ANALYSING THE TRANSFORMATION OF FOREST LITTER’S ORGANIC MATTER ON DIFFERENT STAGES OF SECONDARY SUCCESSION OF A MIDDLE TAIGA FOREST USING THE FOURIER-TRANSFORM INFRARED SPECTROMETRY

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Organic matter decomposition is a key process in the carbon cycle that controls the rate of carbon dioxide emission, carbon accumulation in the soil, and the availability of mineral elements for plants. Changes in the forest stand’s composition during secondary succession result in changes in the quality of litter, which affects the rate and depth of its transformation. We analysed how the chemical structure of the L-horizons of litter changes from October to August at different stages of secondary succession in typical forest ecosystems of Western Siberia’s middle taiga using IR spectrometry and elemental analysis. It turned out that the structure of organic matter in the L-horizons was transformed to the largest degree at intermediate stages of succession (in an aspen forest with a dark coniferous second storey), while at previous (monodominant aspen forests) and subsequent successional stages (mixed and dark coniferous forests), changes were less pronounced. These changes include a decrease in the proportion of relatively easily decomposable components (cellulose and carbohydrates) and accumulation of aromatic compounds and polyesters that are more recalcitrant to decomposition. Aspen forest with the dark coniferous second storey and dark coniferous forest turned out to be the objects with the highest difference in terms of changes in the litter’s elemental composition: the ratio of total carbon to nitrogen over the period from October to August increased the least in the former and the most in the latter. This combination of IR spectrometry and elemental analysis results can be explained by differences in the efficiencies of depolymerisation of nitrogen-containing compounds in litter. In general, the obtained results show that litter transformation during decomposition does not always depend only on its initial quality, even in closely located ecosystems where physical conditions are virtually identical. The functioning of the microbial community may be the cause of these differences in transformation at different stages of succession.

About the authors

A. F. Sabrekov

Yugra State University

Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation

I. V. Kupriianova

Yugra State University

Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation

A. A. Koval

Yugra State University

Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation

D. V. Ilyasov

Yugra State University

Author for correspondence.
Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation

M. V. Glagolev

Yugra State University; Moscow State University, Soil Science Faculty; Institute of Forest Science of the RAS

Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation; Leninskie Gory 1 bldg. 12, Moscow, 119991 Russian Federation; Sovetskaya st. 21, Uspenskoe, Moscow Oblast, 143030 Russian Federation

E. D. Lapshina

Yugra State University

Email: sabrekovaf@gmail.com
Chekhova st. 16, Khanty-Mansiysk, 628012 Russian Federation

References

  1. Adamczyk B., How do boreal forest soils store carbon?, BioEssays, 2021, Vol. 43, No. 7, p. 2100010. https://doi.org/10.1002/bies.202100010
  2. Akkumulyatsiya ugleroda v lesnykh pochvakh i suktsessionnyi status lesov (Carbon accumulation in forest soils and forest succession status), Moscow: Tovarishchestvo nauchnykh izdanii KMK, 2018, 232 p.
  3. Angst G., Mueller K.E., Nierop K.G.J., Simpson M.J., Plant- or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter, Soil Biology and Biochemistry, 2021, Vol. 156, p. 108189. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108189
  4. Artemkina N.A., Vzaimosvyazi fenol'nykh soedinenii, taninov, lignina, azota i ugleroda v rasteniyakh el'nikov kustarnichkovo-zelenomoshnykh na Kol'skom poluostrove (Physical-mechanical wood properties of pine culture of different planting density in Tambov region), Lesovedenie, 2023, No. 1, pp. 35–43. https://doi.org/10.31857/S0024114823010047.
  5. Basova E.V., Lukina N.V., Kuznetsova A.I. et al., Kachestvo drevesnogo opada kak informativnyi indikator funktsional'noi klassifikatsii lesov (Quality of wood litter as an informative indicator of functional classification of forests), Voprosy lesnoi nauki, 2022, Vol. 5, No. 3, pp. 1–21. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202252-113
  6. Berezin G.V., Kapitsa E.A., Shorokhova E.V., Sovremennye predstavleniya o razlozhenii drevesnogo opada v lesnykh ekosistemakh (Modern concepts of decomposition of wood litter in forest ecosystems), In: Lesa Rossii: politika, promyshlennost', nauka, obrazovanie (Forests of Russia: policy, industry, science, education). 2023, pp. 118–120.
  7. Bogatyrev L.G., O klassifikatsii lesnykh podstilok (On forest liters classification), Pochvovedenie, 1990, No. 3, pp. 118–127.
  8. Canadell J.G., Monteiro P.M.S., Costa M.H. et al., Syampungani S., Zaehle S., Zickfeld K., Global carbon and other biogeochemical cycles and feedbacks, Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change, Cambridge University Press, 2021, pp. 673–816.
  9. Cotrufo M.F., del Galdo I., Litter decomposition: concepts, methods and future perspectives, Soil Carbon Dynamics, 2009, pp. 76–90.
  10. Cotrufo M.F., Galdo I.D. Piermatteo D., Litter decomposition: concepts, methods and future perspectives, Soil Carbon Dynamics: An Integrated Methodology, Cambridge: Cambridge University Press, 2010, pp. 76–90.
  11. Fernández-Alonso M.J., Yuste J.C., Kitzler B., Ortiz C., Changes in litter chemistry associated with global change-driven forest succession resulted in time–decoupled responses of soil carbon and nitrogen cycles, Soil Biology and Biochemistry, 2018, Vol. 120, pp. 200–211. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.02.013
  12. Ge X., Zeng L., Xiao W. et al., Effect of litter substrate quality and soil nutrients on forest litter decomposition: A review, Acta Ecologica Sinica, 2013, Vol. 33, No. 2, pp. 102–108. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2013.01.006
  13. Grabska J., Beć K.B., Huck C.W., Current and future applications of IR and NIR spectroscopy in ecology, environmental studies, wildlife and plant investigations, Comprehensive Analytical Chemistry, 2021, Vol. 98, pp. 45–76. https://doi.org/10.1016/bs.coac.2020.08.002
  14. Heller C., Ellerbrock R.H., Roßkopf N., Klingenfuß C., Zeitz J., Soil organic matter characterization of temperate peatland soil with FTIR‐spectroscopy: Effects of mire type and drainage intensity, European J. of Soil Science, 2015, Vol. 66, No. 5, pp. 847–858. https://doi.org/10.1111/ejss.12279
  15. Hodgkins S.B., Richardson C.J., Dommain R. et al., Tropical peatland carbon storage linked to global latitudinal trends in peat recalcitrance, Nature Communications, 2018, Vol. 9, No. 1, p. 3640. https://doi.org/10.1038/s41467-018-06050-2
  16. Ivanov A.V., Lynov D.V., Panfilova E.V., Braun M., Zamolodchikov D.G., Forest litters as a link in the carbon cycle in coniferous–broadleaved forests of the Southern Far East of Russia, Eurasian Soil Science, 2018, Vol. 51, No. 10, pp. 1164–1171.
  17. Ivanov A.V., Zapasy lesnykh podstilok v kedrovo-shirokolistvennykh lesakh Yuzhnogo Sikhote-Alinya (Forest Litter Stocks in Korean Pine-Broad-Leaved Forests of the Southern Sikhote Alin), Sibirskii lesnoi zhurnal, 2015, No. 5, pp. 87–95. https://doi.org/10.15372/SJFS20150507
  18. Ivanova E.A., Formirovanie i razlozhenie drevesnogo opada v lesnykh ekosistemakh v fonovykh usloviyakh i pri aerotekhnogennom zagryaznenii (Tree litter production and decomposition in forest ecosystems under background conditions and industrial air pollution), Voprosy lesnoi nauki, 2021, Vol. 4, No. 3, pp. 1–52. https://doi.org/10.31509/2658-607x-202143-87
  19. Kharuk V.I., Ponomarev E.I., Ivanova G.A., Dvin- skaya M.L., Coogan S.C.P., Flannigan M.D., Wildfires in the Siberian taiga, Ambio, 2021, Vol. 50, No. 11, pp. 1953–1974. https://doi.org/10.1007/s13280-020-01490-x
  20. Kobak K.I., Bioticheskie komponenty uglerodnogo tsikla (Biotic components of the carbon cycle), Leningrad: Gidrometeoizdat, 1988, 248 p.
  21. Kupriianova I.V., Kaverin A.A., Filippov I.V. et al., The main physical and geographical characteristics of the Mukhrino field station area and its surroundings, Environmental Dynamics and Global Climate Change, 2022, Vol. 13, No. 4, pp. 215–252. https://doi.org/10.18822/edgcc240049
  22. Kuznetsov M.A., Vliyanie uslovii razlozheniya i sostava opada na kharakteristiki i zapas podstilki v srednetaezhnom chernichno-sfagnovom el'nike (Effect of decomposition conditions and falloff composition on litter reserves and characteristics in a bilberry-sphagnum spruce forest of middle taiga), Lesovedenie, 2010, No. 6, pp. 54-60.
  23. Laganière J., Pare D., Bradley R.L., How does a tree species influence litter decomposition? Separating the relative contribution of litter quality, litter mixing, and forest floor conditions, Canadian J. of Forest Research, 2010, Vol. 40, No. 3, pp. 465–475.
  24. Legendre P., Legendre L., Numerical ecology, Developments in Environmental Modelling, Vol. 24, Amsterdam: Elsevier Science BV, 2012, 989 p.
  25. Lukina N.V., Global'nye vyzovy i lesnye ekosistemy (Global challenges and forest ecosystems), Vestnik RAN, 2020, Vol. 90, No. 6, pp. 528–532. https://doi.org/10.31857/S0869587320060080
  26. Pandey K.K., Pitman A.J., FTIR studies of the changes in wood chemistry following decay by brown–rot and white–rot fungi, International Biodeterioration and Biodegradation, 2003, Vol. 52, No. 3, pp. 151–160. https://doi.org/10.1016/S0964-8305(03)00052-0
  27. Prăvălie R., Major perturbations in the Earth's forest ecosystems. Possible implications for global warming, Earth-Science Reviews, 2018, Vol. 185, pp. 544–571. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2018.06.010
  28. Reuter H., Gensel J., Elvert M., Zak D., Evidence for preferential protein depolymerization in wetland soils in response to external nitrogen availability provided by a novel FTIR routine, Biogeosciences, 2020, Vol. 17, No. 2, pp. 499–514. https://doi.org/10.5194/bg-17-499-2020
  29. Semenov V.M., Tulina A.S., Semenova N.A., Ivanniko- va L.A., Humification and nonhumification pathways of the organic matter stabilization in soil: A review, Eurasian Soil Science, 2013, Vol. 46, No. 4, pp. 355–368.
  30. Soong J.L., Parton W.J., Calderon F., Campbell E.E., Cotrufo M.F., A new conceptual model on the fate and controls of fresh and pyrolized plant litter decomposition, Biogeochemistry, 2015, Vol. 124, No. 1–3, pp. 27–44. https://doi.org/10.1007/s10533-015-0079-2
  31. Volkov D.S., Rogova O.B., Proskurnin M.A., Organic matter and mineral composition of silicate soils: FTIR comparison study by photoacoustic, diffuse reflectance, and attenuated total reflection modalities, Agronomy, 2021, Vol. 11, No. 9, pp. 1879. https://doi.org/10.3390/agronomy11091879
  32. Wardle D.A., Bardgett R.D., Klironomos J.N. et al., Ecological linkages between aboveground and belowground biota, Science, 2004, Vol. 304, No. 5677, pp. 1629–1633. https://doi.org/10.1126/science.1094875
  33. Yang K., Zhu J., Zhang W. et al., Litter decomposition and nutrient release from monospecific and mixed litters: Comparisons of litter quality, fauna and decomposition site effects, J. of Ecology, 2022, Vol. 110, No. 7, pp. 1673–1686. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13902
  34. Zechmeister-Boltenstern S., Keiblinger K.M., Mooshammer M. et al., The application of ecological stoichiometry to plant–microbial–soil organic matter transformations, Ecological Monographs, 2015, Vol. 85, No. 2, pp. 133–155. https://doi.org/10.1890/14-0777.1
  35. Zhang K., Cheng X., Dang H. et al., Linking litter production, quality and decomposition to vegetation succession following agricultural abandonment, Soil Biology and Biochemistry, 2013, Vol. 57, pp. 803–813. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.08.005

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».