Variability of CO2 Fluxes During Spruce Forest Dieback at “Log Tayozhny” Eco-Climatic Station in Novgorod Oblast, Russia

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The article presents the results of long-term monitoring of net ecosystem exchange and carbon dioxide emissions from soil and dead wood in a forest ecosystem undergoing drying and spruce stand dieback at the footprint of the “Log Tayozhny” eco-climatic field station (Valdai National Park, Novgorod oblast, Russia). The death and decay of overmature even-aged spruce stands caused by periodic droughts, the impact of bark beetle and wood-destroying fungi, and windfalls result in reduction of primary production and increase of the respiration component of the CO2 balance and its long-term shift to the region of a pronounced carbon source for the atmosphere, whereas the direct impact of rising temperatures does not lead to such an effect.

About the authors

A. V. Shilkin

Federal State Budgetary Institution “RPA “Typhoon”,”; Center for Forest Ecology and Productivity Problems of the Russian Academy of Sciences; Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology Russian Federation

Obninsk, Russia; Moscow, Russia; Moscow, Russia

D. V. Karelin

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: dkarelin7@gmail.com
Moscow, Russia

D. G. Zamolodchikov

Center for Forest Ecology and Productivity Problems of the Russian Academy of Sciences; Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology Russian Federation

Moscow, Russia; Moscow, Russia

A. S. Kumanyaev

Center for Forest Ecology and Productivity Problems of the Russian Academy of Sciences; Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology Russian Federation

Moscow, Russia; Moscow, Russia

S. V. Bubenchikov

State Hydrological Institute

Valdai Branch Valdai, Russia

A. S. Marunich

State Hydrological Institute

Valdai Branch Valdai, Russia

K. N. Visheratin

Federal State Budgetary Institution “RPA “Typhoon”,”

Obninsk, Russia

D. A. Nikitin

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute

Moscow, Russia

V. N. Korotkov

Center for Forest Ecology and Productivity Problems of the Russian Academy of Sciences; Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology Russian Federation

Moscow, Russia; Moscow, Russia

References

  1. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Изд-во МГУ, 1956. 127 с.
  2. Алферов А.М. и др. Мониторинг потоков парниковых газов в природных экосистемах / под ред. Д.Г. Замолодчикова, Д.В. Карелина, М.Л. Гитарского, В.Г. Блинова. Саратов: Амирит, 2017. 279 с.
  3. Бурба Г.Г. и др. Метод турбулентных пульсаций. Краткое практич. руководство. М.: ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН, 2016. 223 с.
  4. Гитарский М.Л. и др. Сезонная изменчивость эмиссии диоксида углерода при разложении елового валежа южной тайги Валдая // Лесоведение. 2020. № 3. C. 239–249. https://doi.org/10.31857/S0024114820030055
  5. Докл. об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2024 год. М.: Росгидромет, 2025. 135 с.
  6. Замолодчиков Д.Г. и др. Мониторинг циклов диоксида углерода и водяного пара на полигоне “Лог Таежный” (Валдайский национальный парк) // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. № 1. C. 54–68. https://doi.org/10.21513/2410-8758-2017-1-54-68
  7. Заугольнова Л.Б., Морозова О.В. Типология и классификация лесов Европейской России: методические подходы и возможности их реализации // Лесоведение. 2006. № 1. C. 34–48.
  8. Карелин Д.В., Азовский А.И., Куманяев А.С., Замолодчиков Д.Г. Значение пространственного и временного масштаба при анализе факторов эмиссии СО2 из почвы в лесах Валдайской возвышенности // Лесоведение. 2019. № 1. C. 29–37. https://doi.org/10.1134/S0024114819010078
  9. Карелин Д.В., Куманяев А.С., Шилкин А.В., Коротков В.Н., Замолодчиков Д.Г. В чем смысл оценки точечных источников и стоков парниковых газов в лесных экосистемах? / Научные основы устойчивого управления лесами: матер. Всерос. научн. конф. с международ. уч., посвящ. 30-летию ЦЭПЛ РАН (25–29 апреля 2022 г., Москва). М.: ЦЭПЛ РАН, 2022. C. 228–230.
  10. Карелин Д.В., Почикалов А.В., Замолодчиков Д.Г. Эффект усиления эмиссии СО2 в окнах распада лесов Валдая // Изв. РАН. Сер. геогр. 2017. № 2. C. 60–68.
  11. Кудеяров В.Н. Почвенное дыхание и секвестрация углерода (обзор) // Почвоведение. 2023. № 9. C. 1011–1022. https://doi.org/10.31857/S0032180X23990017
  12. Курганова И.Н., Горчарова О.Ю., Замолодчиков Д.Г., Карелин Д.В., Кузнецов М.А., Лопес де Гереню В.О., Мошкина Е.В., Суховеева О.Э., Хорошаев Д.А. Определение эмиссии СО2 из почв камерным методом в различных типах экосистем. М.: Перо, 2024. 28 с.
  13. Курганова И.Н. и др. Пилотная национальная сеть мониторинга дыхания почвы на территории России: первые результаты и перспективы развития // Докл. РАН. Науки о Земле. 2024. Т. 519. № 1. С. 550–559. https://doi.org/10.31857/S2686739724110197
  14. Куричева О.А. и др. Мониторинг экосистемных потоков парниковых газов на территории России: сеть Ruflux // Изв. РАН. Сер. геогр. 2023. Т. 87. № 4. С. 512–535.
  15. Люри Д.И., Карелин Д.В., Кудиков А.В., Горячкин С.В. Изменение почвенного дыхания в ходе постагрогенной сукцессии на песчаных почвах в южной тайге // Почвоведение. 2013. № 9. C. 1060–1072.
  16. Об утверждении Перечня лесорастительных зон Российской Федерации и Перечня лесных районов Российской Федерации. Приказ Минприроды России от 18.08.2014 № 367 (ред. от 02.08.2023). (Зарегистрировано в Минюсте России 29.09.2014 № 34186). https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_169590/ (дата обращения 21.03.2025).
  17. Ольчев А.В., Мамкин В.В., Авилов В.К., Байбар А.С., Иванов Д.Г., Курбатова Ю.А. Сезонная динамика потоков диоксида углерода, явного и скрытого тепла на свежей сплошной вырубке в южно-таежной зоне европейской части России // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2017. Т. 28. № 4. С. 5–23. https://doi.org/10.21513/0207-2564-2017-4-5-23
  18. Парижское соглашение. Организация Объединенных Наций, 2015. https://unfccc.int/sites/default/files/russian_paris_agreement.pdf (дата обращения 21.03.2025).
  19. Романовская А.А. Климатический мониторинг: методы, результаты, перспективы развития в России: в кн. Глобальное потепление: картография российских климатических наук. СПб.: Изд-во Европейского ун-та в Санкт-Петербурге, 2024. С. 255–289.
  20. Романовская А.А., Гинзбург В.А., Гладильщикова А.А. Возможности усовершенствования системы расчетного мониторинга антропогенных выбросов парниковых газов и черного углерода на территории Российской Федерации // Проблемы прогнозирования. 2023. № 6 (201). C. 37–52. https://doi.org/10.47711/0868-6351-201-37-52
  21. Сафонов С.С., Карелин Д.В., Грабар В.А., Латышев Б.А., Грабовский В.И., Уварова Н.Е., Замолодчиков Д.Г., Коротков В.Н., Гитарский М.Л. Эмиссия диоксида углерода от разложения валежа в южнотаёжном ельнике // Лесоведение. 2012. № 5. C. 44–49.
  22. Суховеева О.Э., Карелин Д.В. Оценка дыхания почв с помощью модели Райха-Хашимото: параметризация и прогноз // Изв. РАН. Сер. геогр. 2022. Т. 86. № 4. С. 519–527.
  23. Уткин А.И., Замолодчиков Д.Г., Гульбе Т.А., Гульбе Я.И. Аллометрические уравнения для фитомассы по данным деревьев сосны, ели, березы, и осины в Европейской части России // Лесоведение. 1996. № 6. C. 36–46.
  24. Федоров С.Ф. Исследование элементов водного баланса в лесной зоне Европейской территории СССР. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. 264 с.
  25. Юзбеков А.К., Замолодчиков Д.Г., Иващенко А.И. Фотосинтез у ели европейской в лесных экосистемах экспериментального полигона “Лог Таежный” // Вестн. МГУ. Серия 16. Биология. 2014. № 4. C. 32–35.
  26. Юзбеков А.К., Иващенко А.И., Куманяев А.С. Оценка углекислотного газообмена ели европейской в лесных сообществах Валдая // Успехи современного естествознания. 2017. № 6. C. 118–122.
  27. Baldocchi D.D. How eddy covariance flux measurements have contributed to our understanding of Global Change Biology // Global Change Biology. Vol. 26. P. 242–260. https://doi.org/10.1111/gcb.14807
  28. Gitarskiy M.L., Zamolodchikov D.G., Mukhin V.A., Grabar V.A., Diyarova D.K., Ivashchenko A.I. Carbon Fluxes from Coarse Woody Debris in Southern Taiga Forests of the Valdai Upland // Rus. J. Ecol. 2017. Vol. 48. № 6. P. 539–544. https://doi.org/10.1134/S1067413617060030
  29. Giasson M.-A., et al. Soil respiration in a northeastern US temperate forest: a 22-year synthesis // Ecosphere. 2013. Vol. 4. № 11. Art. 140. http://dx.doi.org/10.1890/ES13.00183.1
  30. Hamdi S., Moyano F., Sall S., Bernoux M., Chevallier T. Synthesis analysis of the temperature sensitivity of soil respiration from laboratory studies in relation to incubation methods and soil conditions // Soil Biol. and Biochem. 2013. Vol. 58. P. 115–126. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.012
  31. Hibbard K.A., Law B.E., Reichstein M., Sulzman J. An analysis of soil respiration across northern hemisphere temperate ecosystems // Biogeochemistry. 2005. Vol. 73. P. 29–70. https://doi.org/10.1007/s10533-004-2946-0
  32. Huang N., Wang L., Song X.-P., Black T.A., Jassal R.S., Myneni R.B., Wu C., Wang L., Song W., Ji D., Yu S., Niu Z. Spatial and temporal variations in global soil respiration and their relationships with climate and land cover // Sci. Advances. 2020. Vol. 6. Art. 8508. https://doi.org/10.1126/sciadv.abb8508
  33. IPCC: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley (Eds.). Cambridge, UK and NY, USA: Cambridge Univ. Press, 2022. https://doi.org/10.1017/9781009157926
  34. Jian J., Vargas R., Anderson-Teixeira K.J., Stell E., Herrmann V., Horn M., Kholod N., Manzon J., Marchesi R., Paredes D., Bond-Lamberty B.P. A Global Database of Soil Respiration Data. Ver. 5.0. Oak Ridge: ORNL DAAC, 2021. https://doi.org/10.3334/ORNLDAAC/1827
  35. Karelin D.V., Pochikalov A.V., Zamolodchikov D.G., Gitarskii M.L. Factors of Spatiotemporal Variability of CO2 Fluxes from Soils of Southern Taiga Spruce Forests of Valdai // Contemporary Problems of Ecology. 2014. Vol. 7 (7). P. 743–752.
  36. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Isaev A.S. Unconsidered sporadic sources of carbon dioxide emission from soils in taiga forests // Dokl. Biol. Sci. 2017b. Vol. 475. P. 165–168.
  37. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Kaganov V.V., Pochikalov A.V., Gitarskii M.L. Microbial and root components of respiration of Sod-Podzolic soils in boreal forest // Contemporary Problems of Ecology. 2017a. Vol. 10 (7). P. 717–727. https://doi.org/10.1134/S199542551707006X
  38. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Shilkin A.V., Kumanyaev A.S., Popov S.Yu., Tel’nova N.O., Gitarskiy M.L. The Long-Term Effect of Ongoing Spruce Decay on Carbon Exchange in Taiga Forests // Dokl. Earth Sci. 2020. Vol. 493 (1). P. 558–561.
  39. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Shilkin A.V., Popov S.Yu., Kumanyaev A.S., Lopes de Gerenyu V.O., Tel’nova N.O., Gitarskiy M.L. The effect of tree mortality on CO2 fluxes in an old-growth spruce forest // European J. Forest Res. 2021. Vol. 140 (2). P. 287–305.
  40. Khanina L., Bobrovsky M., Smirnov V., Romanov M. Wood decomposition, carbon, nitrogen, and pH values in logs of 8 tree species 14 and 15 years after a catastrophic windthrow in a mesic broad-leaved forest in the East European plain // Forest Ecology and Management. 2023. Vol. 545. Art. 121275. P. 1–17.
  41. Kljun N., Rotach M.W., Calanca P. A simple parameterisation for flux footprint predictions // Bound.-Lay. Meteorol. 2004. Vol. 112. P. 503–523.
  42. Kurganova I.N., et al. A Pilot National Network for Monitoring Soil Respiration In Russia: First Results and Prospects of Development // Dokl. Earth Sci. 2024. Vol. 519. P. 1947–1954. https://doi.org/10.1134/S1028334X24603377
  43. Mamkin V., Kurbatova J., Avilov V., Mukhartova I., Krupenko A., Ivanov D., Levashova N., Olchev A. Changes in net ecosystem exchange of CO2, latent and sensible heat fluxes in a recently clear-cut spruce forest in western Russia: Results from an experimental and modeling analysis // Env. Res. Let. 2016. Vol. 11. Art. 125012. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aa5189
  44. Mukhin V.A., Diyarova D.K., Gitarskiy M.L., Zamolodchikov D.G. Carbon and Oxygen Gas Exchange in Woody Debris: The Process and Climate-Related Drivers // Forests. 2021. Vol. 12. Art. 1156. https://doi.org/10.3390/f12091156
  45. Osipov A.F. Effect of interannual difference in weather conditions of the growing season on the СO2 emission from the soil surface in the middle-taiga cowberry–lichen pine forest (Komi Republic) // Eurasian Soil Sci. 2018. Vol. 51. P. 1419–1426. https://doi.org/10.1134/S1064229318120086
  46. Pastorello G., et al. The FLUXNET2015 dataset and the ONEFlux processing pipeline for eddy covariance data // Sci. Data. 2020. Vol. 7. Art. 225. https://doi.org/10.1038/s41597-020-0534-3
  47. Rebane S., Jõgiste K., Põldveer E., Stanturf J.A., Metslaid M. Direct measurements of carbon exchange at forest disturbance sites: a review of results with the eddy covariance method // Scandinavian J. of Forest Res. 2019. Vol. 34 (7). P. 585–597. https://doi.org/10.1080/02827581.2019.1659849
  48. Smagin A.V., Karelin D.V. Effect of Wind on Soil-Atmosphere Gas Exchange // Eurasian Soil Sci. Vol. 54 (3). P. 372–380. https://doi.org/10.1134/S1064229321030133
  49. Virkkala A.-M., et al. The ABCflux database: Arctic–boreal CO2 flux observations and ancillary information aggregated to monthly time steps across terrestrial ecosystems // Earth Syst. Sci. Data. 2022. Vol. 14. P. 179–208. https://doi.org/10.5194/essd-14-179-2022

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).