Potential of idle agricultural lands of the post-soviet ...

1 downloads 0 Views 3MB Size Report
Mar 3, 2015 - in the Altai region for podzolic sandy loam soils – decrease by 11 %, in ...... the Virgin Lands Campaign in 1954, to 2010 in Kostanay Province, ...
Potential of idle agricultural lands of the post-soviet area to mitigate the climate changes and improve an environment Interdisciplinary Workshop March 3-5, 2015 Pushchino, Moscow Region BOOK OF EXTENDED ABSTRACTS

Russian Academy of Sciences  Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences   Dokuchaev Soil Science Society  UK Embassy

Potential of idle agricultural lands   of the post‐soviet area to mitigate the climate changes  and improve an environment  Interdisciplinary Workshop  March 3‐5, 2015  BOOK OF EXTENDED ABSTRACTS  

Pushchino, Moscow region 

УДК  631.4  ББК  40.3           P87          Potential  of  idle  agricultural  lands  of  the  post‐soviet  area  to  mitigate  the  climate  changes  and  improve  an  environment.  Book  of  extended  abstracts  of  International  Interdisciplinary Workshop. Pushchino: IPBPSS RAS, 2015. – 76 p.  

Compiled by Dr. Irina Kurganova  Editors: Dr. Tatiana Khomutova, Dr. Alexander Prishchepov  Computer design by Dr. Sergey Udaltsov

On the cover page: the idle land near Pushchino (photo of Irina Kurganova) 

Printed with the financial support of UK Embassy (Moscow)

© Institute of physicochemical and biological problems  in soil science of the RAS, 2015  

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

        FOREWORD    International Interdisciplinary Workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to  mitigate the climate changes and improve an environment” was held in Pushchino (Moscow region,  Russia) on March, 3–5, 2015.    Workshop was organized and hosted by the Institute of Physicochemical and Biological Problems in  Soil  Science  of  the Russian  Academy  of  Sciences  in  the  frame  and  with  full  financial  support of  the  project of the similar title by UK Embassy.    The  aim  of  the  meeting  was  linking  together  researchers  and  experts,  who  are  interested  in  ecological, socio‐economical, and agricultural problems. Climate change, land use, and carbon cycle  in terrestrial ecosystems are inextricably linked. Man‐made emissions of the greenhouse gases (GHG)  into  the  Earth’s  atmosphere  continue  to  escalate.  The  idle  agricultural  lands  in  Russia  and  former  Soviet  Republics  present  a  huge  potential  for  the  long  term  sequestration  of  carbon  in  soils  and thereby  could  mitigate  current  climate  changes.  Understanding  the  role  of  agrogenic  and  post‐ agrogenic ecosystems in carbon cycles and predicting whether they will be carbon sinks or sources in  future are important to ongoing international dialogue on the subject of climate change.  The main lines for discussion in the frame of workshop were:    Linkage between land use, climate, and carbon cycle in terrestrial ecosystems;   Dynamics of cropland areas in different regions of Russian Federation and former Soviet Union  Republics during XX‐XXI century;    Main elements of carbon balance in post‐agrogenic ecosystems;    Management of the stocks of organic matter in agricultural and abandoned lands;    Risks  associated  with  substantial  GHG  emissions  due  to  the  expected  recultivation  of  abandoned lands in future;   Pathways  for  providing  the  prolonged  mitigation  of  climate  changes  due  to  conservation  farming.    The Food and Agriculture Organization (FAO UNESCO) announced 2015 as the International Year of  Soils, and it is our pleasure to devote our Workshop to this event.     In the book, all papers are put according to the order in the workshop program. 

2015 International Year of Soils

 

3

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

PROGRAMME of International Interdisciplinary Workshop  “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate the climate changes   and improve an environment”    March 3, 2015    1100 – 1315 (Moderator Dmitry Zamolodchikov)    00 45 11  – 11  Irina Kurganova (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  Impact of land use changes on carbon cycle and climate: global and regional aspects    1145 – 1230 Anna Romanovskaya, Nikolay Smirnov (Institute of Global Climate and Ecology of the  Russian Academy of Sciences and Roshydromet; Moscow)  The role of abandoned lands of Russian Federation in mitigating the impacts of climate change in  the present and future     1230 – 1315 Agustin Merino  (Soil Science and Agricultural Chemistry Department, University of  Santiago de Compostela, Spain)  Soil carbon sequestration and soil conservation in new forestlands from Northern Spain    1330‐ 1445 Lunch (Café “Zelenaya zona”)        1445‐ 1845 (Moderators Irina Ryzhova, Vladimir Romanenkov)    1445‐ 1515 Dmitry Zamolodchikov (Centre of Ecology and Productivity of Forests, Russian Academy of  Sciences; Moscow)  Assessment of carbon uptake in biomass due to reforestation of abandoned lands     1515‐ 1545 Irina Ryzhova (Soil Science Department, Moscow State University; Moscow)   Dynamics of stocks and composition of soil organic matter in post‐agrogenic ecosystems of  southern taiga     1545‐ 1630 Dmitry Lyuri (Institute of geography of the Russian Academy of Sciences; Moscow)  Dynamics of agricultural land in Russia and in the world in the XX century    1630‐ 1700 Coffee‐break    1700‐ 1745  Dmitry Karelin (Biological Department, Moscow State University; Moscow)  Long‐term changes of CO2 soil emissionsin a course of post‐agrogenic succession in Podzols and  Chernozems: more similar or more different?    1745‐ 1815 Dmitry Sapronov (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  CO2  emission  from  soils  in  agrogenic  and  post‐agrogenic  ecosystems  in  Moscow  region  under  enhancement of climate aridity  4 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

1815‐ 1845 Valeria Telesnina  (Soil Science Department, Moscow State University; Moscow)  Changes in biodiversity and vegetation structure during the restoration succession of former  farmlands     1900‐ 2100 Dinner (Café “Zelenaya zona”)      March 4, 2015    00 15 9  – 11  (Moderator Dmitry Karelin, Natalia Buchkina)    900 – 945 Аlexander Prishchepov (Department of Geosciences and Natural Resource Management,  University of Copenhagen, Denmark; Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition  Economies, Halle Germany)  Agricultural land‐use change in post‐Soviet countries: status and research priorities    9 45‐ 1030 Vera Pavlova (All‐Russia Research Institute for Agricultural Meteorology, Roshydromet,  Obninsk)  Agroclimatic monitoring for climate change and comparative evaluations of bioclimatic potential  and productivity of crops in 2013‐2014.     1030‐ 1115 Vladimir Romanenkov (All‐Russian Institute of Agrochemistry named after  D.Pryanishnikov, Moscow)  Assessing the possibility of organic carbon stocks management in agricultural and abandoned lands  considering the climate change on the basis of dynamic modelling       15 45 11 ‐ 11  Coffee‐break    1145 – 1215 Valentin Lopes de Gerenyu (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil  Sciences of the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  Pathways for providing the prolonged mitigation of climate changes due to conservation farming:  analysis and ecological reasoning    1215 – 1245 Natalia Buchkina (Agrophysical Research Institute, St. Petersburg)  Nitrous oxide emission from soils under different land use     1245 – 1315 Alyena Ryzhiya (Agrophysical Research Institute, St. Petersburg)  Biochar as soil ameliorant for light‐textured Spodosol     15 13  – 1335 Natalia Zinyakova (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  Effect of conventional and organic agriculture on environment: experimental study in Tula region     1335 – 1355 Agustin Merino  (Soil Science and Agricultural Chemistry Department, University of  Santiago de Compostela, Spain)   A differential scanning calorimetry is a promising tool to measure the recalcitrance of SOM     1400‐ 1500 Lunch (Café “Zelenaya zona”)  2015 International Year of Soils

 

5

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

      1500‐ 1845 (Moderators Irina Kurganova, Alexander Prishchepov)    1500 – 1530 Аlexander Prishchepov (Department of Geosciences and Natural Resource Management,  University of Copenhagen, Denmark; Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition  Economies, Halle Germany)  Relationship of anthropogenic fires with agricultural production and abandoned lands in European  Russia: Ryazan province case study    1530 – 1600 Dmitry Sapronov (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  The effect of fires on carbon pools and fluxes in grassland ecosystems    1600 – 1630 Sergey Torbatov (Ryazan State University named for S.A. Esenin; Ryazan)  Abandoned land as a factor of landscapes resistance to anthropogenic mercury deposition       1630‐ 1700 Coffee‐break    1700‐ 1720  Аlexander Prishchepov (Department of Geosciences and Natural Resource Management,  University of Copenhagen, Denmark; Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition  Economies, Halle Germany) Dynamics and determinants of agricultural land‐use change in the former Virgin Lands Campaign  area of Northern Kazakhstan    1720‐ 1740  Vladimir Shanin (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  Risk assessment of increase in carbon losses from abandoned soils due to their secondary  ploughing:   a case study in Moscow and Kostroma regions    1740‐ 1800  Irina Kurganova (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences of  the Russian Academy of Sciences; Pushchino)  Contribution to global warming potential due to virgin land campaign in the former Soviet Union    1800 Closing of Workshop 



2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

IMPACT OF LAND USE CHANGES ON CARBON CYCLE AND CLIMATE: GLOBAL AND REGIONAL  ASPECTS  Irina Kurganova 1 and Alexander Prishchepov 2,3  1

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Sciences   of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia  [email protected]  2  Department of Geosciences and Natural Resource Management,   University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark  3  Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition Economies (IAMO), Halle, Germany  [email protected]  

Abstract:  The  greatest  C  fluxes  caused  by  land‐cover  change  are  attributed  to  conversion  of  native  vegetation to cropland and vice versa. The abrupt conversion of natural landscapes to croplands in the  eastern Russia and northern Kazakhstan between 1954 and 1963 resulted in C loss at rate of 81.7±6.4 Tg  C  yr‐1.  The  deterioration  of  collective  farming  system  after  the  breakup  of  the  Soviet  Union  led  to  abandonment of 70 Mha of agricultural lands from 1991 to 2010 in former Soviet Union countries and  sequestration  of  C  in  soils  at  rate  of  67.2±5.6  Tg  C  yr‐1  for  study  period.  These  two  massive  land  use  changes in former USSR affected substantially the national C budgets in former Soviet Union countries.   

Most changes from land use to land cover and vice versa significantly affect the amount of carbon (C)  sequestered  in  vegetation  and  soil,  thereby,  shifting  the  C  balance  in  ecosystems  and  affecting  the  climate through greenhouse effect. Globally, the changes in LULC, such as cropland expansion yielded  to release of 156 Pg C (1 Pg = 1015  g) to the atmosphere over the period 1850–1990, which can be  compared  to  about  a  half  of  carbon  release  from  combustion  of  fossil  fuels  over  the  same  period  (Houghton 2003). At the same time, there is a trend of increase of global net annual CO2 emissions  from LULC and land use change from ~0.6 PgC yr−1 in 1850 to ~1.3 PgC yr−1 during the period 1950– 2005  (Houghton  2010).  According  to  recent  estimation,  the  LULC  changes  contribute  about  10%  (1.0±0.5 Pg C) to the global C budget (Global Carbon Project, 2012).    

Due  to  the  significant  changes  in  soil  C  stocks  that  accompany  human  activities,  the  Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has included these changes in national C accounts  (Smith,  2004).  The  sequestration  of  atmospheric  carbon  dioxide  (CO2)  as  SOC  induced  by  the  converting  of  former  agricultural  lands  to  natural  vegetation  contributes  significantly  to  mitigate  climatic changes, and it is a win‐win strategy both in global and in regional scales (Lal, 2004). Recent  session  of  the  United  Nations  Framework  Conventional  on  Climate  Change  (Born,  June,  2013)  initiated a more comprehensive accounting of anthropogenic C emissions and sinks induced by Land  Use, Land Cover, and Forestry.   

The  greatest  C  fluxes  caused  by  LULC  change  are  attributed  to  conversion  of  native  vegetation  to  cropland  and  vice  versa  (Houghton,  Goodale  2004).  For  instance,  carbon  in  the  upper  meter  soil  profile  is  reduced  by  ~25–30%  as  a  result  of  conversion  of  pristine  steppes  into  croplands  (Guo,  Gifford 2002; Murty et al. 2002). Soil C losses due to conversion of forest to croplands vary between  31.1±5.3%  and  53.2±3.4%  depending  on  forest  type,  cultivation  stage,  climate  and  soil  properties  (Wei  et  al.  2014).  Natural  or  human‐induced  afforestation  of  treeless  lands,  former  pastures  and  hayfields, and forest plantations may have contrast effects on total SOC pool. Depending on the land  management, climate and vegetation types, afforestation can increase, but also decrease C stock in  soil (Thuille and Schulse, 2006; Poeplau et al., 2011). The majority of studies clearly demonstrated,  the afforestation resulted in a decrease in SOC stock during the first 10‐15 years, thereafter though  the initial SOC stock is restored and net C accumulation took place (Perez Cruzado et al., 2012).   2015 International Year of Soils

 

7

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015   

Undoubtedly,  the  deforestation  in  the  tropical  forests  (Amazonia,  Southeast  Asia)  has  the  most  significant effect on global carbon budget. Annual carbon loss due to deforestation in the tropics was  estimated to be 2.2 ±  0.6  Pg C during 1990s (Houghton,  2003). In various tropical regions, C losses  due to the decrease of forest area varied between 350 to 1000 Tg C per year (1 Tg = 1012 g; see table).  However,  the  abrupt  shifts  of  agricultural  policy  in  former  Soviet  Union  (FSU)  also  resulted  in  two  massive  LULC  changes  during  the  last  century.  From  1954  to  1963,  approximately  45.2  million  ha  (Mha)  of  natural  landscapes  (mainly  steppes)  in  the  eastern  Russia  and  northern  Kazakhstan  were  converted to croplands. Implementation of such unprecedented “Virgin Land Campaign” resulted in  strong degradation of soils and huge losses of soil organic matter which accounted for ‐81.7±6.4 Tg C  yr‐1  during  the  first  20  years  of  cultivation  and  most  likely  contributed  to  global  warming.  These  C  losses could be compared with of the conversion of prairies to cropland in the mid 1930s in USA.    Examples of carbon cost due to the most significant LULC changes for the last and current centuries over  the world  C loss (‐)   Area/Country  Type of LUC  Period  Reference  or sequestration (+)  Conversion of  Former Soviet  Kurganova et al.,  virgin steppes  1954‐1963  ‐81.7±6.4 Tg C yr‐1  Union  2015 (under review)  to croplands   Hirsch et al., 2004  Legal Amazon Area  Deforestarion  1970‐1998  350 Tg C yr−1  ‐1 Kim Phat et al., 2004  South East Asia  Deforestarion  1980‐2000  ‐465 Tg C yr   −1 Brazilian Amazon  Deforestarion  2000‐2002  ‐500 to ‐1000 Tg C yr Potter et al., 2009  Cropland  Kurganova et al., 2014 Russia  1990‐2009  42.6±3.8 Tg C yr‐1  abandonment  Former Soviet  Cropland  1991‐2010  67.2±5.6 Tg C yr‐1  Present study  Union  abandonment   

The second radical LULC change event in Northern Hemisphere was associated with the breakup of  the  Soviet  Union  in  1991  and  the  collapse  of  collective  farming  system,  when  roughly  70  Mha  of  former agricultural lands in former USSR were abandoned.  The agricultural land abandonment was particularly common in the boreal temperate and grassland  biomes of the world. Once agricultural lands are abandoned and remained idle without cultivation for  some years, natural vegetation gradually occupy the fields, and organic C can accumulate both in soil  and in vegetation. Abandoned agricultural lands in Russia and FSU countries present a huge potential  for long term sequestration of carbon. Early, we showed that the average C accumulation rate in the  upper 20 cm of mineral soil was 0.96 ± 0.08 Mg C ha‐1 yr‐1 for the first 20 years after abandonment  (Kurganova et al., 2014). Our conservative assessment suggests that total C sequestration in soils of  the former USSR could amount for 67.2±5.6 Tg C yr‐1 from 1991 to 2010, and it is in line with other  independent  studies  (e.g.  Schierhorn  et  al.,  2013).  Carbon  sequestration  on  abandoned  lands  can  compensate all fire and post‐fire CO2 emissions in Russia, or to offset approximately 7% of global CO2  emissions associated with LULCC changes. Although, the carbon sequestration due to farming system  collapse  in  former  Soviet  Union  was  less  significant  than  C  loss  due  to  deforestation  in  tropical  regions, it affected considerably the Russian carbon budget and had positive ecological implications,  such as improvement of soils, restoration of native ecosystems and biodiversity.    

Conclusions  Most changes in land cover and land use (e.g., deforestation, conversion of grasslands to croplands,  and  agricultural  land  abandonment)  significantly  affect  the  amount  of  carbon  sequestered  in  8 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

vegetation  and  soil,  thereby,  shifting  the  C  balance  in  ecosystems.  Two  massive  land‐cover  change  events  during  the  last  century,  caused  by  the  abrupt  shifts  in  agricultural  policy  of  Soviet  Union  resulted in more than 45 Mha of steppes conversion into croplands, primarily in eastern Russia and  northern  Kazakhstan.  This  caused  the  C  loss  at  rate  of  81.7±6.4  Tg  C  yr‐1.  The  second  radical  land‐ cover change started in 1991 due to the collapse of Soviet collective farming system, when about 70  Mha  of  agricultural  lands  were  abandoned  across  FSU  countries.  It  resulted  in  substantial  C  sequestration in soil which amounted to 67.2±5.6 Tg C yr‐1 for the period between 1991 and 2010.  Therefore, land use policy of the former USSR significantly affected the national and global C budgets  during the last and current centuries.   

Acknowledgements  This study was supported by UK Embassy (project “Potential of idle agricultural lands of the post‐ soviet area to mitigate the climate changes and improve an environment”).    

References  Honghton R.A., Hackler J.L., Lawrence K.T. (1999) The U.S. carbon budget: contributions from land‐use change.  Science. Vol. 285. P. 574‐578.  Houghton R.A. (2003) Revised estimates of annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land  use and land management 1850‐2000. Tellus (B). Vol. 55. P. 378‐390.  Houghton R.A. (2010) How well do we know the flux of CO2 from land‐use change? Tellus B.  Vol. 62. P. 337– 351.   Global Carbon Project (2012) Available at www.globalcarbonproject.org  Guo L. B., Gifford R.M. (2002) Soil carbon stock and land use change: a meta analysis. Global Change Biol. Vol.  8. P. 345‐360.   Hirsch A.I., Little W., Houghton R.A., Scott  N.A., White J.D. (2004) The net carbon flux due to deforestation and  forest regrowth in the Brazilian Amazon: Analysis using a process‐based model. Global Change Biol. Vol 10.  P.  908–924.  Kim  Phat  N.,  Knorr  W.,  Kim  S.  (2004)  Appropriate  Measures  for  Conservation  of  Terrestrial  Carbon  Stocks  ‐ Analysis of Trends of Forest Management in Southeast Asia. Ecology Management. Vol. 191. P. 283‐299.  Kurganova  I.,  Lopes  de  Gerenyu  V.,  Six  J.,  Kuzyakov  Y.  Сarbon  cost  of  collective  farming  collapse  in  Russia.  Global Change Biology. 2014. Vol. 20(3). P. 938–947.   Lal R. (2004) Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma. Vol. 123. P. 1–22   Murty D., Kirschbaum M.F., McMurtrie R.E., McGilvray H. (2002) Does conversion of forest to agricultural land  change soil carbon and nitrogen? A review of the literature. Global Change Biology.  Vol. 8. P. 105–123.  Pérez‐Cruzado  C.,  Mansilla‐Salinero  P.,  Rodríguez‐Soalleiro  R.,  Merino  A.  (2012)  Influence  of  tree  species  on  carbon sequestration in afforested pastures in a humid temperate region. Plant and soil. Vol. 353. P. 333– 353.  Poeplau C., Don A., Vesterdal L. et al. (2011) Temporal dynamics of soil organic carbon after land‐use change in  the temperate zone – Carbon response functions as a model approach. Global Change Biology.  Vol. 17. P.  2415‐2427.  Potter  C.,  Klooster  S.,  Genovese  V.  (2009)  Carbon  emissions  from  deforestation  in  the  Brazilian  Amazon  Region. Biogeosciences. Vol. 6. P. 2369‐2381.   Schierhorn F Müller D., Beringer T., Prishchepov A.V., Kuemmerle T.,  Balmann A. (2013) Post‐Soviet Cropland  Abandonment  and  Carbon  Sequestration  in  European  Russia,  Ukraine,  and  Belarus.  Global  Biogeochemical  Cycles. Vol. 27(4).  P. 1175–85.  Six  J.,  Ogle  S.M.,  Breidt  F.J.,  Conant  R.T.,  Mosier  A.R.,  Paustian  K.  (2004)  The  potential  to  mitigate  global  warming  with  no‐tillage  management  is  only  realized  when  practised  in  the  long  term.  Global  Change  Biology. Vol. 10. P. 155–160.  Smith P. (2004) Soils as carbon sinks: the global context.  Soil Use Manag. Vol. 20. P. 212‐218.  Thuille A., Schulse E‐D. E.F. (2006) Carbon dynamics in successional and afforested spruce stands in Thuringia  and the Alps. Global Change Biology.  Vol. 12. P. 325–342. 

2015 International Year of Soils

 

9

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015  Wei X., Shao M., Gale W., Li L. (2014) Global pattern of soil carbon losses due to the conversion of forests to  agricultural land. Scientific reports. 4: 4062. DOI: 10.1038/srep04062. 

  THE ROLE OF ABANDONED LANDS OF RUSSIAN FEDERATION IN MITIGATING THE IMPACTS OF  CLIMATE CHANGE IN PRESENT AND FUTURE  Nikolay Smirnov 1 and Anna Romanovskaya2  Institute of global climate and ecology of Roshydromet and RAS, Moscow, Russian Federation  1 smns‐[email protected] ;[email protected]   

Abstract.  Both  current  dynamics  and  projections  of  the  changes  in  carbon  accumulation  in  soils  of  abandoned  lands  in  Russia  are  considered.  Prognoses  were  made  for  two scenarios:  the  conditions  of  current climate in Russia and under assumption that global warming would exceed 20С. It is shown that  at the moment there is a decrease in carbon sequestration by soils of abandoned lands. The results of  projection  modeling  showed  that  with  the  increase  of  global  average  temperatures  the  dynamics  of  carbon accumulation in soils could go in opposite directions in various regions in Russia.   

Introduction  According  to  the  Fifth  IPCC  Assessment  Report  (IPCC,  2013),  the  concentration  of  carbon  dioxide  (CO2) in the atmosphere is increased now by 40% compared to pre‐industrial levels. One of two main  reasons of this, along with the burning of fossil fuels, is the emissions from land‐use sector. Global  carbon emissions from this sector is gradually reduced from 1.14±0.18 PgC yr‐1 in the period 1990‐ 2009 (Hougthon et al, 2012) to 0.9 [0,1‐1,7] PgC yr‐1 in the period 2002‐2011, (IPCC, 2013).   

In the Russian Federation in 2012 the sector of land use, land‐use change and forestry (LULUCF) was a  net  sink  of  CO2  from  the  atmosphere  with  an  annual  value  of  542.0  million  tons  of  CO2‐eq.,  that  compensated  for  23.6%  of  total  anthropogenic  emissions  from  other  sectors  (National  report...,  2014).  In  general,  during  the  period  1990  –  2012  the  absorption  of  CO2  increased  and  overall  emissions reduced in Russian LULUCF sector. One of the reasons for the increase of CO2 sequestration  in  LULUCF  sector  is  the  land  use  change,  including  both  conversions  from  croplands  to  grasslands  (meadows and pastures) and from croplands to forest land (afforestation).   

The aim of the work was to evaluate the carbon stocks changes in all carbon pools on abandoned  lands for the period from 1990 to 2012 using the method of calculation monitoring and the modeling  of  the  carbon  stock  changes  in  soils  of  abandoned  lands  under  two  climate  scenarios:  the  current  climate and the increase in global average temperature by more of 20С compared to the preindustrial  period.   

Materials and methods  Evaluation  was  conducted  according  to  official  data  presented  in  Russian  statistical  yearbooks,  published by Rosstat, and data about the lands from reports of Rosreestr. Abandoned land area was  calculated as the difference between the total area of croplands and the amount of cultivated lands  in the Russian Federation as a whole and for each region separately.   

Changes in stocks of biomass (both aboveground and underground parts) and mortmass pools were  calculated as the difference of respective average stocks before and after conversion. The transition  period to reach a new steady state in biomass and mortmass carbon stocks on croplands converted  to grasslands was accepted equal to 20 years (Guidelines..., 2003). The average stocks of above‐ and  underground  biomass  as  well  as  mortmass  after  such  conversion  were  identified  on  the  basis  of  national  data  on  experimental  investigations  of  grassland  phytomass  and  mortmass  stocks  in  10 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

different  bioclimatic  zones  of  Russia  (Bazilevich,  1993).  In  order  to  convert  from  dry  matter  to  the  carbon  we  used  conversion  factors  for  biomass  ‐  0,45  (Levin,  1977)  and  0,40  for  mortmass  (Guidelines..., 2006).   

The RothC model (Coleman, Jenkinson, 1996) was used to estimate changes in carbon stocks in soils  of  abandoned  lands.  That  model  allows  calculations  of  organic  carbon  content  monthly.  We  have  adapted it to the specifics of microbial processes in abandoned soils by calibration of constants for  mineralization  of  organic  matter.  Input  data  for  modeling  included  actual  weather  conditions  for  1990‐2012 or climate data for projections, characteristics of soils and vegetation.   

For  model  simulation  the  GIS  map  of  Russia  was  developed,  which  includes  three  layers:  soils,  vegetation,  and  administrative  division.  In  total  1206  polygons  of  abandoned  lands  has  been  determined. Each of those is characterized by a unique set of soil and vegetation characteristics as  well as regional affiliation. For each polygon soil characteristics, weather conditions, and dynamics of  the input of organic matter from vegetation in the soil during re‐vegetation were identified basing on  literature data (Romanovskaya, 2006).   

Using calibrated model RothC (Romanovskaya, 2008a,b) we had performed estimates of the impact  of future climate change on the dynamics of soil carbon stocks in abandoned lands for 9 regions of  Russia  (Romanovskaya,  2014).  For  this  purpose  we  used  climate  data  of  MGO  by  A.I. Voeykova  for  two periods: for the base period (1981‐2000) ‐ temperature (Rienecker et al., 2011) and precipitation  (Xie, Arkin, 1998); and for the period when the average global temperature exceeds 2°C compared to  pre‐industrial levels according to the IPCC scenario RCP 4.5 (2034‐2053) (Kattsov, Govorkova, 2013).  It should be noted that these results do not include the assessment of the impact of climate change  on the productivity of grassland vegetation.   

Results and discussion  According  to  our  results,  the  total  area  of  abandoned  lands  within  the  period  from  1990  to  2012  comprised  29.8  million  ha.  Significant  areas  were  converted  from  croplands  to  grasslands  in  the  Central federal district (FD), in the North‐West, Volga, Ural and Far‐Eastern FD's. The lowest area of  abandoned arable land observed in the Central and southern regions of Russia with most favorable  climatic and soil conditions for agriculture.   

Overall  profile  of  the  sequestration  of  carbon  in  abandoned  soils  has  two  components:  an  upward  trend  until  2002  and  the  decline  in  carbon  accumulation  after  that.  That  decrease  in  carbon  sequestration by abandoned soils could be explained by two reasons: the decline (after 2000) of the  area  abandoned  annually  and  slowdown  of  the  rate  of  carbon  accumulation  on  the  large  areas  abandoned more than 20 years ago (in the early 1990s). Thus abandoned soils after 10‐15 years of re‐ vegetation  gradually  reduce  their  intensity  of  annual  carbon  accumulation  and  up  to  30‐50  years  after  abandonment  can  become close  to  the  new  steady  state  of  soil  organic  carbon.  Maximum  of  annual carbon accumulation usually occurs on the lands abandoned from 3 to 7 years ago. Therefore  we may conclude that most intensive sequestration of carbon on abandoned soils of Russia occurred  during 1995‐1998 period.   

The results of projection modeling (within 30 years after the abandonment of arable lands) showed  that  in  the  North‐West  and  Central  FD  (e.g.  Moscow  region)  for  the  conditions  of  global  warming  over  2°C  the  abandoned  soddy‐podzolic  soils  during  their  re‐vegetation  are  able  to  accumulate  on  average  27%  more  carbon  than  under  the  current  climate  scenario.  Abandoned  lands  on  typical  chernozem in the zone of meadow steppes of Central Chernozem region of Russia (Voronezh region)  would  be  characterized  by  a  slower  rate  of  carbon  accumulation  and  lower  stationary  level  of  soil  organic matter (‐12%) compared to climate conditions of 1981‐2000. In the South FD (Stavropol Krai),  2015 International Year of Soils

 

11

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

for  chestnut  soils  we  have  not  identified  any  significant  difference  in  the  accumulation  of  carbon  under both scenarios, and for chernozem soils in the same region the potential increase in the carbon  accumulation has been identified as insignificant (comprising not more  of 5‐7% of the total for  the  model  period).  The  Asian  part  of  Russia  is  characterized  by  possible  losses  in  the  rate  and  total  amount of carbon sequestration due to increased temperatures, longer duration of biological activity  of the soil during the year and increased moisture under conditions of climate warming. Thus, in the  Urals, the accumulation of carbon in podzolic loamy soils would decrease by 9% (Sverdlovsk region),  in the Altai region for podzolic sandy loam soils – decrease by 11 %, in Siberia for gray podzolic soils –  decrease by 32 % (Novosibirsk region) and in the Far‐East for podzolic loamy soils – decrease by 23 %  (Khabarovsk  territory).  The  exception  from  that  tendency  is  the  southern  part  of  Eastern  Siberia  (Irkutsk region), where the difference in the carbon accumulation of abandoned podzolic soils under  scenarios of the current climate and the warming of more than 2°C has not been identified.   

Results  obtained  by  the  modeling  show  that  the  greatest  potential  decline  of  C  accumulation  in  abandoned  soils  would  occur  in  the  regions  where  the  temperature  is  a  limiting  factor  for  the  intensity of soil respiration (i.e. losses of carbon).   

Conclusion  At  present  annual  carbon  sequestration  by  soils  of  abandoned  lands  in  Russia  is  decreasing.  This  decline is due to the reduction (after 2000) of the area abandoned annually and slowdown of the rate  of carbon accumulation on the land abandoned in the early 1990s. The results of projection modeling  showed  that  for  the  scenario  with  the  increase  of  global  average  temperatures  the  dynamics  of  carbon  accumulation  in  soils  could  go  in  opposite  directions  in  various  regions  in  Russia:  there  are  regions  with  reduced rates  of  carbon  accumulation  compared  to  the current  climate  and  there  are  regions with more intensive accumulation due to global warming. Decrease in carbon accumulation  would likely occur on the most of the Asian part of Russia and Central‐Chernozem zone (from ‐11 to ‐ 32%), while the increase would be in the North‐West and Central FD's (up to +27%). In the southern  regions of the European Part of Russia and Eastern Siberia there are not significant differences in the  accumulation of soil carbon by abandoned lands under a stable climate and climate warming.   

In future further reduction in the annual sequestration of atmospheric carbon by abandoned lands on  the territory of Russia is expected, even if climate conditions would stabilize.   

References  Coleman K., Jenkinson D.S. (1996) RothC‐26.3 – A Model for the turnover of carbon in soil, in: Evaluation of Soil  Organic Matter Models, Powlson, D.S., Smith, P., Smith, J.U., Springel – Verlag Berlin  Heidelberg. NATO ASI  Series, v. 138, pp. 237‐246.  IPCC (2013–2014). Fifth Assessment Report, Climate Change 2013–2014, vol. 1–3.  Houghton R.A., House J.I., Pongratz J., van der Werf G.R., DeFries R.S., Hansen M.C., Le Quere C., Ramankutty  N.  (2012)  Carbon  emissions  from  land  use  and  land‐cover  change.  Biogeosciences,  Vol.  9,  pp.  5125–5142.  doi:10.5194/bg‐9‐5125‐2012  Rienecker M. M., Suarez M.J., Gelaro R., Todling R., Bacmeister J., Liu E., Bosilovich M.G., Schubert S.D., Takacs  L., Kim G.‐K., Bloom S., Chen J., Collins D., Conaty A., da Silva A., Gu W., Joiner J., Koster R.D., Lucchesi R.,  Molod A., Owens T., Pawson S., Pegion P., Redder C.R., Reichle R., Robertson F.R., Ruddick A.G., Sienkiewicz  M., and Woollen J. (2011) MERRA: NASA's modern‐era retrospective analysis for research and applications,  Journal of Climate, vol. 24, No. 14, pp. 3624‐3648.  Romanovskaya A.A. (2014). Projections of carbon accumulation intensity by abandoned lands in Russia under  possible climate change, in: Abstracts of 4thiLEAPS science conference “Terrestrial ecosystems, atmosphere  and people in Earth system”, Nanjing, China, 12‐16 May 2014.  Xie P. and Arkin P.A. (1998) Global monthly precipitation estimates from satellite‐observed outgoing long wave  radiation, Journal of Climate, No. 11, pp. 137–164.  12 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015  Bazilevich,  N.I.  (1993).  Biological  productivity  of  ecosystems  in  North  Eurasia.  Moscow,  Science,  293  p.  (In  Russian).  Levin, F. I. (1977) The Number of residues in field crops and its definition on the yield of the main products.  Agrochemistry. №8, pp. 36‐42. (In Russian).  National inventory report of anthropogenic emissions by sources and removals by sinks of greenhouse gases  not controlled by the Montreal Protocol from 1990 to 2012, Moscow, Russia, Roshydromet, 2014. 479 p. (In  Russian).  Romanovskaya A.A. (2006) Organic carbon in soils of abandoned lands of Russia // Soil Science, № 1, pp. 52‐61.  (In Russian).  Romanovskaya  A.A.,  (2008a).  Stocks  of  soil  organic  carbon  fallow  lands,  in:  Agro‐ecological  condition  and  prospects  of  the  use  of  the  lands  of  Russia,  retired  from  active  agricultural  use,  Moscow,  FGNU  of  Rosinfoagrotech, pp. 354‐357. (In Russian).  Romanovskaya  A.A.,  (2008b).  Principles  of  monitoring  of  anthropogenic  emissions  and  sinks  of  greenhouse  gases  (CO2,  N2O,  CH4)  in  animal  husbandry,  in  the  agricultural  land‐use  and  land‐use  change  in  Russia,  Dissertation of doctor of biological Sciences, Moscow, 40 p. (In Russian)  Romanovskaya  A.A.,  Korotkov  V.N.,  Smirnov,  N.S.,  Karaban,  R.T.,  Trunov,  A.A.  (2014)  Assessment  of  the  contribution  of  land  use  in  Russia  in  the  anthropogenic  emissions  of  greenhouse  gases.  Meteorology  and  hydrology. No. 3, pp. 5‐18.  Guidelines  for  national  greenhouse  gas  inventories.  The  program  of  the  IPCC  national  greenhouse  gas  inventories. IPCC, 2006.  Guidance  on  good  practice  guidance  for  land  use,  land‐use  change  and  forestry.The  program  of  the  IPCC  national greenhouse gas inventories. IPCC, 2003.  Kattsov  V.M.,  Govorkova  V.A.,  2013.  Expected  changes  of  surface  air  temperature,  precipitation  and  annual  runoff in Russia in the 21st century: results of calculations using global climate models (CMIP5), Proceedings  of the Main Geophysical Observatory A. I. Voeikov, 569, pp. 76‐98. (In Russian) 

  SOIL  CARBON  SEQUESTRATION  AND  SOIL  CONSERVATION  IN  NEW  FORESTLANDS  FROM  NORTHERN SPAIN  Agustin Merino1 and Cesar Pérez‐Cruzado2  1

Department of Soil Science, University of Santiago de Compostela, Lugo, Spain  [email protected]  2 Deparment of Forest Inventory, University of Göttingen, Göttingen, Germany   [email protected]   

Abstract:  Since 1940’s, a considerable increase in the forest surface has taken place in Northern Spain.  The  two  main  situations  are  the  active  afforestation  with  fast  growing  tree  species  and  the  passive  reclamation  of  semi‐natural  managed  forests  in  mountain  areas.  The  change  in  landscape  involves  important  consequences  for  soil  carbon  sequestration  and  conservation.  In  this  review  we  present  an  overview of the evolution of the main soil features.    

New forest lands in Northern Spain  In  Spain,  since  the  beginning  of  the  large  afforestation  policies  in  1940,  4.4  million  ha  of  agrarian  lands and around 3 million ha of grazed pastures have been converted to forests or shrublands (SECF,  2011). This makes that Spain is the country that more have contributed to the forest‐surface increase  both  in  Europe  (FAO,  2011).  In  Northern  Spain,  two  main  situations  can  be  distinguished.  a)  active  afforestation  whose  purposes  are  commercial  and/or  soil  protection  and  b)  passive  reclamation  of  semi‐natural  managed  forests  in  mountain  areas,  after  cessation  of  harvesting.  In  the  favourable  lands  for  timber  production  from  Northern  Spain,  croplands  and  grasslands  have  been  actively  afforested  with  commercial  tree  plantations,  mainly  Pinus  radiata,  Pinus  pinaster  and  Eucalyptus  2015 International Year of Soils

 

13

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

globulus  (SECF,  2011).  In  addition,  from  1970s  the  abandonment  of  mountainous  regions,  the  widespread use of fossil fuels, and the implementation of conservation measures in natural forests in  Europe  are  leading  to  a  substantial  increase  of  the  tree  stock  in  these  semi‐natural  forests.  These  changes  in  landscape  imply  important  changes  in  plant  cover  and  species,  which  involve  important  consequences for whole environment, and in particular for soils. In spite of the general benefits of  afforestation  on  soil  and  water  conservation,  certain  not  desirable  problems  can  be  found.  In  this  chapter we try to show a general view of the main processes observed in the different environments  and conditions found in Northern Spain.   

Carbon balance and soil organic matter  Under this humid temperate climate, afforestation of agricultural and pastures with fast growing tree  species  leads  to  the  rapid  C  sequestration  both  in  biomass  and  soil  (Howlett  et  al.,  2011b;  Pérez‐ Cruzado et al., 2012). Carbon accumulation in soil is also favoured by soil acidification (the previous  agricultural soils are usually limed), what slows down microbial decomposer activity (Pérez‐Cruzado  et al., 2013). The SOM gains were favored by the higher chemical recalcitrance of pine litter (Pérez‐ Cruzado  et  al.,  2014).  The  mean  rates  of  C  sequestration  estimated  for  the  first  rotation  after  afforestation amounted to 9‐15 Mg C ha−1 yr−1, which are among the highest rates in Europe. The C  sequestration  in  the  soil  (forest  floor  plus  mineral  soil)  ranged  from  8  to  18  %  of  the  total  C  sequestration for the first rotation (Fig. 1). The C gains after afforestation, however, are dependent  on the species established, being the sequence: E. nitens > P. radiata > E. globulus. Considering that  important afforested area in Northern Spain using these three species, this indicates the significant  contribution of afforestation to the mitigation of CO2 emissions.    

Fig. 1. Changes in carbon accumulation (Mg C ha‐1) in the litter layer and mineral soils throughout the  first  rotation  after  afforestation.  Dark  shaded  area:  95%  confidence  limits  for  0–15  cm  depth  mineral  soil;  light  shaded  area:  95%  confidence  limits  for  organic  layer  (n  =  40  for  each  of  the  three  species;  Pérez‐Cruzado et al., 2012).   

The C sink capacity of forest plantations can be maximized through certain silvicultural practices. The  higher tree growth of fertilized plantations involves a higher litterfall production, which could lead to  a  higher  SOM  content  (Fernández‐Núñez  et  al.,  2010;  Santalla  et  al.,  2011).  The  elongating  the  rotation length, tree density, and logging residue management could also enhance the C storage in  these plantations (Pérez‐Cruzado et al., 2012).   The establishment of trees in a cropland leads to increased soil CH4 uptakes, which was attributed to  the  improvement  in  soil  aeration  and  higher  methanotrophic  activity  and  lower  emissions  of  N2O  (Fig. 2; Merino et al., 2004; Stange et al., 2013).    

14 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

  Fig.  2.  Methane  fluxes  from  the  grassland  and  afforested  grassland.  Negative  values  are  consumption  rates of CH4, positive values are emission rates of CH4 (Merino et al., 2004).   

Soil properties and conservation  In this humid area, most of the agricultural soils are limed and fertilized. After afforestation the high  rainfall and the acidification effect due to nutrient uptake lead to a rapid process of soil acidification  (Pérez‐Cruzado et al., 2012; Rigueiro‐Rodríguez et al., 2012). These studies show that after 15‐20 yr  after forest establishment, soil pH values in most of the plantations were lower than 4.0, close to that  in the seminatural forests (Fig. 3). In relation to this, decreases in available P, Ca, and Mg some years  after afforestation are often recorded. 

  Fig.  3.  Temporal  evolution  of  soil  pH  throughout  the  first  rotation  after  the  afforestation  with  Pinus  radiata considering four chronosequences (Pérez‐Cruzado et al., 2013).    

On  the  other  hand,  afforestation  implies  benefits  on  water  quality  and  lower  peak  runoff  flow  and  erosion.  However,  in  commercial  plantations  the  perturbations  due  to  intensive  management  make  that the effects on hydrology are not always positive. Some studies (Fernández et al., 2006; Rodríguez‐ Suárez et al. (2011) revealed that afforestation with E. globulus leads to important increases in stream  water after different perturbations (wildfire, coppice sprout selection, and insect attack).    

References  FAO (2011). State of the World’s Forests 2011. (FAO, Rome).   Fernández  C.,  Vega  J.A.,  Gras  J.M.,  Fonturbel  T.  (2006)  Changes  in  water  yield  after  a  sequence  of  perturbations and forest management practices in a Eucalyptus globulus Labill. watershed in Northern Spain.  Forest Ecology and Management 234, 275.  Fernández‐Nuñez  E.,  Rigueiro‐Rodriguez  A.,  Mosquera‐Losada  M.R.  (2010)  Carbon  allocation  dynamics  one  decade  after  afforestation  with  Pinus  radiata  D.  Don  and  Betula  alba  L.  under  two  stand  densities  in  NW  Spain. Ecological Engineering 36, 876. 

2015 International Year of Soils

 

15

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015  Merino A., Pérez‐Batallón P., Macías F. (2004) Responses of soil organic matter and greenhouse gas fluxes to  changes in soil management and land use in a humid temperate region of southern Europe. Soil Biology and  Biochemistry 36, 917.  Merino,  A.;  Álvarez‐González,  J.  G.;  Real,  C.;  Rodríguez‐Guitian,  M.  (2007)  Forest  structure  and  C  stocks  in  natural  forest  fragments  of  Fagus  sylvatica  in  southern  Europe:  the  effects  of  past  management.  Forest  Ecology and Management 250, 206.  Pérez‐Cruzado, C; Sande, B. Omil, B; Rovira, P.; Barros, N; Salgado, J; Merino, A (2014) Organic matter properties  in soils afforested with Pinus radiata. Plant and Soil 74, 381.  Pérez‐Cruzado  C.,  Mansilla‐Salinero  P.,  Rodríguez‐Soalleiro  R.,  Merino  A.  (2012)  Influence  of  tree  species  on  carbon sequestration in afforested pastures in a humid temperate region. Plant and Soil 353, 333.  Rigueiro‐Rodríguez  A.,  Ferreiro‐Domínguez  N.,  Mosquera‐Losada  M.R.  (2010)  The  effects  of  fertilization  with  anaerobic,  composted  and  pelletized  sewage  sludge  on  soil,  tree  growth,  pasture  production  and  biodiversity in a silvopastoral system under ash (Fraxinus excelsior L). Grass and Forage 65: 248‐259.  Rodríguez‐Suárez  J.A.,  Soto  B.,  Pérez  R.,  Díaz‐Fierros  F.  (2011)  Influence  of  Eucalyptus  globulus  plantation  growth on water table levels and low flows in a small catchment. Journal of Hydrology 396: 321‐326.  SECF  (2011)  Situación  de  los  bosques  y  del  sector  forestal  en  España.  Informe  2010  (Sociedad  Española  de  Ciencias Forestales. Madrid, España).  Stange C.F., Spott O., Arriaga H., Menéndez S., Estavillo J.M., Merino P. (2013) Use of the inverse abundance  approach  to  identify  the  sources  of  NO  and  N2O  release  from  Spanish  forest  soils  under  oxic  and  hypoxic  conditions. Soil Biology and Biochemistry 57, 451.   

DYNAMICS OF THE STOCKS AND COMPOSITION OF ORGANIC MATTER IN SOILS   OF POSTAGROGENIC ECOSYSTEMS IN SOUTHERN TAIGA  Irina Ryzhova 1, Aleksandra Erokhova 2, and Marina Podvezennaya 3  1

 Faculty of Soil Science, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia  [email protected]  2  Faculty of Soil Science, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia  [email protected]  3  Faculty of Soil Science, Moscow State University, Moscow, 119992 Russia  [email protected]    

Abstract: The dynamics of the stocks and composition of organic matter in soddy‐podzolic soils in the  course  of  natural  reforestation  of  abandoned  fields  in  the  southern  taiga  is  studied.  The  results  demonstrate that direction of the changes depends on the proximity of carbon stocks in arable soils to  the stationary values, which are determined by bioclimatic conditions and soil texture. With the increase  of  fallow  age,  the  content  of  labile  soil  carbon  increases.  The  postagrogenic  succession  triggers  the  changes not only of the content of labile carbon but also of organomineral fraction in soil.   

Introduction  The problem of global climate change attracts significant attention to estimation of possible carbon  sequestration  in  abandoned  fields.  The  direction  and  the  rate  of  changes  of  soil  carbon  stocks  connected with the changes in land use depend on bioclimatic conditions, type and characteristics of  soils, and the history of their previous managements. According to literature sources, the content of  soil organic matter in naturally reforesting arable lands could both decrease and increase. Lyuri et al.  (2010)  demonstrated  that  the  soil  carbon  stocks  decrease  at  the  early  stage  of  the  succession  and  increase  at  the  later  stages  in  various  regions  with  conditions  ranging  from  middle  taiga  to  noble  broadleaved  forests.  The  aim  of  our  research  was  to  assess  the  changes  in  the  stocks  and 

16 

2015 International Year of Soils

 

Interdisciplinary workshop “Potential of idle agricultural lands of the post‐soviet area to mitigate   climate changes and improve an environment”, Pushchino, Russia, March 3–4, 2015 

composition of soil organic matter in the course of natural reforestation of arable lands in southern  taiga of European Russia.   

Objects and Methods  Object of study was a chronosequence of soils of postagrogenic southern taiga ecosystems (Kostroma  Oblast, 58о40’ N, 43о19’ E). When selecting elements of the chronosequence we tried to minimize the  differences  in  lithological  and  geomorphological  conditions.  All  trial  plots  (20  x  20  m  in  size  each)  were  established  on  a  watershed  at  the  distance  of  100‐250  m  from  each  other.  The  study  was  performed  in  2007  and  2011  that  conditioned  the  differences  in  the  fallow  age  in  this  paper.  The  chronosequence included an agroecosystem (with cultivated oat), an herb‐grass meadow (7‐11‐year  old  fallow),  a  young  forest  (20‐24‐year  old  fallow),  a  45‐50‐year  old  birch‐spruce  forest,  and  a  secondary  80–100‐year  old  spruce  forest.  The  ecosystems  considered  were  formed  on  gleyic  agrosoddy‐podzolic and loamy gleyic postagrogenic soddy‐podzolic soils developed over cover loams.   

In  each  plot  a  soil  pit  was  analyzed.  Samples  were  taken  from  each  soil  horizon  to  determine  the  natural bulk density and the content of organic carbon. In order to statistically evaluate the reliability  of differences in the soil carbon content in fallow lands of different ages, the soil samples were taken  also  from  0–10‐  and  10–20‐cm  layers  of  additional  shallow  soil  pits  in  each  trial  plot.  Soil  sampling  sites  within  trial  plots  on  arable  lands,  meadow  ecosystems,  and  young  forests  were  located  randomly  (20  sites).  In  order  to  estimate  the  intracenotic  variability  of  forest  litter  reserves  and  carbon  content  in  young  birch‐spruce  forests  and  secondary  spruce  forests  we  used  the  transect  method  (four  transects  per  trial  plot).  In  the  forests  dominant  trees  are  capable  to  form  powerful  phytogenic  fields  around,  therefore  five  or  six  soil  and  litter  samples  were  collected  along  the  transect between trunks of two nearby trees located at the distance of 6‐7 m: near the stem, below  the middle of the crown, and one or two points in the inter‐canopy gap. The forest litter was sampled  using a frame of 25 × 25 cm.   

Soil  carbon  content  was  determined  using  the  Tyurin  method.  Labile  soil  organic  matter  was  extracted  from  fresh  soil  samples  using  0.1  M  K2SO4  solution  and  0.1  М  neutral  Na4P2O7  solution  prepared in accordance to methodological guidelines. Carbon content in the extracts was determined  using  Shimadzu  TOC‐VCPN  analyzer.  Carbon  of  the  microbial  biomass  was  determined  in  fresh  soil  samples  by  the  substrate  induced  respiration  method.  The  granulo‐densimetric  fractionation  was  made  using  the  procedure  described  by  Morgun  and  Makarov  (2011).  Sodium  polywolframate  solution was used to extract various slightly modified soil fractions. Light fraction (

Suggest Documents