ASSESSMENT OF THE CONTRIBUTION OF ROOT CARBON NUTRITION TO THE FORMATION OF PLANT BIOMASS IN A MODEL EXPERIMENT
DOI 10.12737/2073046220248894 УДК 58.084
Keywords:
plant roots carbon consumption, carbon dioxide, CObalanceAbstract
The study of mechanisms of carbon dioxide transformation in agroecosystems from the position of ideas about CO2 absorption exclusively by chlorophyll-containing parts of vegetative plants does not allow to objectively evaluate the ecosystem role of each component. To evaluate the contribution of root carbon nutrition to the formation of plant biomass, a model experiment was laid down using the authors' device, which allows isolating the root and leaf parts of the plant from each other and recording the CO2 values to calculate its balance. A paulownia seedling (Paulownia tomentosa (Thunb.) Steud., 1841) with a known initial mass, vegetating under a 12-hour light regime, was used as an experimental plant. The contribution of root carbon nutrition to biomass formation was calculated from the difference in C-CO2 in the leaf chamber atmosphere and the content of elemental carbon in the plant at the end of the experiment. The carbon content in plant parts was determined on a MultiEA 2000CS carbon analyzer at a temperature of 1100 °C. As a result of 30 days of observations, it was found that the mass of C-CO2, which was present throughout the experiment (6960 ppm) in the atmosphere of the leaf chamber with a volume of 0.06 m³, corresponded to 210 mg of carbon. At the same time, the carbon content in the incremented mass of the seedling (690 mg) in absolutely dry form contained 274.9 mg of elemental carbon, which indicates the presence of another alternative source of carbon supply. According to the authors, 64.9 mg of elemental carbon (23.6 % of the total mass), which went to the formation of the incremented biomass of the experimental plant, came through the root system. The obtained results allow us to explain cases when forest areas can form a balance shifted towards the CO2 flow. An idea of the mechanism of root carbon nutrition of plants and its potential allows us to more accurately create models of CO2 transformation in soil-plant systems.
References
1. Алиева С. С., Аббасова С. М., Сулейманова Е. Дж. Исследование влияния экосистемного потока СО2 в растительных полях на массу выращенной биомассы в аквамодели FAO // Вестник КрасГАУ. 2018. №2. С. 247252.
2. Тимохина А. В., Прокушкин А. С., Панов А. В. Суточная и сезонная динамика концентрации СО2 и СН4 в атмосфере над экосистемами Западной Сибири (Приенисейская часть) // Вестник КрасГАУ. №12, 2014. С. 8388.
3. Динамика потоков СО2 с поверхности почвы в сосновых древостоях Средней Сибири / А. В. Махныкина, А. С. Прокушкин, Е. А. Ваганов и др. // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Биология. 2016. Т. 9. № 3. С. 338357. DOI: 10.17516/199713892016 338357.
4. Full Carbon Account for Russia / S. A. Nilsson, A. Z. Shvidenko, V. S. Stolbovoi, et al. // Interim report. IIASA. 2000. 181 p.
5. Наумов А. В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности. Новосибирск: Издательство Сибирского отделения РАН. 2009. 208 с.
6. Estimation of soil respiration using automated chamber systems in an oak (Quercus mongolica) forest at the Nam San site in Seoul, Korea / S. J. Joo, S. U. Park, M. S. Park, et al. // Science of The Total Environment. 2012. Vol. 416. P. 400409. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2011.11.025.
7. Альтудов Ю. К., Дударов З. И., Занилов А. Х. Система учета баланса СО2 в цикле почварастение атмосфера» // Известия КБНЦ РАН. 2023. №6 (116). С. 1320. DOI: 10.35330/199166392023 1161320.
8. Занилов А. Х., Дударов З. И., Бахов М. Т. Установка для определения интенсивности листового и корневого углеродного питания растений. Патент на промышленный образец RU 142218 от 03.06.2024 г.
9. Смашевский Н. Д. Экология фотосинтеза // Астраханский вестник экологического образования. 2014. № 2 (28). С. 165180.
10. Кобак К. И. Биотические компоненты углеродного цикла. Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 248 с.
11. Глаголев М. В., Сабреков А. Ф. Ответ А. В. Смагину: II. Углеродный баланс России // ДОСиГИК. 2014. Т. 5. № 2 (10). С. 5070.
12. Cramer M. D., Lewis O. A., Lips S. H. Inorganic carbon fixation and metabolism in maize roots as affected by nitrate and ammonium nutrition // Physiologia Plantarum. 1993. Vol. 89(3), P.632639. DOI:10.1111/j.1399 3054.1993.tb05226.x.
13. Root Carbon Dioxide Fixation by PhosphorusDeficient Lupinus albus (Contribution to Organic Acid Exudation by Proteoid Roots) / J. F. Johnson, D. L. Allan, C. P. Vance, et al. // Plant Physiology. 1996. Vol. 112(1). P.1930. DOI: 10.1104/pp.112.1.19.
14. Wingate L. Weighty issues in respiratory metabolism: intriguing carbon isotope signals from roots and leaves // New Phytologist. 2008. Vol. 177(2). P. 285287. DOI: 10.1111/j.14698137.2007.02336.x.
15. Курсанов А. Л., Крюкова Я. Я., Варапетян Б. Б. Движение по растению углекислоты, поступающей через корни // Доклады АН СССР. 1952. Т. 85. № 4. С. 913 916.
16. Zelawski W., Riech F. P., Stanley R. G. Assimilation and release of internal carbon dioxide by woody plant shoots // Canadian Journal of Botany. 2011. Vol. 48(7). P.13511354. DOI:10.1139/b70204
17. Arteca R. N., Poovaiah B. W., Smith O. E. Changes in Carbon Fixation, Tuberization, and Growth Induced by CO2 Applications to the Root Zone of Potato Plants // Science. 1979. Vol. 205(4412). P.12791280. DOI:10.1126/science.205.4412.1279.
18. Покровский С. Г. Корневое углеродное питание растений как возможный источник ошибок радиоуглеродного датирования // Актуальные проблемы современной науки. 2006. № 6. С. 214217.
19. Адаев Н. Л. Занилов А. Х., Амаева А. Г. Проведение расчетов оптимальных значений корневого углеродного питания огурцов и томатов // Сборник материалов Всероссийской научнопрактической конференции студентов и аспирантов. 2022. С. 814.
20. Методы исследования потоков газов и состава почвенного воздуха в полевых условиях с использованием портативного газоанализатора ПГА7 / А. В. Смагин, М. В. Глаголев, Г. Г. Суворов и др. // Вестник МГУ, сер. Почвоведение. 2003. №3. С. 2936.
21. Суточная динамика эмиссии СО2 с поверхности почвы ельника черничного. Информационный ресурс: https://ib.komisc.ru/add/old/t/ru/ir/vt/0257/07.html. Дата обращения 12 августа 2024 г.
22. Шелякин М. Н. Функциональные характеристики листьев растений Hylotelephium triphyllum (Haw.) при разной освещенности // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1(9). С. 23132315.
23. The influence of elevated CO2 and soil depth on rhizosphere activity and nutrient availability in a mature Eucalyptus woodland / J. Pihlblad, L. C. Andresen, C. A. Macdonald, et al. // Biogeosciences. 2023. Vol. 20. P. 505521, https://doi.org/10.5194/bg205052023
1. Alieva SS, Abbasova SM, Suleymanova EDzh. [Investigation of the effect of ecosystem CO2 flux in plant fields on the mass of grown biomass in the FAO aquamodel]. Vestnik KrasGAU. 2018; 2. 247252 p.
2. Timokhina AV, Prokushkin AS, Panov AV. [Daily and seasonal dynamics of CO2 and CH4 concentration in the atmosphere over the ecosystems of Western Siberia (Enisey part)]. Vestnik KrasGAU. 2014; 12. 8388 p.
3. Makhnykina AV, Prokushkin AS, Vaganov EA. [Dynamics of CO2 fluxes from the soil surface in pine stands of Central Siberia]. Zhurnal Sibirskogo federalnogo universiteta. Seriya: Biologiya. 2016; Vol.9. 3. 338357 p. DOI: 10.17516/199713892016 338357.
4. Nilsson SA, Shvidenko AZ, Stolbovoi VS. Full carbon account for Russia. Interim report. IIASA. 2000; 181 p.
5. Naumov AV. Dykhanie pochvy: sostavlyayushchie, ekologicheskie funktsii, geograficheskie zakonomernosti. [Soil respiration: components, ecological functions, geographical patterns]. Novosibirsk: Izdatelstvo Sibirskogo otdeleniya RAN. 2009; 208 p.
6. Joo SJ, Park SU, Park MS. Estimation of soil respiration using automated chamber systems in an oak (Quercus mongolica) forest at the NamSan site in Seoul, Korea. Science of the Total Environment. 2012; Vol.416. 400409 p. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2011.11.025.
7. Altudov JuK, Dudarov ZI, Zanilov AKh. [CO2 balance accounting system in the soilplantatmosphere" cycle]. Izvestiya KBNTs RAN. 2023; 6 (116). 1320 p. DOI: 10.35330/199166392023 1161320.
8. Zanilov AKh, Dudarov ZI, Bakhov MT. [Installation for determining the intensity of leaf and root carbon nutrition of plants]. Patent na promyshlennuy obrazets RU 142218 ot 03.06.2024.
9. Smashevskiy ND. [The ecology of photosynthesis]. Astrakhanskiy vestnik ekologicheskogo obrazovaniya. 2014; 2 (28). 165180 p.
10. Kobak KI. Bioticheskie komponenty uglerodnogo tsikla. [Biotic components of the carbon cycle]. Leningrad: Gidrometeoizdat. 1988; 248 p.
11. Glagolev MV, Sabrekov AF. [Answer to A.V.Smagin: II. Russias carbon balance]. Uglerodnuy balans Rossii. DOSiGIK. 2014; Vol.5. 2 (10). 5070 p.
12. Cramer MD, Lewis OA, Lips SH. Inorganic carbon fixation and metabolism in maize roots as affected by nitrate and ammonium nutrition. Physiologia Plantarum. 1993; Vol.89(3). 632639 p. DOI:10.1111/j.13993054.1993.tb05226.x.
13. Johnson JF, Allan DL, Vance CP. Root carbon dioxide fixation by phosphorusdeficient lupinus albus (Contribution to organic acid exudation by proteoid roots). Plant Physiology. 1996; Vol.112(1). 1930 p. DOI: 10.1104/pp.112.1.19.
14. Wingate L. Weighty issues in respiratory metabolism: intriguing carbon isotope signals from roots and leaves. New Phytologist. 2008; Vol.177(2). 285287 p. DOI: 10.1111/j.14698137.2007.02336.x.
15. Kursanov AL, Kryukova YaYa, Varapetyan BB. [Movement of carbon dioxide through the roots through the plant]. Doklady AN SSSR. 1952; Vol.85. 4. 913916 p.
16. Zelawski W, Riech FP, Stanley RG. Assimilation and release of internal carbon dioxide by woody plant shoots. Canadian Journal of Botany. 2011; Vol.48(7). 13511354 p. DOI:10.1139/b70204
17. Arteca RN, Poovaiah BW, Smith OE. Changes in carbon fixation, tuberization, and growth induced by CO2 applications to the root zone of potato plants. Science. 1979; Vol.205(4412). 12791280 p. DOI:10.1126/science.205.4412.1279.
18. Pokrovskiy SG. [Root carbon nutrition of plants as a possible source of radiocarbon dating errors]. Aktualnye problemy sovremennoy nauki. 2006; 6. 214217 p.
19. Adaev NL, Zanilov AKh, Amaeva AG. [Calculation of optimal values of root carbon nutrition of cucumbers and tomatoes]. Sbornik materialov Vserossiyskoy nauchnoprakticheskoy konferentsii studentov i aspirantov. 2022; 814 p.
20. Smagin AV, Glagolev MV, Suvorov GG. [Methods for studying gas flows and soil air composition in the field using a portable PGA7 gas analyzer]. Vestnik MGU. ser. Pochvovedenie. 2003; 3. 2936 p.
21. [Daily dynamics of CO2 emission from the soil surface of a blueberry spruce forest]. [Internet]. [cited 2024, August 12]. Available from: https://ib.komisc.ru/add/old/t/ru/ir/vt/0257/07.html.
22. Shelyakin MN. [Functional characteristics of Hylotelephium triphyllum (Haw.) plant leaves under different illumination]. Izvestiya Samarskogo NTs RAN. 2012; Vol.14. 1(9). 23132315 p.
23. Pihlblad J, Andresen LC, Macdonald CA. The influence of elevated CO2 and soil depth on rhizosphere activity and nutrient availability in a mature Eucalyptus woodland. Biogeosciences. 2023; Vol.20. 505521 p. https://doi.org/10.5194/bg205052023.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
