Soil modification in a chronosequence of postagricultural ecosystems of the intrazonal lithogenic matrix (Arkhangelsk region, Russia)

Elena Nakvasina, Tatyana Parinova, Alexey Volkov, Anna Popova, Nadezhda Prozherina

Abstract


Processes of soil self-restoration and soil modification in the chronosequence of postagricultural ecosystems located within the intrazonal (floodplain) soils of boreal forests were studied. Successional changes in ecological features of the floodplain meadow soil properties in the postagricultural period were considered. We used arable land plots (22 model fields) in the Northern Dvina River delta (Primorsky District, Arkhangelsk region, Northwestern Russia) that have been removed from agricultural practice for the past 50 years and are currently at the self-overgrowing stage. Primary/secondary floodplain meadows with natural floodplain soils were used as reference plots. Changes in soil profiles and chemical properties in an old-arable horizon were observed during the restoration of abandoned fields. Floodplain soils of the Northern Dvina River basin occupied 4.8% of the area. These soils were characterized by high fertility and were actively used in agricultural production in the past. Postagricultural ecosystems of the Northern Dvina River floodplain tended to form natural waterlogged soils to varying extents. Ecosystems were characterized by a short period of soil restoration. The soil restoration process was slower than the vegetation cover restoration process. Soil fertility of the arable horizon persisted for 20 years. A cost-effective return of floodplain meadow lands to agricultural production is feasible over a period of 40 years. Then, soils return to natural floodplain soils, whereby they become waterlogged and lose their fertility.

Keywords


floodplain; meadow; postagricultural ecosystem; abandoned fields; dynamics; restoration

Full Text:

PDF

References


Тишков [Tishkov] АА [AA]. Биогеография антропоцена Северной Евразии [Biogeografija antropocena Severnoj Evrazii]. Известия РАН, Серия географическая [Izvestija RAN, Serija geograficheskaja]. 2015;6:7–23.

Бобровский [Bobrovskij] МВ [MV]. Лесные почвы Европейской России: биотические и антропогенные факторы формирования [Lesnye pochvy Evropejskoj Rossii: bioticheskie i antropogennye faktory formirovanija]. Mосква [Moskva]: Товарищество научных изданий [Tovarishhestvo nauchnyh izdanij]; 2010.

Сорокина [Sorokina] ОА [OA], Рыбакова [Rybakova] АН [AN]. Почвенно-экологический подход при оценке возможности использования залежей в различных стадиях сукцессий [Pochvenno-jekologicheskij podhod pri ocenke vozmozhnosti ispol’zovanija zalezhej v razlichnyh stadijah sukcessij]. Вестник КрасГАУ [Vestnik KrasGAU]. 2012;5:134–140.

Наквасина [Nakvasina] ЕН [EN], Голубева [Golubeva] ЛВ [LV]. Идентификация постагрогенных лесов в национальном парке “Кенозерский” [Identifikacija postagrogennyh lesov v nacional’nom parke “Kenozerskij”]. Вестник Северного (Арктического) федерального университета, Серия “Естественные науки” [Vestnik Severnogo (Arkticheskogo) federal’nogo universiteta, Serija “Estestvennye nauki”]. 2015;4:75–82. https://doi.org/10.17238/issn2227-6572.2015.4.75

Свинцов [Svincov] ИП [IP], Кулик [Kulik] КН [KN], Чмыр [Chmyr] АФ [AF]. Леса на землях, выбывших из сельскохозяйственного оборота АПК России [Lesa na zemljah, vybyvshih iz sel’skohozjajstvennogo oborota APK Rossii]. In: Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота [Agrojekologicheskoe sostojanie i perspektivy ispol’zovanija zemel’ Rossii, vybyvshih iz aktivnogo sel’skohozjajstvennogo oborota]. Москва [Moskva]: Почв. ин-т им. В. В. Докучаева [Pochv. in-t im. V. V. Dokuchaeva]; 2008. p. 125–130.

Люри [Ljuri] ДИ [DI], Горячкин [Gorjachkin] СВ [SV], Короваева [Korovaeva] НА [NA]. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв [Dinamika sel’skohozjajstvennyh zemel’ Rossii v XX veke i postagrogennoe vosstanovlenie rastitel’nosti i pochv]. Москва [Moskva]: ГЕОС [GEOS]; 2010.

Ramankutty N, Foley JA. Estimating historical changes in land cover: North American croplands from 1850 to 1992. Global Ecology and Biogeography. 1999;8:381–396. https://doi.org/10.1046/j.1365-2699.1999.00141.x

Allen EB, Cox RD, Tennant T, Kee SN, Deutschman DH. Landscape restoration in Southern California forblands: response of abandoned farmland to invasive annual grass control. Isr J Plant Sci. 2005;53:237–245. https://doi.org/10.1560/65LM-55YH-GB49-5BJM

Cramer V, Hobbs R, editors. Old fields: dynamics and restoration of abandoned farmland. Washington, DC: Island Press; 2007.

Блынская [Blynskaja] ТА [TA], Любова [Ljubova] СВ [SV], Кононов [Kononov] ОД [OD], Наквасина [Nakvasina] ЕН [EN]. Агроэкологическая оценка сельскохозяйственных угодий Архангельской области [Agrojekologicheskaja ocenka sel’skohozjajstvennyh ugodij Arhangel’skoj oblasti]. Архангельск [Arhangel’sk]: САФУ [SAFU]; 2013.

Антропова [Antropova] ГЕ [GE], Романов [Romanov] EM [EM], Рохина [Rohina] EA [EA], Наквасина [Nakvasina] ЕН [EN]. Почвенный покров и агрохимическая характеристика почв Архангельской области [Pochvennyj pokrov i agrohimicheskaja harakteristika pochv Arhangel’skoj oblasti]. Достижения науки и техники АПК [Dostizhenija nauki i tehniki APK]. 2017;31(2):5–11.

Сорокина [Sorokina] ОА [OA], Токавчук [Tokavchuk] ВВ [VV]. Трансформация свойств серых почв зарастающих лесом залежей [Transformacija svojstv seryh pochv zarastajushhih lesom zalezhej]. In: Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование состояния и функционирования почвенного покрова [Zakonomernosti izmenenija pochv pri antropogennyh vozdejstvijah i regulirovanie sostojanija i funkcionirovanija pochvennogo pokrova]. Москва [Moskva]: Почв. ин-т им. В. В. Докучаева [Pochv. in-t im. V. V. Dokuchaeva]; 2011. p. 512–519.

Rothero E, Lake S, Gowing D, editors. Floodplain meadows – beauty and utility. A technical handbook. Milton Keynes, Floodplain Meadows Partnership; 2016.

Котляков [Kotljakov] ВМ [VM], Люри [Ljuri] ДИ [DI], editors. Изменение природной среды России в ХХ веке [Izmenenie prirodnoj sredy Rossii v XX veke]. Москва [Moskva]: МОЛНЕТ [MOLNET]; 2012.

Kulmatiski A, Beard KH, Stark JM. Soil history as a primary control on plant invasion in abandoned agricultural fields. J Appl Ecol. 2006;43:868–876. https://doi.org/10.1111/j.1365-2664.2006.01192.x

Лайдинен [Lajdinen] ГФ [GF], Ларионова [Larionova] НП [NP], Лантратова [Lantratova] АС [AS]. Геоботаническое изучение луговой растительности [Geobotanicheskoe izuchenie lugovoj rastitel’nosti]. In: Методы полевых и лабораторных исследований растений и растительного покрова [Metody polevyh i laboratornyh issledovanij rastenij i rastitel’nogo pokrova]. Петрозаводск [Petrozavodsk]: ПетрГУ [PetrGU]; 2001. p. 243–257.

Паринова [Parinova] ТА [TA], Волков [Volkov] АГ [AG]. Методы изучения луговых экосистем: учебное пособие [Metody izuchenija lugovyh jekosistem: uchebnoe posobie]. Архангельск [Arhangel’sk]: КИРА [KIRA]; 2017.

Czerepanov SK. Vascular plants of Russia and adjacent states (the former USSR). Cambridge: Cambridge University Press; 2007.

Шишов [Shishov] ЛЛ [LL], Тонконогов [Tonkonogov] ВД [VD], Лебедева [Lebedeva] ИИ [II], Герасимова [Gerasimova] МИ [MI], editors. Классификация и диагностика почв России [Klassifikacija i diagnostika pochv Rossii]. Смоленск [Smolensk]: Ойкумена [Ojkumena]; 2004.

IUSS Working Group WRB. World reference base for soil resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. Rome: FAO; 2014. (World Soil Resources Reports; vol 106).

Ганжара [Ganzhara] НФ [NF], Борисов [Borisov] БА [BA], Байбеков [Bajbekov] РФ [RF]. Практикум по почвоведению [Praktikum po pochvovedeniju]. Москва [Moskva]: Агроконсалт [Agrokonsalt]; 2002.

Наквасина [Nakvasina] ЕН [EN]. Агрохимические свойства почв: учебное пособие [Agrohimicheskie svojstva pochv: uchebnoe posobie]. Архангельск [Arhangel’sk]: АГТУ [AGTU]; 2009.

Edgington ES. Randomization testsed. New York, NY: Marcel Dekker; 1995.

Manly B. Randomization, bootstrap, and Monte-Carlo methods in biology. London: Chapman and Hall; 1997.

Fraker ME, Peacor SD. Statistical tests for biological interactions: a comparison of permutation tests and analysis of variance. Acta Oecol (Montrouge). 2008;33(1):66–72. https://doi.org/10.1016/j.actao.2007.09.001

Селезнев [Seleznev] СА [SA], Трофимов [Trofimov] ПМ [PM], editors. Архангельская область [Arhangel’skaja oblast’]. Архангельск [Arhangel’sk]: Северо-Западное книжное изд-во [Severo-Zapadnoe knizhnoe izd-vo]; 1967.

Чалов [Chalov] РС [RS]. Русловые процессы и водные пути на реках бассейна Северной Двины [Ruslovye processy i vodnye puti na rekah bassejna Severnoj Dviny]. Москва [Moskva]: Журнал “РТ” [Zhurnal “RT”]; 2012.

Иванов [Ivanov] ДА [DA]. Луга и пастбища (Северо-западной зоны Нечерноземной полосы) [Luga i pastbishha (Severo-zapadnoj zony Nechernozemnoj polosy)]. Москва [Moskva]: Гос. изд-во с-х лит-ры [Gos. izd-vo s-h lit-ry]; 1953.

Паринова [Parinova] ТА [TA], Наквасина [Nakvasina] ЕН [EN], Сидорова [Sidorova] ОВ [OV]. Луга островной поймы низовий Северной Двины [Luga ostrovnoj pojmy nizovij Severnoj Dviny]. Архангельск [Arhangel’sk]: САФУ [SAFU]; 2013.

Варфоломеев [Varfolomeev] ЛА [LA], Цымбалюк [Cymbaljuk] ГА [GA]. Почвенно-земельный фонд Архангельской области как составляющая землепользования [Pochvenno-zemel’nyj fond Arhangel’skoj oblasti kak sostavljajushhaja zemlepol’zovanija]. In: Почва как природный ресурс Севера: материалы VII Сибирцевских чтений [Pochva kak prirodnyj resurs Severa: materialy VII Sibircevskih chtenij]. Архангельск [Arhangel’sk]: [publisher unknown]; 2005. p. 34–40.

Сорокина [Sorokina] НП [NP], Козлов [Kozlov] ДН [DN], Кузнецова [Kuznecova] ИВ [IV]. Влияние возраста вторичного леса на восстановление дерново-подзолистых почв бывшей пашни [Vlijanie vozrasta vtorichnogo lesa na vosstanovlenie dernovo-podzolistyh pochv byvshej pashni]. In: Лесные биогеоценозы Бореальной зоны: география, структура, функции, динамика [Lesnye biogeocenozy Boreal’noj zony: geografija, struktura, funkcii, dinamika]. Новосибирск [Novosibirsk]: Изд-во СО РАН, [Izd-vo SO RAN]; 2014.

Голеусов [Goleusov] ПВ [PV], Набокова [Nabokova] ЕС [ES]. Формирование постагрогенного гумусововго горизонта в почвах залежных земель Белгородской области [Formirovanie postagrogennogo gumusovovgo gorizonta v pochvah zalezhnyh zemel’ Belgorodskoj oblasti]. In: Proceedings: Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы V Международной научной конференции. [Problemy prirodopol’zovanija i jekologicheskaja situacija v Evropejskoj Rossii i sopredel’nyh stranah: Materialy V Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii]; 2013 Oct 28–31; Белгород [Belgorod], Russia. Москва [Moskva]: Министерство образования и науки РФ [Ministerstvo obrazovanija i nauki RF]: 2013. p. 245–248.

Романенко [Romanenko] ГА [GA], Иванов [Ivanov] АЛ [AL], Завалин [Zavalin] АА [AA]. Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота [Agrojekologicheskoe sostojanie i perspektivy ispol’zovanija zemel’ Rossii, vybyvshih iz aktivnogo sel’skohozjajstvennogo oborota]. Москва [Мoskva]: Росинформагротех [Rosinformagroteh]; 2008.

Baeten L, Velghe D, Vanhellemont M, de Frenne P, Hermy M, Verheyen K. Early trajectories of spontaneous vegetation recovery after intensive agricultural land use. Restor Ecol. 2010;18(52):379–386. https://doi.org/10.1111/j.1526-100X.2009.00627.x

Gibson DJ, Middleton BA, Foster K, Honu,YA, Hoyer EW, Mathis M. Species frequency dynamics in an old-field succession: effects of disturbance, fertilization and scale. J Veg Sci. 2005;16:415–422. https://doi.org/10.1111/j.1654-1103.2005.tb02381.x

Бобровский [Bobrovskij] МВ [MV], Комаров [Komarov] АС [AS], Шанин [Shanin] ВН [VN]. Моделирование динамики углерода почвы при различных системах традиционного земледелия и лесопользования на территории Европейской России [Modelirovanie dinamiki ugleroda pochvy pri razlichnyh sistemah tradicionnogo zemledelija i lesopol’zovanija na territorii Evropejskoj Rossii]. Известия Самарского научного центра РАН [Izvestija Samarskogo nauchnogo centra RAN]. 2009;1(7):1430–1434.

Китов [Kitov] МВ [MV], Григорьева [Grigor’eva] ОИ [OI], Цапков [Capkov] АН [AN]. О результатах оценки площади залежных земель в Белгородской области [O rezul’tatah ocenki ploshhadi zalezhnyh zemel’ v Belgorodskoj oblasti]. Степной бюллетень [Stepnoj bjulleten’]. 2006;46:29–35.

Prishchepov AV, Müller D, Dubinin M, Baumann M, Radeloff VC. Determinants of agricultural land abandonment in post-Soviet European Russia. Land Use Policy. 2013;30:873–884. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2012.06.011

Иванов [Ivanov] АЛ [AL], Волков [Volkov] СН [SN], Савин [Savin] ИЮ [IY]. Почвенно-экологические и инфраструктурные аспекты реализации стратегии развития агропроизводства в России [Pochvenno-jekologicheskie i infrastrukturnye aspekty realizacii strategii razvitija agroproizvodstva v Rossii]. Бюллетень Почвенного института им. В. В. Докучаева [Bjulleten’ Pochvennogo instituta im. V. V. Dokuchaeva]. 2017;89:104–120. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-89-104-120

Müller D, Prishchepov AV, Levers C, Kruhlov I, Kuemmerle T. Recultivation of abandoned agricultural lands in Ukraine: patterns and drivers Anatoliy Smaliychuka. Glob Environ Change. 2016;38:70–81. https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.02.009