.06.036
  68. Shorohova E., Kapitsa E. Influence of the substrate and ecosystem attributes on the decomposition rates of coarse woody debris in European boreal forests // Forest Ecology and Management. 2014. V. 315. P. 173–184. doi: 10.1016/j.foreco.2013.12.025
  69. Shorohova E., Shorohov A. Coarse woody debris dynamics and stores in the boreal virgin spruce forest // Ecological Bulletin. 2001. V. 49. P. 129–135. doi: 10.2307/20113270
  70. Shortle W.C., Smith K.T., Jellison J., Schilling J.S. Potential of decaying wood to restore root-available base cations in depleted forest soils // Canadian Journal of Forest Research. 2012. V. 42. № 6. P. 1015–1024. DOI: doi.org/10.1139/X2012-056
  71. Skonieczna J., Małek S., Polowy K., Węgiel A. Element content of Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands of different densities // Drewno. 2014. V. 57. № 192. P. 77–87. doi: 10.12841/wood.1644-3985.S13.05
  72. Smith K.T., Shortle W.C., Jellison J., Connolly J., Schilling J. Concentrations of Ca and Mg in early stages of sapwood decay in red spruce, eastern hemlock, red maple, and paper birch // Canadian Journal of Forest Research. 2007. V. 37. № 5. P. 957-965. doi: 10.1139/X06-264
  73. Sollins P., Cline S.P., Verhoeven T., Sachs D., Spycher G. Patterns of log decay in old-growth Douglas-fir forests // Canadian Journal of Forest Research. 1987. V. 17. P. 1585–1595. doi: 10.1139/x87-243
  74. Stutz K., Kaiser K., Wambsganss J., Santos F., Berhe A.A., Lang F. Lignin from white-rotted European beech deadwood and soil functions // Biogeochemistry. 2019. V. 145. P. 81–105. doi: 10.1007/s10533-019-00593-2
  75. Stutz K.P., Lang F. Potentials and unknowns in managing coarse woody debris for soil functioning // Forests. 2017. V. 8. № 2. P. 37. doi: 10.3390/f8020037
  76. Ulyshen M.D. Wood decomposition as influenced by invertebrates // Biological Reviews. 2014. V. 91. № 1. P. 70–85.
  77. Wells J.M., Boddy L. Effect of temperature on wood decay and translocation of soil-derived phosphorus in mycelial cord systems // New Phytology. 1995. V. 129. P. 289–297.
  78. Yatskov M., Harmon M.E., Krankina O.N. A chronosequence of wood decomposition in the boreal forests of Russia // Canadian Journal of Forest Research. 2003. V. 33. № 7. P. 1211–1226.
  79. Zhou L., Dai L., Gu H., Zhong L. Review on the decomposition and influence factors of coarse woody debris in forest ecosystem // Journal of Forestry Research. 2007. V. 18. P. 48–54.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика содержания P, K, Ca, Mg и S в расчете на единицу массы и объема (%) в коре и древесине валежа в процессе разложения. Значения коэффициентов параметров используемых обобщенных линейных моделей (GLM) представлены в табл. 4.

Скачать (716KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты анализа динамики содержания макроэлементов (P, K, Ca, Mg и S) в коре и древесине валежа рассматриваемых древесных пород с использованием многомерного шкалирования (NMDS). Обозначения: А – различия между фракциями ствола без учета породы; В – различия между породами в коре; С – различия между породами в древесине; давность – давность отмирания дерева (продолжительность разложения), класс – класс разложения, Хm(v) – содержание элемента (X) на единицу массы (m) или единицу объема (v). Овалы показывают стандартное отклонение, стрелки – направленность увеличения значения параметра.

Скачать (661KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Модели динамики запасов (кг м–3) макроэлементов (Р, K, Ca, Mg и S) в коре и древесине валежа в процессе разложения в масштабе валежного ствола в пересчете на 1 м3. Параметры моделей представлены в таблице 5.

Скачать (290KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024