Evidence of plant biodiversity changes as a result of nitrogen deposition in permanent pine forest plots in central Russia

Abstract

This study examines the influence of the increased atmospheric nitrogen (N) deposition observed in central Russia between 1960 and 2010 (with a peak in 1990) on biodiversity and the availability of N in soil in pine forests. Shifts in N availability in soils of 3 pine plots were analyzed using presence/absence chronosequence records of the dynamics of ground vegetation plants and a set of specialist plant species with a narrow range of tolerance as bioindicators of soil richness. We assumed that changes in plant communities might be caused by increased atmospheric N input. To examine this assumption, (i) the species composition of forest ground vegetation was analyzed using the Ellenberg N scale and the Tsyganov N scale, which was developed for forest vegetation in European Russia, and (ii) the dynamics of the main N pools were examined using simulation models of forest growth and elements cycling in the forest-soil system. Our results confirm that changes in the ground vegetation communities experiencing eutrophication occurred in all plots. The number of indicators of N-rich conditions for these plots reached a maximum in 1990, the year N deposition reached its maximum in this area. The decline in the number of oligotrophic species indicated that N-poor soils decreased over the monitoring period. Model simulations showed an increase in labile N compounds in the soil and in the total N pool in forest ecosystems. Our results demonstrate an acceleration of natural succession due to atmospheric nitrogen deposition in this region.

Résumé

Cette étude examine l'influence de l'augmentation des dépôts d'azote (N) atmosphérique qui a été observée en Russie centrale entre 1960 et 2010 (avec un pic en 1990) sur la biodiversité et la disponibilité de N dans le sol de pinèdes. Les effets des changements dans la disponibilité de N dans les sols de trois parcelles de pins ont été analysés en utilisant des données présence/absence de chronoséquences sur la dynamique végétale du sol forestier et un groupe d'espèces spécialistes ayant une gamme étroite de tolérance comme bio-indicatrices de la richesse du sol. Nous supposons que les changements dans les communautés végétales peuvent être causés par l'augmentation des dépôts de N atmosphérique. Pour examiner cette hypothèse, (i) une analyse de la composition en espèces de la végétation au sol en utilisant l'indice d'Ellenberg pour N et l'indice Tsyganov pour N, développé pour la végétation forestière de la partie européenne de la Russie, et (ii) une modélisation de la dynamique des principaux réservoirs de N en utilisant des simulations de la croissance forestière et du cyclage des éléments dans le système forêt-sol ont été effectués. Les résultats ont montré un changement vers l'eutrophisation dans les communautés végétales au sol dans toutes les parcelles. Le nombre de plantes indicatrices de conditions riches en N dans ces parcelles a atteint un maximum en 1990 au moment où le taux de dépôt de N était maximal dans cette région. Le nombre d'espèces oligotrophes indiquait une diminution des sols pauvres en N durant la période de suivi. Des modélisations montrent une augmentation des composés labiles de N dans le sol et du réservoir total de N dans les écosystèmes forestiers. Les résultats démontrent donc une accélération de la succession naturelle due aux dépôts d'azote atmosphérique.

Keywords:

• ecosystem modeling
• Ellenberg and Tsyganov indicator values
• eutrophication
• forest biodiversity
• nitrogen deposition

Mots-clés:

• biodiversité forestière
• dépôt d'azote
• eutrophisation
• modélisation écosystémique
• valeurs indicatrices d'Ellenberg et de Tsyganov