Profile microbial activity and carbon content in modern and ancient chernozems of different texture

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The profile distribution of the organic matter (Corg), microbial biomass (Cmic) and basal CO2 respiration (BR) of Chernozems of different granulometry was studied. It’s important for monitoring their ecosystem functions and developing approaches for decarbonization. Objects: sub-mound chernozems, buried 1.2, 1.8 and ~4 thousand years ago (ka), and their pasture analogues (background) of insufficiently studied regions: Chelyabinsk, Voronezh and Samara regions. 12 of 14C dates were received, including 7 AMS ones. The Corg loss of the 0–10 cm layer heavy-textured paleosols compared to the background reaches 47% after burial 1.2 ka, 58% – 1.8 ka, 62% – ~4 ka, for light paleosols aged ~4 ka – 24–40%. The BR and Cmic values of the 0–10 cm layer of modern heavy-textured soils are 4 times greater than those of light varieties; in paleosols of different ages they are 5–7 times less than the background; these differences are leveled out with depth. A decrease in the Corg, BR and Cmic values of paleosols occurs due to the processes of Corg mineralization in the absence of the new plant residues input, lack of oxygen and nutrients. In buried soils the stratification of Сorg and Сmic distribution weakens within the profile (Сorg content of the 0–10 cm layer to each underlying one). Cmic and BR of the 0–20 cm layer of modern heavy loamy soils are 70% of their sum of the 0–50 cm layer, and in light varieties and paleosols – 50–60%. Сorg is maximally saturated with microbial carbon at a depth of 0–10 cm in background heavy loamy soils – 1.6–3.0, in the rest – 0.3–1.1. The BR/Cmic ratio is close in modern and ancient soils; the highest values were in sandy loam chernozems, indicating a greater lack of available Corg for microbes. This is also indicated by the fact that paleosols buried 1.2, 1.8 and ~4 ka, Cmic and BR values up to a 60 cm depth are comparable regardless of texture, except for sandy loam one. For the 0–10 cm layer, the coefficients of variation in different objects were: for Сorg 9–15%, BR 8–19%, Сmic 13–31%; they increased slightly down the soil profile, a significant correlation was noted between microbiological parameters and Сorg, r = 0.54–0.97.

About the authors

V. E. Prikhodko

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kpve00@mail.ru
Russian Federation, Pushchino, Moscow oblast

D. I. Vasilieva

Samara State Technical University

Email: kpve00@mail.ru
Russian Federation, Samara

H. Ch. Li

Department of Geosciences, National Taiwan University

Email: kpve00@mail.ru
Taiwan, Province of China, Taipei

A. L. Plaksina

Chelyabinsk State University

Email: kpve00@mail.ru
Russian Federation, Chelyabinsk

T. A. Puzanova

Lomonosov Moscow State University

Email: kpve00@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Алексеева Т.В. Прочносвязанное органическое вещество почв: характеристика и судьба в диагенезе // Почвы и окружающая среда. 2021. Т. 4. № 4. С. 1–16. https://doi.org/10.31251/pos.v4i4.161
  2. Азаренко М.А., Казеев К.Ш., Ермолаева О.Ю., Колесников С.И. Изменения растительного покрова и биологического свойства черноземов в постагрогенный период // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1412–1422. https://doi.org/10.31857/S0032180X20110039
  3. Ананьева Н.Д., Сушко С.В., Иващенко К.В., Васенев В.И. Микробное дыхание почв подтайги и лесостепи Европейской части России: полевой и лабораторный подходы // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1276–1286. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100044
  4. Артемьева З.С., Данченко Н.Н., Зазовская Э.П. и др. Изотопный состав углерода и химическая структура органического вещества типичного чернозема в условиях контрастного землепользования // Почвоведение. 2021. № 6.С. 686–700. https://doi.org/10.31857/S0032180X21060034
  5. Багаутдинов Р.С., Богачев А.В., Зубов С.Э. Праболгары на Средней Волге. У истоков истории татар Волго-Камья. Самара: Сам. Регион. фонд “Полдень ХХII век”, 1998. 286 с.
  6. Березуцкий В.Д. Новочигольские курганы. Воронеж: Научная книга, 2021. 224 с.
  7. Демкина Т.С., Борисов А.В. Продукция СО2 пробами палеопочвы, отобранными в степной зоне под курганами, сооруженными в периоды относительной аридизации и оптимума климата // Почвоведении. 2018. № 8. С. 943–951. https://doi.org/10.1134/S0032180X18080038
  8. Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Продуцирование СО2 современными и погребенными почвами степной зоны в нативном и увлажненном состоянии // Почвоведение. 2010. № 9. С. 1108–1113.
  9. Иванов И.В. Эволюция почв степной зоны в голоцене. М.: Наука, 1992.147 с.
  10. Инубуши К., Приходько В.Е., Нагано Х., Манахов Д.В. Биологические свойства и эмиссия парниковых газов из современных и палеопочв южного Урала // Почвоведение. 2015. № 12. С. 1439–1449. https://doi.org/10.7868/S0032180X15120096
  11. Карелин Д.В., Цымбарович П.Р. Зависимость микробиологической активности и химических характеристик почвы от топографической позиции на старопахотных участках черноземной лесостепи // Известия РАН. Сер. геогр. 2022. Т. 86. С. 134–150. https://doi.org/10.31857/S2587556622010071
  12. Кудеяров В.Н. Почвенное дыхание и секвестрация углерода (обзор) // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1011–1022. https://doi.org/10.31857/S0032180X23990017
  13. Кузнецов П.Ф., Мочалов О.Д. Параметры времени культур бронзового века степей Восточной Европы: проблемы отражения // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2015. Т. 17. № 3. С. 247–251.
  14. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., и др. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1220–1236. https://doi.org/10.31857/s0032180x20100111
  15. Курганова И.Н., Телеснина В.М., Лопес де Гереню В.О., Личко В.И., Овсепян Л.А. Изменение запасов углерода, микробной и ферментативной активности агродерново-подзолов южной тайги в ходе постагрогенной эволюции // Почвоведение. 2022. № 7. С. 825–842. https://doi.org/10.31857/S0032180X22070073
  16. Ларионова А.А., Золотарева Б.Н., Евдокимов И.В., Быховец С.С., Кузяков Я.В., Бюггер Ф. Идентификация лабильного и устойчивого пулов органического вещества в агросерой почве // Почвоведение. 2011. № 6. С. 685–698.
  17. Лисецкий Ф.Н., Маринина О.А., Буряк Ж.А. Геоархеологические исследования исторических ландшафтов Крыма. Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2017. 440 с.
  18. Лифанов Н.А. Раскопки могильника Малая Рязань I в 2020 г. // Поволж. Арх. 2023. № 4. С. 149–157. https://doi.org/10.24852/pa2023.4.46.149.15
  19. Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А., Денисенко Е.А., Нефедова Т.Г. Динамика сельскохозяйственных земель России в ХХ веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М.: ГЕОС, 2010. 416 с.
  20. Макурова М.Р., Макуров Ю.С., Любчанский И.Э., Шиманский О.Е. Погребения эпохи “поздней древности” курганного могильника Мандесарка 6 // Нижневолжский арх. вест. 2018. Т. 17. № 1. С. 90–107. https://doi.org/10.15688/nav.jvolsu.2018.1.5
  21. Малашев В.Ю. Позднесарматская культура: верхняя хронологическая граница // Российская археология. 2009. № 1. С. 47–55.
  22. Молодин В.И., Епимахов А.В., Марченко Ж.В. Радиоуглеродная хронология эпохи бронзы Урала и юга Западной Сибири: принципы и подходы, достижения и проблемы // Вестник НГУ. Сер. История, филология. 2014. Т. 13. № 3. С. 136–167.
  23. Припадчев А.А. О хронологии памятников переходного абашевско-срубного (покровского) времени Донской лесостепи и смежных территорий степной зоны // Вест. Воронеж гос. ун-та. Сер.: Лингвист и межкультур. коммуник., 2009. С. 190–195.
  24. Приходько В.Е., Манахов Д.В. Изменение органического вещества почв степного Зауралья в заповедном режиме // Почвоведение. 2014. № 4. С. 401–409. https://doi.org/10.7868/S0032180X14020099
  25. Приходько В.Е., Манахова Е.В. Манахов Д.В., Плеханова Л.Н., Захарова Ю.В. Изменение состояния гумуса почв степного Зауралья в заповедном режиме // Вестник МГУ. Сер. 17, почвоведение. 2006. № 3. С. 10–17.
  26. Приходько В.Е., Чевердин Ю.И., Титова Т.В. Изменение форм органического вещества черноземов Каменной Степи при разном использовании, местоположении и увеличении степени гидроморфизма // Почвоведение. 2013. № 12. C. 1494–1504. https://doi.org/10.7868/S0032180X13120095
  27. Рыжова И.М., Подвезенная М.А., Телеснина В.М., Богатырев Л.Г., Семенюк О.В. Оценка запасов углерода и потенциала продуцирования СО2 почвами хвойно-широколиственных лесов // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1143–1154. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600713
  28. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  29. Семенов М.В., Кравченко И.К., Семенов В.М. и др. Потоки диоксида углерода, метана и закиси азота в почвах катены правобережья р. Ока (Московская область) // Почвоведение. 2010. № 5. С. 582–590.
  30. Смагин А.В., Долгих А.В., Карелин Д.В. Экспериментальные исследования и физически обоснованная модель эмиссии диоксида углерода из вскрытого культурного слоя в Великом Новгороде // Почвоведение. 2016. № 4. С. 489–495. https://doi.org/10.7868/S0032180X16040122
  31. Смирнова М.А., Геннедиев А.Н., Чендев Ю.Г. Латеральное варьирование параметров гумусового и карбонатного профилей агрочерноземов (Белгородская область) // Почвоведение. 2023. № 3. С. 300–311. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601086
  32. Хомутова Т.Э., Каширская Н.Н., Демкин В.А. Оценка живой и суммарной биомассы микробных сообществ современной каштановой почвы и подкурганных палеопочв // Почвоведение. 2011. № 12. С. 1496–1503.
  33. Черных Е.Н., Орловская Л.Б. Радиоуглеродная хронология ямной и катакомбной археологических общностей // Археология евразийской лесостепи-степи. Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2016. С. 17–32.
  34. Шиндорикова О.В., Ульянова О.А., Чупрова В.В. Влияние удобрений на эмиссию СО2 из агрочернозема в условиях Красноярской лесостепи // Вестник Красноярского гос. аграрного ун-та. 2015. № 10. С. 174–179. http://www.kgau.ru/vestnik/content/2015/10.pdf
  35. Щеглов Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов. М.: Наука, 1999. 214 с.
  36. Adamu H., Umar Y.A., Akanang H., Sabo A. Evaluation of Carbon Sequestration Potential of Soils–What Is Missing? // J. Geosci. Environ. Protec. 2021. V. 9. P. 39–47. https://doi.org/10.4236/gep.2021.98003
  37. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. P. 215–221. https://doi.org/10.1016/0038-0717(78)90099-8
  38. Anderson T.-H., Domsch K.H. 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 // Soils Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393–395. https://doi.org/10.1016/0038-0717(93)90140-7
  39. Banach-Szott M., Debska B., Tobiasova E. Properties of humic acids depending on the land use in different parts of Slovakia // Environ. Sci. Poll. Res. 2021. V. 28. P. 8068–58080 https://doi.org/10.1007/s11356-021-14616-9
  40. Bond-Lamberty B., Bailey V.L., Chen M., Gough C.M., Vargas R. Globally rising soil heterotrophic respiration over recent decades // Nature. 2018. V. 560. P. 80–83. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0358-x
  41. Borisov A.V., Demkina T.S., Kashirskaya N.N., Khomutov T.E., Chernysheva E.V. Changes in the Past Soil-Forming Conditions and Human Activity in Soil Biological Memory: Microbial and Enzyme Components // Eurasian Soil Sci. 2021. V. 54. P. 1078–1088. https://doi.org/10.1134/S1064229321070024
  42. Chukov S.N., Lodygin E.D., Abakumov E.V. et al. Application of 13C NMR spectroscopy to the study of soil organic matter: a review of publications // Eurasian Soil Sci. 2018. V. 51. P. 889–890. https://doi.org/10.1134/S1064229318080021
  43. Duarte-Guardia S., Peri P., Amelung W. et al. Biophysical and socioeconomic factors influencing soil carbon stocks: a global assessment // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2020. V. 25. P. 1129–1148. https://doi.org/10.1007/s11027-020-09926-1
  44. 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
  45. Frindte K., Lehndorff E., Vlaminck S. et al. Evidence for signatures of ancient microbial life in paleosols // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 16830. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73938-9
  46. Greenhouse Gas Bulletin Report 2021. https://public.wmo.int/en/greenhouse-gas-bulletin 01.02.2023
  47. Guo L.B., Gifford R.M. Soil carbon stocks and land use change: a metaanalysis // Global Change Biology. 2002. V. 8. P. 345–360. https://doi.org/10.1046/j.1354-1013.2002.00486x
  48. Grund B.S., WilliУМС S.E., Surovell T.A. Viable paleosol microorganisms, paleoclimatic reconstruction, and relative dating in archaeology: a test case from Hell Gap, Wyoming, USA // J. Archaeol. Sci. 2014. 46. Р. 217–228. https://doi.org/10.1016/j.jas.201 4.02.010
  49. Ivanova A.E., Marfenina O.E. Soil fungal communities as bioindicators of ancient human impacts in medieval settlements in different geographic regions of Russia and southwestern Kazakhstan // Quat. Inter. 2014. V. 365. Р. 212–222. https://doi.org/ 10.1016/j.quaint.2014.10.016
  50. Jiang L. Xiao Q., Wan X., Yu T., Liu Y.F., Liu M.X. Research Progress on Microbial Carbon Sequestration in Soil: a Review // Eurasian Soil Sci. 2022. V. 10. P. 1395–1404. https://doi.org/10.1134/S1064229322100064
  51. Kalinina O., Goryachkin S.V., Lyuri D.I., Giani L. Postagrogenic development of vegetation, soils, and carbon stocks under self-restoration in different climatic zones of European Russia // Catena. 2015. V. 129. P. 18–29. https://doi.org/10.1016/j.catena.2015.02.016
  52. Kampf I., Holzel N., Storrle M., Broll G., Kiehl K. Potential of temperate agricultural soils for carbon sequestration: A meta-analysis of land-use effects // Sci. Total Env. 2016. V. 566–567. P. 428–435. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.05.067
  53. Khomutova T.E., Kashirskaya N.N., Demkina T.S. et al. Precipitation pattern during warm and cold periods in the Bronze Age (around 4.5-3.8 ka BP) in the desert steppes of Russia: Soil-microbiological approach for palaeoenvironmental reconstruction // Quat. Int. 2019. V. 507. Р. 84–94. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2019.02.013
  54. Khokhlova O., Kuptsova L. Complex pedological analysis of paleosols buried under kurgans as a basis for periodization of the Timber-grave archaeological culture in the Southern Cis-Ural, Russia // Quat. Int. 2018. V. 502. Part B. P. 181-196. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2018.02.027
  55. Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Gallardo Lancho J.F., Oehm C.T. Evaluation of the rates of soil organic matter mineralization in forest ecosystems of temperate continental, Mediterranean, and tropical monsoon climates // Eurasian Soil Sci. 2012. V. 45. 1. P. 68–79. https://doi.org/10.1134/S1064229312010085
  56. 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. 15. P. 113882. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.113882
  57. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. V. 528. Р. 60–68. https://doi.org/10.1038/nature16069
  58. Lisetskii F.N., Buryak Z.A., Marinina O.A., Ukrainskiy P.A, Goleusov P.V. Features of Soil Organic Carbon Transformations in the Southern Area of the East European Plain // Geosciences. 2023. V. 13. P. 278. https://doi.org/10.3390/geosciences13090278
  59. Moinet G.Y.K., Hijbeek R., van Vuuren D.P., Giller, K.E. Carbon for soils, not soils for carbon // Global Change Biol. 2023. 29. Р. 2384–2398. https://doi.org/10.1111/gcb.16570
  60. Nagano H., Prikhodko V. E., Sugihara S., Manakhov D. V. et al., Carbon and nitrogen contents and greenhouse gas fluxes of the Eurasian steppe soils with different landuse histories located in the Arkaim museum reserve of South Ural, Russia // Soil Sci. Plant Nutr. 2012. V. 58. P. 238–244. https://doi.org/10.1080/00380768.2012.661354
  61. Oertel C., Matschullat J., Zurba K., Zimmermann F., Erasmi S. Greenhouse gas emissions from soils – A review // Geochemistry. 2016. V. 76. P. 327–352. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2016.04.002
  62. Ogle K. Hyperactive soil microbes might weaken the terrestrial carbon sink // Nature. 2018. V. 560. P. 32-33. https://doi.org/10.1038/d41586-018-05842-2
  63. Ovsepyan L., Kurganova I., Lopes de Gerenyu V., Kuzyakov Y. Conversion of cropland to natural vegetation boosts microbial and enzyme activities in soil // Sci. Total Env. 2020. V. 743. P. 140829. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140829
  64. Polyanskaya L.M., Prikhod’ko V. E., Lomakin D.G., Chernov I.Yu. The number and biomass of microorganisms in ancient buried and recent chernozems under different land uses // Eurasian Soil Sci. 2016. V. 49. Р. 1122–113. https://doi.org/10.1134/S1064229316100100
  65. Reimer P.J., Austin W.E.N., Bard E., Bayliss A., Blackwell P.G., Ramsey C.B., Butzin M. et al. The IntCal20 Northern Hemisphere radiocarbon age calibration curve (0–55 cal kBP). Radiocarbon. 2020. V. 62. Р. 725–757. https://doi.org/10.1017/RDC.2020.41
  66. OxCal 4.4 Manual. Electronic document. 2021. https://c14.arch.ox.ac.uk/oxcalhelp/hlp_contents.html
  67. Subke J.-A., Ingima I., Cotrufo M.F. Trends and methodological impacts in soil CO2 efflux partitioning: A metaanalytical review // Global Change Biology. 2006. V. 12. P. 921–943. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01117.x
  68. Suleymanov A., Polyakov V., Komissarov M. et al. Biophysicochemical properties of the eroded southern chernozem (Trans-Ural Steppe, Russia) with emphasis on the 13C NMR spectroscopy of humic acids // Soil Water Res. 2022. V. 17. Р. 222–231. https://doi.org/10.17221/52/2022-SWR
  69. Susyan E.A., Rybyanets D.S., Ananyeva N.D. Microbial activity in the profiles of gray forest soil and chernozems // Eurasian Soil Sci. 2006. V. 39. P. 859-867. https://doi.org/10.1134/S1064229306080096
  70. Wang Y., Xue D., Hu N. et al. Post-agricultural restoration of soil organic carbon pools across a climate gradient // Catena. 2021. V. 200. P. 105138. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.105138
  71. Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E. et al. Soil organic carbon storage as a key function of soils – a review of drivers and indicators at various scales // Geoderma. 2019. V. 333. P. 149–162. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.026
  72. Yevdokimov I., Larionova A., Zolotareva B. et al. Chemical-structural composition of young and old SOM in Russia’s chernozems: information from solid-state 13C-NMR study of recent soils and paleosols // Advanced spectroscopic and microscopic characterisation techniques – tools to enlighten biogeochemical interfaces in soil. Book of abstracts. Jena, 2010. P. 45.
  73. Zhou L., Zhou X., Shao J., Nie Y., He Y., Jiang L. et al. Interactive effects of global change factors on soil respiration and its components: a meta-analysis // Global Change Biology. 2016. V. 22. P. 3157–3169. https://doi.org/10.1111/gcb.13253

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences