Дыхательная активность микробного сообщества почвы и его функциональное разнообразие при смещении верхней границы леса в горах Северо-Западного Кавказа

Полный текст

Введение

Отличительная особенность горных территорий — высотная поясность, обеспечивающая закономерное изменение биоклиматических условий с высотой. Поэтому в горах на относительно небольшом расстоянии друг от друга формируются контрастные экосистемы с характерным растительным покровом и почвенными свойствами. Именно поэтому горные территории часто выступают в качестве уникальной «лаборатории под открытым небом», используемой для изучения влияния изменения климата на свойства почв и фитоценозов [1–3].

Глобальное потепление климата — один из основных триггеров смещения границ леса в горах. Так, по разным оценкам скорость распространения верхней границы леса на субальпийские и альпийские луга составляет от 0,4 до 3,6 м год^-1 [4–6]. При этом зарастание пастбищных горных лугов лесами может также происходить и в результате снижения интенсивности выпаса [7–9].

Смещение границ леса приводит к значительным перестройкам в растительном сообществе [10]. Исследователи отмечают сокращение разнообразия фитоценозов вследствие вытеснения стенобионтных и эндемичных растений лугов эврибионтными видами, характерными для лесов средних высот [4]. Отмечено изменение экологической структуры фитоценозов при распространении леса, например, ожидается сокращение доли светолюбивых видов растений [10].

Растения, как первичные продуценты, являются основным поставщиком органического материала почвы и во многом определяют его качественный состав [11]. Показано, что экспансия горных лесов на луга ускоряет круговорот углерода почвы, при этом на фоне незначительного увеличения его запасов отмечается существенное изменение качественного состава органического вещества (ОВ) почвы [12]. В связи с этим, очевидно, что смещение границ леса приведет к изменению скорости минерализации ОВ почвы, которая во многом зависит от активности микробного сообщества и его функционального разнообразия (ФР). Исследования, направленные на сравнительную оценку изменений микробных свойств почв естественных (заповедных) и пастбищных лугов при смещении верхней границы леса, практически отсутствуют. В связи с этим цель нашего исследования заключалась в изучении дыхательной активности микробного сообщества почвы и его функционального разнообразия вдоль лесо-луговых трансект заповедных и пастбищных горных склонов Северо-Западного Кавказа.

Материалы и методы исследования

Район и дизайн исследования. Исследования проводили на шести склонах северо-восточной экспозиции, расположенных на Северо-Западном Кавказе в Карачаево-Черкесской Республике. Изучаемые горные склоны различались режимом землепользования — заповедный и пастбищный. Три заповедных склона располагались на территории Кавказского государственного природного биосферного заповедника (бассейн р. Большая Лаба, хребет Юха), три пастбищных — на территории хребта Чапаллы, в верховьях р. Уруп. В геологическом отношении исследуемая территория сложена бескарбонатными горными породами юрской и пермской систем ^[1].

Для изучения свойств почвы и растительного покрова на границе лесных и луговых экосистем на каждом из склонов были заложены четыре трансекты, пересекающие лиственный лес, переходную зону (верхняя граница леса) и луг. На каждом участке трансекты (лес, переходная зона, луг) были определены площадки 0,25 м². Почвенные образцы были отобраны из верхнего органо-минерального горизонта почвы (слой 0–10 см, 4 трансекты × 6 горных склонов × 3 участка = 72). Проводили описание почвенного профиля, согласно которому почвы исследуемой территории диагностировали как буроземы и буроземы темно-гумусовые ².

Свежеотобранные образцы были доставлены в лабораторию, просеяны через сито 2 мм и разделены на две части. Первую часть хранили при 4 °C для определения микробной активности. Вторую часть высушивали до воздушно-сухого состояния при 22 °C, просеивали и использовали для химического анализа.

Химический анализ. Содержание общего углерода С и азота N почвы определяли методом ИК-спектроскопии после ее сжигания в токе кислорода (1100 °C; анализатор CHNS-932 LECO Corp., США) и рассчитывали отношение С/N. рН определяли в водной суспензии (почва: вода = 1: 2,5) потенциометрическим методом (pH-метр «Эксперт-pH», Россия).

Микробиологический анализ. Дыхательную активность микробного сообщества почвы (базальное дыхание) измеряли для оценки скорости разложения ее органического вещества [13]. Техникой MicroResp^TM определяли дыхательный отклик микробного сообщества почвы на внесение различных низкомолекулярных органических соединений для характеристики его физиологического профиля (англ. community level physiological profile, CLPP) [14]. В ячейки специального планшета вносили навески почвы, добавляли субстраты группы карбоновых кислот (аскорбиновая, лимонная, щавелевая), углеводы (глюкоза, фруктоза, галактоза), аминокислоты (глицин, лейцин, аргинин, аминомасляная и аспарагиновая кислоты) и фенольных кислот (сиреневая, ванилиновая). Подготовленные планшеты с почвой и органическими субстратами инкубировали 6 ч при 25 °C. Дыхательный отклик микробного сообщества почвы оценивали колориметрически (изменение окраски индикационного геля при взаимодействии с выделившимся СО₂) с помощью микропланшетного ридера (FilterMax F5, США; абсорбция при λ595 нм). Функциональное разнообразие микробного сообщества почвы оценено индексом Шеннона на основании данных о физиологическом профиле: H = – ∑pi × ln pi, где pi — отношение дыхательного отклика на внесение отдельного субстрата к сумме такового для всех испытуемых субстратов.

Перед началом микробиологических анализов почвенные образцы предварительно увлажняли до 50…60 % полной влагоемкости и предынкубировали 72 ч при 25 °C [15].

Статистический анализ. Значимость различий химических и микробных свойств почв оценивали однофакторным дисперсионным анализом (one-way ANOVA) с последующим попарным множественным сравнением средних (критерий Тьюки). Двухфакторный дисперсионный анализ (two-way ANOVA) был применен для оценки вклада типа землепользования и экосистемы в дисперсию химических и микробных свойств изученных почв. Статистическую обработку экспериментальных данных выполняли в среде программирования R4.0.4.

Результаты исследования и обсуждение

В долгосрочной перспективе смещение верхней границы леса на луга приводит к снижению pH, общего содержания С и N почвы не зависимо от режима землепользования горных склонов (табл. 1). Выявлено, что изменение содержания С и N почвы вдоль лесо-луговых трансект значительнее для пастбищных склонов (различие между лугом и лесом в 1.4 и 1.5 раз соответственно), чем заповедных. При этом изменение кислотности почвы в большей степени характерно для естественных склонов, чем пастбищных. Отношение С/N почвы не различается для изученных участков трансект. Исследователи Уральских гор отмечают, что смещение верхней границы леса способствует незначительному увеличению запасов углерода почвы и существенно влияет на качество ОВ: вклад фенольных и ароматических соединений в его составе выше в лесу по сравнению с альпийским лугом [12]. Также этими авторами показано, что отношение С/N органогенного горизонта почвы не различается для изученных экосистем, при этом оно существенно уменьшается вдоль почвенного профиля для леса и незначительно изменяется для луга.

Показано, что скорость разложения органического вещества микробным сообществом почвы увеличивается от леса к лугу (рис. 1, А). Такое увеличение в большей степени проявляется для почв заповедных склонов, чем пастбищных (различие между лесными и луговыми экосистемами в 1,4 и 1,3 раза). Другие исследования также показали, что активность фермента β-глюкозидазы, участвующего на конечных стадиях разложения целлюлозы, увеличивается от лесов к лугам вдоль склонов Каскадных гор [16]. Автор отмечает, что при «смещении» горно-лесного пояса почвы лугов могут приобретать особенности, характерные для лесных почв за достаточно короткий период времени. В то же время в нашем исследовании показано, что относительная скорость разложения органического вещества почвы (микробное дыхание на единицу углерода) значимо не различается для изученных участков трансект заповедного и пастбищного горных склонов (рис. 1, Б). Эти данные отличаются от имеющихся в научной литературе сведений об ускорении круговорота углерода при смещении верхней границы леса в результате увеличения скорости минерализации азота органического вещества [12].

Таблица 1. Химические свойства почвы (0–10 см, среднее ± ст. ошибка,  величины с разными буквами значимо различаются при P < 0,05)

Участок трансекты*	pH	C,%	N,%	C/N
Заповедный склон
ЛГ	4,78 ± 0,08 a	11,52 ± 0,61 a	0,92 ± 0,04 a	12,50 ± 0,20 a
ПЗ	4,63 ± 0,07 ab	10,92 ± 0,48 ab	0,88 ± 0,04 a	12,46 ± 0,26 a
ЛС	4,48 ± 0,06 b	8,95± 0,73 b	0,70 ± 0,04 b	12,56 ± 0,43 a
Пастбищный склон
ЛГ	4,69 ± 0,06 a	10,58 ± 0,52 a	0,94 ± 0,05 a	11,25 ± 0,10 a
ПЗ	4,58 ± 0,06 a	9,88 ± 0,56 a	0,88 ± 0,05 a	11,21 ± 0,12 a
ЛС	4,49 ± 0,07 a	7,37 ± 0,28 b	0,64 ± 0,03 b	11,51 ± 0,25 a

*ЛГ — луг; ПЗ — переходная зона; ЛС — лес

Table 1. Soil сhemical properties (0–10 cm, mean ± SE, values with different letters differ significantly at P < 0.05)

Sites	pH	C,%	N,%	C/N
Reserve side
Meadow	4.78 ± 0.08 a	11.52 ± 0.61 a	0.92 ± 0.04 a	12.50 ± 0.20 a
Treeline	4.63 ± 0.07 ab	10.92 ± 0.48 ab	0.88 ± 0.04 a	12.46 ± 0.26 a
Forest	4.48 ± 0.06 b	8.95± 0.73 b	0.70 ± 0.04 b	12.56 ± 0.43 a
Pasture side
Meadow	4.69 ± 0.06 a	10.58 ± 0.52 a	0.94 ± 0.05 a	11.25 ± 0.10 a
Treeline	4.58 ± 0.06 a	9.88 ± 0.56 a	0.88 ± 0.05 a	11.21 ± 0.12 a
Forest	4.49 ± 0.07 a	7.37 ± 0.28 b	0.64 ± 0.03 b	11.51 ± 0.25 a

 

Физиологический профиль микробного сообщества почвы переходной зоны имеет большее сходство с таковым луга и отличается от леса (рис. 2, А). Такая тенденция отмечается как для заповедных, так и для пастбищных горных склонов. Вместе с тем, «инвазия» древесной растительности на луга приводит к увеличению функционального разнообразия микробного сообщества (рис. 2, Б). По-видимому, поступление растительных остатков разнотравья с лиственным опадом в почву луга при смещении горно-лесного пояса расширяет спектр доступных органических соединений, что способствует увеличению функционального разнообразия ее микробиома.

Рис. 1. Дыхательная активность (базальное дыхание) микробного сообщества (А) и дыхательная активность на единицу углерода (Б) почвы луга, переходной зоны, леса на заповедном и пастбищном горных склонах

Fig. 1. Basal respiration of the microbial community (A) and respiration activity per carbon unit (B) of soil of the meadow, treeline, forest on reserved and pasture mountain slopes

Рис. 2. Вклад дыхательного отклика микробного сообщества почвы (0–10 см) на группу органических субстратов (карбоновые, аминокислоты, углеводы, фенольные кислоты) в общее субстрат-индуцированное дыхание (А) и среднее значение индекса Шеннона (Б) для леса (ЛС), переходной зоны (ПЗ, верхняя граница леса) и луга (ЛГ) заповедного и пастбищного горных склонов

Fig. 2. Respiratory responses of soil microbial community (0–10 cm) to the group of organic substrates (carboxylic acids, amino acids, carbohydrates, phenolic acids) in the total substrateinduced respiration (A) and the average value of the Shannon Diversity Index (Б) for meadow (M), Treeline (T, upper border of the forest) and forest (F) on reserve and pasture mountain slopes

Важно отметить, что такое изменение функциональной структуры микробного сообщества луговых почв происходит вследствие уменьшения доли микроорганизмов, потребляющих легкодоступные органические соединения (углеводы, карбоновые кислоты) и увеличения вклада микробных групп, окисляющих аминокислоты.

Двухфакторный дисперсионный анализ показал, что pH, содержание C, N и функциональное разнообразие микробного сообщества почвы наиболее чувствительны к смещению верхней границы леса (вклад в дисперсию 14…39 %), в то время как отношение С/N и микробная активность (БД, БД/С) в большей степени определяются режимом землепользования (вклад в дисперсию 33…36 %) (рис. 3).

Рис. 3. Доля объясненной вариации (изменения) химических и микробных показателей почвы под влиянием изученных (режим землепользования: заповедный и пастбищный, экосистема: лес, переходная зона и луг) и неучтенных факторов. *P < 0,05 H — индекс функционального разнообразия; БД — базальное дыхание

Fig. 3. The proportion of the explained variation (change) of chemical and microbial parameters of soil under the influence of the studied (land use regime: reserve and pasture, ecosystem: meadow, treeline and forest) and other factors. * P < 0.05 Н — functional diversity index; BR — basal respiration

 

Заключение

Таким образом, наблюдаются схожие закономерности изменения изученных показателей почвы при смещении верхней границы леса для заповедных и пастбищных горных склонов. В результате глобального потепления климата продвижение лесов на луга приведет к снижению pH, содержания С, N и увеличению функционального разнообразия микробного сообщества верхнего слоя почвы, однако не существенно повлияет на скорость разложения его органического вещества.

Больший вклад в изменение качества органического вещества (отношение С/N) почвы и скорости его минерализации вносит режим землепользования (заповедный и пастбищный), а не смещение верхней границы леса в горах.

 

^{1 Актуализированные ГИС-пакеты оперативной геологической информации. Режим доступа: http://atlaspacket.vsegei.ru 2 Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004. 341 с.}

Об авторах

Александра Евгеньевна Селезнёва

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: alexandra_seleznyova@mail.ru

аспирант, младший научный сотрудник

Российская Федерация, 142290, г. Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 2

Кристина Викторовна Иващенко

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; Российский университет дружбы народов

Email: ivashchenko.kv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8397-158X

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук; старший преподаватель департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем, Аграрно-технологический Институт

Российская Федерация, 142290, г. Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 2; 117198, Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8/2

Софья Владимировна Сушко

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: rogovaja7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0664-7641

кандидат биологических наук, научный сотрудник

Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, 195220, просп. Гражданский, д. 14

Анна Ивановна Журавлева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: zhuravlevaai@rambler.ru

младший научный сотрудник

Российская Федерация, 142290, г. Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 2

Надежда Дмитриевна Ананьева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: ananyeva@rambler.ru

доктор биологических наук, главный научный сотрудник

Российская Федерация, 142290, г. Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 2

Сергей Александрович Благодатский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН; Университет Хоэнхайм

Email: Sergey.Blagodatskiy@uni-hohenheim.de
ORCID iD: 0000-0003-1428-6014

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

Российская Федерация, 142290, г. Пущино, Московская область, ул. Институтская, д. 2; Германия, 70599, Штутгарт, ул. Гарбе, д. 13

Список литературы

Дополнительные файлы