Estimation of Soil Carbon Balance Based on СО2 Emission Determination

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The increased interest nowadays in quantitative assessment of soil respiration is largely due to studies of the role of various terrestrial ecosystems in changing the concentration of the most important greenhouse gas, CO2, in the atmosphere. The review considers methodological aspects of determining the actual CO2 emission from soils using chamber and absorption methods, as well as the use of the obtained data to assess the carbon balance in soils. Successful development of this topic will allow to promptly get an answer to the main question of this pressing environmental issue: what is the soil of this or that ecosystem for atmospheric CO2 – a net source or a net sink? The article analyzes the results of works devoted to comparative determination of CO2 emission from soils by these methods. It is shown that the widespread opinion about obtaining underreported data by absorption method is often based on studies in which the basic principles of the method were violated. It is concluded that it is necessary to carry out in-depth comparative studies on determination of average daily indicators of CO2 emission from soil by chamber and absorption methods. It is recognized that, regardless of the method, the main problem in using CO2 production data to estimate soil C balance is the adequate partitioning of total respiration into heterotrophic and autotrophic components, the ratio between which varies widely depending on soil and vegetation conditions. Due to imperfection and labor intensity of existing methods, this division can cause significant errors in determining the annual mineralization of soil organic matter. To reduce them, the approach to determination of mineralization losses of CO2 in bare fallow soils is considered. It is natural for soils of agrocenoses, but as a methodological technique can probably be used in natural grass ecosystems as well. Reduction of errors can be ensured due to the fact that differences in actual mineralization of organic matter in bare fallow and plant-occupied soils are several times less than changes in the ratio between heterotrophic and autotrophic components of soil respiration in different biogeocenoses.

全文:

受限制的访问

作者简介

I. Sharkova

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: humus3@yandex.ru
俄罗斯联邦, prosp. Lavrenteva 8/2, Novosibirsk 630090

A. Chumbaeva

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: humus3@yandex.ru
俄罗斯联邦, prosp. Lavrenteva 8/2, Novosibirsk 630090

V. Androkhanov

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: humus3@yandex.ru
俄罗斯联邦, prosp. Lavrenteva 8/2, Novosibirsk 630090

参考

  1. Макаров Б.Н. Газовый режим почвы. М.: Агропромиздат, 1988. 104 с.
  2. Кудеяров В.Н., Заварзин Г.А., Благодатский С.А., Борисов А.В., Воронин П.Ю., Демкин В.А., Демкина Т.С., Евдокимов И.В., Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Комаров А.С., Курганова И.Н., Ларионова А.А., Лопес де Гереню В.О., Уткин А.И., Чертов О.Г. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука, 2007. 315 с.
  3. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.
  4. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Жиенгалиев А.Т., Кудеяров В.Н. Углеродный бюджет степных экосистем России // Докл. АН. 2019. Т. 485. С. 732–735.
  5. Кудеяров В.Н. Влияние удобрений и системы земледелия на секвестрацию углерода в почвах // Агрохимия. 2022. № 12. С. 79–96.
  6. Шарков И.Н., Антипина П.В. Некоторые аспекты углерод-секвестрирующей способности пахотных почв // Почвы и окруж. среда. 2022. Т. 5. № 2.
  7. Чимитдоржиева Г.Д. Пути секвестрации углерода при землепользовании (обзор литературы) // Сибир. экол. журн. 2023. № 3. С. 238–252.
  8. Кудеяров В.Н. Дыхание почв и биогенный сток углекислого газа на территории России (аналитический обзор) // Почвоведение. 2018. № 6. С. 643–658.
  9. Kelting D.L., Burger J.A., Edwards G.S. Estimating root respiration, microbial respiration in the rhizosphere, and root-free soil respiration in forest soils // Soil Biol. Biochem. 1998. V. 30. № 7. P. 961–968.
  10. Кузяков Я.В., Ларионова А.А. Вклад ризомикробного и корневого дыхания в эмиссию СО2 из почвы (обзор) // Почвоведение. 2006. № 7. С. 842–854.
  11. Creamer R.E., Schulte R.P.O., Stone D., Gal A., Krogh P.H., Lo Papa G., Murray Pérès P.J.G., Foerster B., Rutgers M., Sousa J.P., Winding A. Measuring basal soil respiration across Europe: do incubation temperature and incubation period matter? // Ecol. Indic. 2014. V. 36. P. 409–418.
  12. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. 2019. № 9. С. 1081–1091.
  13. Ryan M.G., Law B.E. Interpreting, measuring, and modeling soil respiration // Biogeochemistry. 2005. V. 73. № 1. P. 3–27.
  14. Hanson P.G., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial contribution to soil respiration: A review of methods and observations // Biogeochemistry. 2000. V. 48. № 1. Р. 115–146.
  15. Сапронов Д.В., Кузяков Я.В. Разделение корневого и микробного дыхания: сравнение трех методов // Почвоведение. 2007. № 7. С. 862–872.
  16. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Васенев В.И., Саржанов Д.А. Микробное дыхание почвы в полевых и лабораторных условиях // Агрофизика. 2016. № 4. С. 17–23.
  17. Евдокимов И.В., Ларионова А.А., Шмитт М., Лопес де Гереню В.О., Бан М. Экспериментальная оценка вклада дыхания корней растений в эмиссию углекислого газа из почвы // Почвоведение. 2010. № 12. С. 1479–1488.
  18. Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Бобрик А.А., Бобрик А.А., Тимофеева М.В., Сефилян А.Р. Оценка вклада корневого и микробного дыхания в общий поток СО2 из торфяных почв и подзолов севера Западной Сибири методом интеграции компонентов // Почвоведение. 2019. № 2. С. 234–245.
  19. Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Тимофеева М.В., Сефилян А.Р., Бобрик А.А., Тархов М.О. Автотрофное и гетеротрофное дыхание почв криолитозоны: оценка вкладов и методические подходы (на примере почв севера Западной Сибири) // Сибир. экол. журн. 2019. № 6. С. 654–667.
  20. Громова М.С., Матвиенко А.И., Макаров М.И., Ченг Ш.К., Меняйло О.В. Температурная чувствительность (Q10) базального дыхания как функция количества доступного углеродного субстрата, температуры и влажности // Почвоведение. 2020. № 3. С. 366–371.
  21. Ларионова А.А., Квиткина А.К., Евдокимов И.В., Быховец С.С., Стулин А.Ф. Влияние температуры на интенсивность разложения лабильного и устойчивого органического вещества агрочернозема // Почвоведение. 2013. № 7. С. 803–803.
  22. Meyer N., Welp G., Amelung W. Effect of sieving and sample storage on soil respiration and its temperature sensitivity (Q10) in mineral soils from Germany // Biol. Fertil. Soils. 2019. V. 55. № 8. P. 825–832.
  23. Rochette P., Hutchinson G.L. Measurement of soil respiration in situ: chamber techniques // Micrometeorol. Agricult. Syst. Agron. Monograph. 2005. № 47. P. 247–286.
  24. Головацкая Е.А., Дюкарев Е.А. Сезонная и суточная динамика эмиссии СО2 с поверхности олиготрофной торфяной почвы // Метеорол. и гидрол. 2011. № 6. С. 84–93.
  25. Иванов А.В., Замолодчиков Д.Г., Сало М.А., Кондратова А.В., Пилецкая О.А., Брянин С.В. Дыхание почв лесных экосистем юга Дальнего Востока // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1023–1033.
  26. Саржанов Д.А., Васенев В.И., Сотникова Ю.Л., Тембо А., Васенев И.И., Валентини Р. Краткосрочная динамика и пространственная неоднородность эмиссии СО2 почвами естественных и городских экосистем Центрально-Черноземного региона // Почвоведение. 2015. № 4. С. 469–478.
  27. Yang J., Huang J.H., Zhan X.M., Li X., Du L.H., Li L.H. The diurnal dynamic patterns of soil respiration for different plant communities in the agropastoral ecotone with reference to different measuring methods // Chin. J. Plant Ecol. 2004. V. 28. № 3. P. 318–325.
  28. Шарков И.Н. Совершенствование абсорбционного метода определения выделения СО2 из почвы в полевых условиях // Почвоведение. 1987. № 1. С. 127–133.
  29. Шарков И.Н., Шепелев А.Г., Мишина П.В. Продуцирование СО2 пашней на черноземе выщелоченном в условиях центральной лесостепи Западной Сибири // Агрохимия. 2013. № 5. С. 51–57.
  30. Singh J.S., Gupta S.R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems // Bot. Rev. 1977. V. 43. № 4. P. 449–528.
  31. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Жмурин В.А., Кудеяров В.Н. 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.
  32. Bekku Y., Koizumi H., Oikawa T., Iwaki H. Examination of four methods for measuring soil respiration // Appl. Soil Ecol. 1997. V. 5. № 3. P. 247–254.
  33. Cropper W.P., Ewel K.C., Raich J.W. The measurement of soil CO2 evolution in situ // Pedobiologia. 1985. V. 28. № 1. P. 35–40.
  34. Муравьева Е.А., Кулакова Е.С. Обзор приборной базы по контролю парниковых газов // Нанотехнол. в строительстве. 2022. Т. 14. С. 62–69.
  35. Дюкарев Е.А., Сабреков А.Ф., Глаголев М.В., Киселев М.В., Филиппов И.В., Дмитриченко А.А., Лапшина Е.Д. Оценка эмиссии и поглощения парниковых газов болотными экосистемами территории лицензионных участков Салымской группы месторождений Нефтеюганского района Ханты-Мансийского автономного округа // Сибир. экол. журн. 2022. № 6. С. 728–741.
  36. Davidson E.A., Savage K., Verchot L.V., Navarro R. Minimizing artifacts and biases in chamber-based measurements of soil respiration // Agricult. Forest Meteorol. 2002. V. 113. № 1. P. 21–37.
  37. Schiedung H., Bauke S., Bornemann L., Welp G., Borchard N., Amelung W. A simple method for in-situ assessment of soil respiration using alkali absorption // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 106. P. 33–36.
  38. Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Тимофеева М.В., Чуванов С.В., Тархов М.О., Исаева А.В. Эмиссия СО2 почвами экотонной зоны севера Западной Сибири // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1034–1048.
  39. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Хорошаев Д.А., Аблеева В.А. Температурная чувствительность дыхания почв луговых ценозов в зоне умеренно-континентального климата: анализ данных 25-летнего мониторинга // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1059–1076.
  40. Осипов А.Ф. Эмиссия СО2 с поверхности почвы на 10-летней вырубке среднетаежного сосняка черничного на европейском Северо-Востоке России // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1049–1058.
  41. Суховеева О.Э., Карелин Д.В., Золотухин А.Н., Почикалов А.В. Дыхание почвы в аграрных и природных экосистемах европейской территории России // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1077–1088.
  42. Maier M., Weber T.K., Fiedler J., Fuss R., Glatzel S., Huth V., Jordan S., Jurasinski G., Kutzbach L., Schäfer K., Weymann D., Hagemann U. Introduction of a guideline for measurements of greenhouse gas fluxes from soils using non‐steady‐state chambers // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2022. V. 185. № 4. P. 447–461.
  43. Hutchinson G.L., Livingston G.P. Vents and seals in non-steady-state chambers used for measuring gas exchange between soil and the atmosphere // Eur. J. Soil Sci. 2001. V. 52. № 4. P. 675–682.
  44. Мина В.Н., Макаров Б.Н., Мацкевич В.Б., Штатнов В.И. Методы изучения воздушного режима почв при стационарных исследованиях // Почвоведение. 1963. № 6. С. 48–57.
  45. Штатнов В.И. К методике определения биологической активности почвы // Докл. ВАСХНИЛ. 1952. Вып. 6. С. 27–30.
  46. Knoepp J.D., Vose J.M. Quantitative comparison of in situ soil CO2 flux measurement methods. Resch. Pap. SRS-28. Asheville, NC: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Southern Research Station. 2002. 11 p.
  47. Minderman G., Vulto I.C. Comparison of techniques for the measurement of carbon dioxide evolution from soil // Pedobiologia. 1973. V. 13. № 2. P. 73–80.
  48. Курганова И.Н., Розанова Л.Н., Сапронов Д.В., Мяк- шина Т.Н., Кудеяров В.Н. Оценка эмиссии диоксида углерода из пахотных серых лесных почв // Агрохимия. 2002. № 9. С. 52–57.
  49. Ларионова А.А., Розанова Л.Н. Суточная, сезонная и годовая динамика выделения СО2 из почвы. Дыхание почвы. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1993. С. 59–68.
  50. Меняйло О.В., Матвиенко А.И., Степанов А.Л., Макаров М.И. Определение потока СО2 из почв: роль глубины колец // Экология. 2015. № 2. С. 120–124.
  51. Головацкая Е.А., Дюкарев Е.А. Влияние факторов среды на эмиссию СО2 с поверхности олиготрофных торфяных почв Западной Сибири // Почвоведение. 2012. № 6. С. 658–658.
  52. Parkin T.B., Kaspar T.C. Temperature controls on diurnal carbon dioxide flux // Soil Sci. Soc. Amer. J. 2003. V. 67. № 6. P. 1763–1772.
  53. Coleman D.C. Soil carbon balance in a successional grassland // Oikos. 1973. V. 24. P. 195–199.
  54. Gupta S.R., Singh J.S. Effect of alkali concentration, volume and absorption area on the measurement of soil respiration in a tropical sward // Pedobiologia. 1977. V. 17. P. 233–239.
  55. Sharkov I.N. Determination of the rate of soil CO2 production by the absorption method // Soviet Soil Sci. 1984. V. 16. № 3. P. 102–111.
  56. Matthias A.D., Blackmer A.M., Bremner J.M. A simple chamber technique for field measurement of emissions of nitrous oxide from soils // J. Environ. Qual. 1980. V. 9. № 2. P. 251–256.
  57. Шарков И.Н. Исследование параметров раствора щелочи как абсорбента СО2 при определении дыхания почвы // Почвоведение. 1983. № 1. С. 132–138.
  58. McDermit D.K., Xu L., Madsen R., Demetriades-Shah T., Garcia R., Furtaw M. Feedback of ambient air CO2 concentration on soil CO2 efflux // Geophys. Res. Abstr. 2007. V. 9. P. 10613.
  59. Kucera C.L., Kirkham D.R. Soil respiration studies in tallgrass prairie in Missouri // Ecology. 1971. V. 52. № 5. P. 912–915.
  60. Jensen L.S., Mueller T., Tate K.R., Ross D.J., Magid J., Nielsen N.E. Soil surface CO2 flux as an index of soil respiration in situ: A comparison of two chamber methods // Soil Biol. Biochem. 1996. V. 28. № 10–11. P. 1297–1306.
  61. Иванникова Л.А. Применение абсорбционного метода для определения естественного потока СО2 из почвы // Почвоведение. 1992. № 6. С. 133–139.
  62. Freijer J.I., Bouten W. A comparison of field methods for measuring soil carbon dioxide evolution: experiments and simulation // Plant and Soil. 1991. V. 135. № 1. P. 133–142.
  63. Kirita H. Re-examination of the absorption method of measuring soil respiration under field conditions. II. Effect of the size of the apparatus on CO2-absorption rates // Jap. J. Ecol. 1971. V. 21. P. 37–42.
  64. Anderson J.P.E. Soil respiration // Methods of soil analysis. P. 2. Chemical and microbiological properties / Ed. Page A.L. Madison, WI: Soil Science Society of America, 1982. P. 837–871.
  65. Mina V.N. Comparison of methods for determining the intensity of soil respiration // Sov. Soil Sci. 1962. V. 10. Р. 1188–1192.
  66. Golovatskaya E.A., Dyukarev E.A. CO2 Emission from oligotrophic peatland soil of Western Siberia // Environ. Dynamic. Global Climate Change. 2010. V. 1. № 2. P. 7.
  67. Сычев В.Г., Налиухин А.Н., Шевцова Л.К., Рухович О.В., Беличенко М.В. Влияние систем удобрения на содержание почвенного органического углерода и урожайность сельскохозяйственных культур: результаты длительных полевых опытов Географической сети России // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1521–1536.
  68. Сычев В.Г., Налиухин А.Н., Ерегин А.В., Шарапова Н.Р., Демидов Д.В. Углерод-секвестрирующая оценка различных систем удобрения и определение эмиссии N2O в длительном полевом опыте // Плодородие. 2022. № 6. С. 73–77.
  69. Prokopyeva K., Romanenkov V., Sidorenkova N., Pavlova V., Siptits S., Krasilnikov P. The Effect of crop rotation and cultivation history on predicted carbon sequestration in soils of two experimental fields in the Moscow region, Russia // Agronomy. 2021. V. 11. P. 226.
  70. Titlyanova A.A., Shibareva S.V. Change in the net primary production and carbon stock recovery in fallow soils // Euras. Soil Sci. 2022. V. 55. P. 501–510.
  71. Щерба С.В., Юдин Ф.А. Методика полевого опыта с удобрениями // Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 526–584.
  72. Титлянова А.А., Базилевич Н.И., Шмакова Е.И., Снытко В.А., Дубынина С.С., Магомедова Л.Н., Нефедьева Л.Г., Семенюк Н.В., Тишков А.А., Ти Т., Хакимзянова Ф.И., Шатохина Н.Г., Кыргыс Ч.О., Самбуу А.Д. Биологическая продуктивность травяных экосистем. Географические закономерности и экологические особенности. Новосибирск: ИПА СО РАН, 2018. 110 с.
  73. Subke J.A., Inglima I., Cotrufo M.F. Trends and methodological impacts in soil CO2 efflux partitioning: A metaanalytical review // Global Change Biol. 2006. V. 12. P. 921–943.
  74. Шульгин А.М. Температурный режим почвы. Л.: Гимиз, 1957. 242 с.
  75. Birch H.F. The effect of drying on humus decomposition and nitrogen availability // Plant and Soil. 1958. V. 10. P. 9–31.
  76. Шарков И.Н. Изучение минерализации и баланса органического вещества в почвах агроценозов // Методы исследований органического вещества почв. М.: Россельхозакадемия–ВНИПТИОУ, 2005. С. 359–376.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Dynamics of CO2 absorption from air by alkali solutions of different concentrations [57].

下载 (103KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Dynamics of CO2 uptake by 10 ml of 1 n NaOH in determining soil respiration at 0-24 h exposure (1) and in total at 0-8, 8-16, and 16-24 h exposures (2) [28].

下载 (81KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Comparative determination of the degree of mineralization of14C-labeled wheat straw in fallow (A) and plant-occupied (B) soil [76].

下载 (93KB)
索引源数据
5. Fig. 4. General view of the site for determination of CO2 emission by steaming soil on microdividers (insulator vessels with removed lids between measurements) [76].

下载 (142KB)
索引源数据

版权所有 © The Russian Academy of Sciences, 2024