Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Трансформация соединений азота в системе "почва-микроорганизмы-растения" в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация соединений азота в системе "почва-микроорганизмы-растения" в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника"

На правах рукописи

005016690

Ермак Антон Александрович

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-МИКРООРГАНИЗМЫ-РАСТЕНИЯ» В АЛЬПИЙСКИХ ЭКОСИСТЕМАХ ТЕБЕРДИНСКОГО ЗАПОВЕДНИКА

Специальность 03.02.13 - «Почвоведение»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

з !у!йй Ш1

Москва - 2012

005016690

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор биологических наук, старший научный

сотрудник Макаров Михаил Иванович

Официальные оппоненты: Кураков Александр Васильевич, доктор

биологических наук, доцент, кафедра микологии и альгологии МГУ, заведующий кафедрой

Орлова Мария Анатольевна, кандидат биологических наук, Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Институт физико-химических и биологических

проблем почвоведения РАН

Защита состоится «25» мая 2012 года в /5". -2 О_в аудитории М-2 на

заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, Факультет почвоведения МГУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ Автореферат разослан « ¡9 » сул г^л л^ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Никифорова А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Поддерживавшееся длительное время динамическое равновесие в содержании различных форм азота в биосфере начало стремительно меняться в прошлом веке (Умаров и др., 2007). Учёные всё больше сходятся во мнении, что современные масштабы нарушения круговорота азота могут иметь глобальные последствия, сравнимые с последствиями нарушения круговорота углерода (Глобальная экологическая перспектива..., 1999). На пятьдесят пятой сессии Ассамблеи ООН, состоявшейся 3 октября 2000 г., в программе действий на XXI век было особо обращено внимание на важность изучения изменений в процессах азотного цикла В связи с этим повысился интерес к изучению процессов трансформации соединений азота, в том числе, в экосистемах холодного климата, выступающих в качестве «компаса глобальных перемен».

Альпийские экосистемы Кавказа, как типичные представители экосистем холодного климата, остаются малоизученными. В них практически не проводились работы по изучению сезонной динамики процессов трансформации соединений азота как результата функционирования системы «почва-микроорганизмы-растения». Большинство исследователей лишь на короткое время посещали высокогорные районы, что не способствовало проведению длительных сезонных наблюдений. Несколько больше работ по компонентам цикла азота выполнено в арктических и субарктических тундровых экосистемах, функционально наиболее близких к высокогорным экосистемам (Hart, Gunther, 1989; Giblin et al., 1991; Fisketal., 1998).

Цель работы

Изучение трансформации соединений азота в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника с использованием метода изотопной метки 15N.

Задачи исследования

1. Оценить пулы азота и их сезонную динамику в системе «почва-микроорганизмы-растения» в альпийских экосистемах.

2. Изучить временную динамику процессов трансформации соединений азота в горно-луговых альпийских почвах.

3. Установить преимущественные источники азотного питания растений и микроорганизмов.

4. Оценить вклад симбиотической азотфиксации в обеспечение азотного

питания бобовых растений в альпийских фитоценозах.

Научная новизна

Проведенные исследования характеризуют особенности состояния азота в системе «почва-микроорганизмы-растения» в двух распространенных биогеоценозах альпийского пояса Тебердинского заповедника. Впервые в горнолуговых альпийских почвах Северо-Западного Кавказа определены активность и динамика процессов «гросс» трансформации азота с использованием изотопной метки Установлено, что ассимиляция органических соединений азота является дополнительным механизмом повышения доступности азота для некоторых видов альпийских растений с везикулярно-арбускулярной микоризой. Впервые получены прямые доказательства того, что среди растений альпийского пояса Тебердинского заповедника присутствуют виды, отличающиеся по скорости ассимиляции минеральных соединений азота и по предпочтениям разных источников питания. Показано, что симбиотическая азотфиксация адаптирована к экстремальным условиям высокогорий и является важным источником азотного питания бобовых растений альпийских биогеоценозов.

Практическая значимость диссертации

Полученные результаты могут быть использованы для выработки рекомендаций по оптимизации питания растений при восстановлении высокогорных экосистем, так как многие альпийские и субальпийские территории используются человеком и часто требуют незамедлительной рекультивации. В частности, результаты исследования могу способствовать выработке экстренных мер по восстановлению нарушенных сообществ высокогорий вследствие интенсификации антропогенной деятельности на Кавказе, такой как перевыпас скота, развитие добывающей промышленности, строительство дорог и туннелей, развитие индустрии туризма и спорта (включая строительство олимпийских объектов к зимним Олимпийским играм 2014 г.).

Полученные результаты можно использовать в моделях изменения климата и реакции растений на атмосферное загрязнение для прогноза изменений видового состава и продуктивности высокогорных экосистем, а также при проведении комплексного мониторинга окружающей среды.

Апробация диссертации

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIV, XV hXVI Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2007-2009» (Москва, 2007, 2008, 2009); Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007); Международной конференции «География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию профессора Н.И. Базилевич» (Пущино, 2010); IV Всероссийской научной конференции «Отражение био-, reo-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Международной научно-практической конференции «Проблемы мониторинга природных процессов на особо охраняемых природных территориях» (Варварино, 2010); Ассамблее Европейского Союза наук о Земле (Вена, 2010); Международной конференции «The Global Change and the World Mountains Conference» (Перт, 2010); на заседаниях кафедры общего почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова (Москва, 2011), кафедры системной экологии Свободного университета Амстердама (Амстердам, 2011), кафедры почвоведения Гёттингенского университета (Гёттинген, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи (из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК) и 11 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на !S~0 страницах, включает Л О таблиц и ,35" рисунка; состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, включающего наименования (из них {53 на английском языке).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.б.н. М.И. Макарову; бывшим и нынешним сотрудникам кафедры общего почвоведения к.б.н. A.B. Волкову, к.б.н. Т.И. Малышевой, И.Е. Ваганову, к.б.н. О.Ю. Гончаровой и к.б.н. Г.В. Матышаку за оказанные внимание и помощь в работе; заведующему кафедрой геоботаники биологического факультета МГУ д.б.н. профессору В.Г. Онипченко за предоставленную возможность работать на высокогорном стационаре МГУ «Малая Хатипара»; сотрудникам кафедры системной экологии Свободного Университета Амстердама (Нидерланды) Prof. Dr. J.H.C. Cornelíssen и R.S.P. van Logtestijn за предоставленную возможность проведение изотопных

5

анализов, а также к.б.н. H.A. Судзиловской за ценные консультации по методам математической обработки результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Особенное™ круговорота азота в экосистемах холодного климата (литературный обзор)

Глава состоит из трех разделов. В первом разделе обсуждены процессы трансформации соединений азота в разных тундровых и высокогорных сообществах мира: приведены показатели аккумуляции элемента в фитоценозе, микробоценозе и в почве; охарактеризованы активности процессов азотфиксации, минерализации, нитрификации и денитрификации (Макаров и др. 1999; Chapinetal., 1990; Bowmanetal., 1993; Soudzilovskaiaetal., 2005; Stark, 2007 и другие).

Во втором разделе обсуждены особенности азотного питания в экосистемах холодного климата: рассмотрены современные концепции азотного питания растений и микроорганизмов (Hodge et al., 2000; Schimel, Bennett 2004); описаны механизмы адаптации растений и микроорганизмов к условиям холодного климата (Paterson, 2003; Cheng, and Kuzyakov, 2005; Blagodatskaya, Kuzyakov, 2008 и другие); приведены данные, свидетельствующие о потенциальной возможности растений поглощать низкомолекулярные органические вещества (Fisk, Schmidt,1996; Jonasson etal., 1999; Nordin et al., 2004 и другие).

В третьем разделе обсуждены доступность и особенности поглощения органических веществ растениями (Persson, Näsholm, 2001; Owen, Jones, 2001; Näsholm, 2009 и другие). Рассмотрены вопросы доступности растениям аминокислот из растворов с концентрациями эквивалентными почвенным растворам; интенсивности поглощения органических веществ растениями по сравнению с поглощением микроорганизмами; обсуждено, в каких случаях поглощение органического азота может быть сравнимо с поглощением минерального азота Приведены примеры полевых исследований поглощения аминокислот растениями (Schimel, Chapin, 1996; McFarland et al., 2002;Andresen et al., 2011и другие).

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объектами исследования послужили биогеоценозы лишайниковой пустоши и гераниевого луга Эти сообщества типичны для альпийского пояса Тебердинского государственного биосферного заповедника и являются объектами длительных комплексных экологических исследований, проводимых сотрудниками биологического факультета и факультета почвоведения МГУ.

6

Типичным местообитанием лишайниковых пустошей являются наветренные склоны с маломощным снежным покровом. Вегетация растений здесь начинается в мае, когда сходит снежный покров, и продолжается около 4 месяцев. Гераниевые луга развиваются в цирках у подножия склонов и в западинах на склонах. Мощность снега здесь достигает нескольких метров. Снежный покров сходит только в конце июня или в начале июля, а вегетационный период не превышает двух с половиной месяцев.

Для решения поставленных задач в этих биогеоценозах были определены размеры основных пулов азота (растительной биомассы и почв, включая лабильные соединения и микробную биомассу) и их динамика в течение вегетационного периода. Одновременно велся контроль температуры воздуха и почвы, атмосферных осадков и влажности почвы. Были проведены 4 эксперимента с внесением в почвы пустоши и луга изотопной метки 15N. Во всех экспериментах метка вносилась на глубину 5 см шприцом из расчета 3 мг>)/кг почвы (0,16 rN/м2). Это сравнимо с поступлением элемента с атмосферными осадками, что позволяет считать эффект от экспериментального повышения доступности элемента организмам минимальным.

В первом эксперименте была оценена временная динамика процессов трансформации соединений азота в почвах. Для этого на протяжении вегетационного периода 2009 г. в почве пустоши и 2010 г. в почве луга определялись активности процессов нетто и гросс минерализации и иммобилизации азота (изотопная метка вносилась в составе NH4C1, 99 атомных % ISN). Для расчета этих величин почвенные образцы инкубировались в полевых условиях в течение одной недели. До и после инкубации в них определялись концентрации аммонийного и нитратного азота и изотопный состав N-NH4+. На основании этого рассчитывались значения нетто минерализации (по формулам Эно) и гросс минерализации (по формулам Киркхама и Барталамью):

Нетто минерализация по C.F. Епо (1960):

Гросс минерализация и иммобилизация по D. Kirkham и U.B. Bartholomew (1954; 1955):

М-М,

т =

t

Мр-М InCgffi

, ¿ Ф т; т = i , i = т

т - минерализация, мг-кг"'-день"1 i - иммобилизация, мгкг'-день"1

.-i

-i

/ - продолжительность инкубации, дни

Н - содержание 15М (мг/кг) в момент времени I

Н0 - содержание |!Ы (мг/кг) в начальный момент времени 1о

М - содержание (мг/кг) в момент времени I

М0 - содержание (мг/кг) в начальный момент времени 1о

Во втором эксперименте были установлены закономерности перераспределения азота между разными пулами и преимущественные источники азотного питания растений и микроорганизмов в альпийских сообществах. Для этого в почву лишайниковой пустоши в 2009 г. и гераниевого луга в 2010 г. до начала вегетации вносили изотопную метку 15Ы в составе разных соединений: >Ш4С1 (99 атомных % |5Ы), КЫ03 (99 атомных % 151М), глицина (98 атомных % 15Ы) и аспарагиновой кислоты (98 атомных % |5>1). Распределение метки между азотсодержащими соединениями почвы осуществляли через 1 сутки, 1 неделю, 1 месяц, 2 месяца, 3 месяца, 3,5 месяца и 1 год после внесения. Распределение 15Ы по видам растений определяли через 1 месяц и в конце вегетационного периода.

В третьем эксперименте изучена возможность ассимиляции азота органических соединений растениями лишайниковой пустоши. Для этого в июне 2009 г. при хорошо развитом растительном покрове в почву вносились метки 15Ы и 13С в составе 2-13С,15Ы-глицина (99 атомных % 13С и 98 атомных % |5М). Отбор образцов растений проводился через два дня после внесения меток. В доминирующих видах растений, а также в надземной и подземной биомассе в целом был определено содержание изотопов 13С и 15Ы.

В последнем эксперименте была оценена активность симбиотической азотфиксации бобовыми растениями лишайниковой пустоши (МС1Шд). Метку |5К вносили в составе ЫН4С1. Контрольным видом служил клевер многолистный -бобовое растение, не образующее симбиоза с азотфиксирующими бактериями. Доля азота, полученного бобовыми растениями из атмосферы, рассчитывалась по 1и. Яепше и Б. ОиЬе1г(1986):

избыток 15Л„.-й в азотфнксирующем виде \ избыток 15Л'ат.% в контрольном виде /

где избыток ат% - это превышение концентрации 15Ы в растении с экспериментального участка над естественной концентрацией в нем в отсутствие

изотопной метки. Кроме того, азотфиксацию рассчитывали на основании естественных концентраций 15Ы в растениях по 8.Р. Ledgard (1989):

^ ^кокгр ^ ^фикс " '"контр " ''О

X 100

где 8l5NKOHTp характеризует изотопный состав азта контрольного вида растения, не фиксирующего атмосферный N, отражает изотопныи состав азота

азотфиксирующего вида, 51SN0 - это изотопный состав N азотфиксирующего вида, выращенного на безазотистой среде (учитывает фракционирование изотопов в процессе азотфиксации).

Статистическая обработка параметров распределения элементов в различных пулах выполнена средствами Microsoft Excel 2007, IBM Statistical.

Глава 3. Результаты исследования

3.1. Метеорологические условия, температура и влажность почв в течение вегетационных периодов 2009 и 2010 гг.

В разделе приводятся данные по динамике температуры воздуха, атмосферных осадков, давления почвенной влаги, влажности и температуры почв в 2009 и 2010 гг. Даётся сравнение климатических параметров 2009 и 2010 гг. со средними многолетними значениями.

3.2. Азот и углерод в биомассе альпийских биогеоценозов

3.2.1. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе лишайниковой пустоши

Надземная биомасса сосудистых растений в среднем составила 106,5 г/м2, что значительно меньше по сравнению с подземной (приблизительно 12% от массы корней). Около половины надземной биомассы контрольных видов представлено брусникой - 43%, меньше всего на учетных площадках присутствуют колокольчик трехзубчатый и клевер многолистный - 2 и 3% соответственно; на ветреницу красивую приходится 5%, овсяницу овечью 8%, осоки 9%, кошачью лапку 10%, на все прочие виды приблизительно 20%. Структура надземной биомассы изучаемого участка пустоши отличается от описанной ранее структуры этого сообщества (Онипченко, 1985), главным образом, за счет значительно большего участия брусники. Нами не было выявлено статистически значимых различий в надземной продукции высших растений лишайниковой пустоши между двумя сроками отбора укосов (F2,384=2,5 0 6; Р=0,083).

Запасы азота в надземной растительной биомассе находятся в пределах от 1537 до 1963 мг/м2. Максимальное количество азота надземной биомассы содержится в бруснике, 501-522 мг/м2 (30% от общего содержания). На другие доминантные виды приходится от 4 до 15% N.

Запасы углерода в надземной растительной биомассе варьируют в пределах от 42 до 53 г/м2. Максимальное количество углерода надземной биомассы содержится бруснике (22-24 г/м2 или 28-30% от общего содержания); минимальное количество приходится на колокольчик и овсяницу (приблизительно по 4%); в других доминантных видах содержится от 7 до 15% С.

Двухфакторный дисперсионный анализ зависимости содержания N биомассы от времени и вида растения подтвердил статистически различия содержания N в биомассе доминирующих видов (F7ii44=15,706; Р<0,05), однако не выявил влияния временного фактора на эти различия (F2i284=2,801; Р=0,091).

3.2.2. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе гераниевого луга

Надземная биомасса сосудистых растений в период вегетации сильно варьировала и в среднем составила от 190 до 319 г/м2, что значительно меньше по сравнению с подземной (приблизительно 15-25% от массы корней). Большая часть надземной биомассы доминантных видов представлена геранью голостебельной -53%, белоусом торчащим - 10% и овсяницей овечьей - 8%, наименьшая -минуарцией отогнутой и осоками - 2 и 1% соответственно; на тимофеевку альпийскую приходится 6%, козелец седой 4%, на все прочие виды приблизительно 16%. Структура надземной биомассы, изучаемого участка несколько отличается от описанной ранее структуры этого сообщества (Онипченко, 1990), главным образом, за счет большей доли герани и низкого участия копеечника кавказского. Нами были выявлены статистически значимые различия в надземной продукции высших растений луга между двумя сроками отбора укосов (F2,2g4=2,801; Р=0,003).

Максимальное количество азота надземной биомассы содержится в герани, 2517—4227 мг/м2 (55% от общего содержания); минимальное же количество приходится на осоки (приблизительно 0,8%); в других доминантных видах содержится от 2 до 12% N. Двухфакторный дисперсионный анализ зависимости содержания N биомассы от времени и вида растения подтвердил статистически различия содержания N в биомассе доминирующих видов (F5i42=17,426; Р<0,05), но также как и для лишайниковой пустоши, не выявил влияния временного фактора на эти различия (F2,274=2,426; Р=0,086).

Запасы углерода в надземной растительной биомассе варьируют в пределах от 45 до 75 г/м2. Более половины его содержится в герани голостебельной (45-75 г/м2 или 54% от общего содержания); минимальное количество приходится на осоки и минуарцию (приблизительно по 1%); в других доминантных видах содержится от 5 до 16% С.

3.3. Азот и углерод в горно-луговых альпийских почвах 3.3.1. Азот и углерод в почве лишайниковой пустоши

Почва лишайниковой пустоши содержит 8,2% С и 0,78% N. При этом 97,'4% С и 96,3% N представлены нелабильными фракциями. Из лабильных пулов С и N около 80% приходиться на микробную биомассу, 15-20% на экстрагируемые органические соединения и только 1% на минеральные соединения (табл. 1).

Преобладающей формой неорганического азота является NH4+. За время наблюдений в 2009-2010 гг. его концентрация в почве находилась в диапазоне от 0,1 до 12,3 мг/кг. Концентрация N-N03' в течение всего периода наблюдений была чрезвычайно низкой и не превышала 0,01 мг/кг почвы.

В течение вегетационного периода 2009 г. в динамике N-NH4+ были отмечены четыре всплеска концентраций - один большой в середине июля, один малый в середине июня и два средних в начале мая и середине августа; а также четыре минимума - в начале и конце июня, в конце июля и конце августа.

Содержание экстрагируемого органического азота в почве с мая по сентябрь варьировало в пределах от 14 до 39 мг/кг, что в 2-20 раз выше, чем концентрации N-NH4+. Сезонная динамика Nopr была аналогична динамике N-NH4+ (рис. 1).

Содержание микробного азота в 6-25 раз выше, чем в Nopr и до 400 раз выше, чем N-NH4+. Изменение концентрации N„HKp в почве с начала августа до конца сентября совпадало с динамикой N-NH4+ и Nopr, в то время как с конца мая до конца июля наблюдалась небольшая асинхронность (1 неделя) колебаний содержания ЫМИ1ф в сравнении с N-NH4+ и Nopr(pnc. 1).

Влияние временного фактора на изменение концентраций подвижных соединений азота в почве лишайниковой пустоши подтверждается однофакторным дисперсионным анализом (F5i]44=19,802, F5144=l8,60i, F5144=20,503; P<0,001 для N-NH4+, N3KCTp, NMHKp соответственно). Кроме того, Post hoc тест Геймса-Хоувела (Games-Howell) выявляет статистически значимую разницу в содержании N-NRi+, NoprH NM„Kp в почвах (при уровне значимости 0,05) практически во все сроки наблюдений.

Таблица 1. Содержание азота и углерода в альпийских биогеоценозах, г/м2 (в скобках указана стандартная ошибка среднего)

Параметры Лишайниковая пустошь Гераниевый луг

Запасы азота в надземной биомассе 2 (0,3) 8(1)

Запасы углерода в надземной биомассе 53 (19) 137 (48)

Запасы азота в подземной биомассе 9(1) 14(4)

Запасы углерода в подземной биомассе 536(53) 516(181)

Общее содержание азота в почве 328 (39) 343(25)

Общее содержание углерода в почве 4047 (510) 4307 (348)

Азот микробной биомассы 5 (0,2) 8(0,3)

Углерод микробной биомассы 45 (2) 74(4)

Экстрагируемый органический азот 0,6 (0,03) 2(0,1)

Экстрагируемый органический углерод 4(0,2) 12 (0,7)

N-NR,+ 0,1 (0,01) 0,7 (0,03)

N-N03" <0,01 <0,01

В течение вегетационного периода 2009 г. содержание экстрагируемого органического углерода находилось в пределах от 50 до 140 мг/кг почвы. В динамике Сорг подобно динамике лабильных соединений азота были отмечены четыре всплеска концентраций, а также четыре минимума — в начале и конце июня, в конце июля и конце августа.

Содержание микробного углерода в 10-15 раз выше, чем Сорг. Изменение содержания Смикр в почвах с начала августа до конца сентября было аналогично динамике Сорг, в то время как с конца мая до конца июля наблюдалась асинхронность колебаний приблизительно продолжительностью в 1 неделю в сравнении с Сорг. Таким образом, динамика лабильных пулов углерода была полностью подобна динамике лабильных пулов азота. Более того, статистически подтверждается тесная взаимосвязь данных пулов: коэффициенты детерминации составили 0,95 и 0,89 для Смшфс Кмикр и Сорг с Nopr соответственно.

Влияние временного фактора на изменение размеров пулов подвижных соединений углерода в почве также подтверждается однофакторным дисперсионным анализом (F5144=19,675, Fs 144=18,451, Р<0,001 для Сорг, Смикр соответственно). Post hoc тест Геймса-Хоувела (Games-Howell) выявляет

статистически значимую разницу в содержании экстрагируемого и микробного углерода в почвах (при уровне значимости 0,05) во все сроки наблюдений.

26 24 22 20 18 16 14

I « 10

пустошь

N0,

N-N[1/

^мнкр Ю

Рис. 1. Концентрации азота лабильных соединений и микробной биомассы (иг-кг"1) вертикальными линиями показана стандартная ошибка среднего

3.3.2. Азот и углерод в почве гераниевого луга

В почве гераниевого луга содержится около 9,2% С и 0,73% N. Также как и в почве лишайниковой пустоши, абсолютно преобладающие части азота (96,8%) и углерода (98%) почвы представлены нелабильными фракциями. Однако общее содержание лабильных пулов С и N в почве гераниевого луга составляет 334 мг/кг, что примерно в 3 раза больше, чем в почве лишайниковой пустоши. Из лабильных

пулов С и N около 85% приходиться на микробную биомассу, 10-15% на экстрагируемые органические соединения и 5% на минеральные соединения.

Преобладающей формой неорганического азота в почве гераниево-копеечникового луга, также как и в почве лишайниковой пустоши, является NH4+. За время наблюдений в 2010 г. его концентрация в почве находилась в диапазоне от 8 до 20 мг/кг. Концентрация N-N03", как и в почве пустоши, была чрезвычайно низкой и не превышала 0,01 мг/кг почвы.

В течение вегетационного периода 2010 г. концентрация N-NH4+ плавно снижалась с 20 мг/кг в конце июня до 8 мг/кг к началу августа, после чего она практически не изменялась вплоть до 21.08., после чего наметился ее устойчивый рост.

Содержание органического экстрагируемого азота в почве с июня по сентябрь варьировало в пределах от 10 до 70 мг/кг. Динамика Nopr в течение всего вегетационного периода была аналогична динамике N-NH4+ (рис. 1).

Содержание микробного азота в 2-15 раз превышало содержание Nopr и до 20 раз - содержание N-NH/. Изменение содержания NMMKp в почвах с середины июня до начала сентября, также как в почве лишайниковой пустоши, было подобно динамике N-NH4+ и Nop„ но с асинхронностью в 1 неделю.

Влияние временного фактора на изменение концентраций подвижных соединений азота в почве гераниевого луга подтверждается однофакторным дисперсионным анализом (F5144=17,802, F5-i44=15,601, F5-i44=l 14,503; P < 0,001 для N-NH/, Nopr, NMHKp соответсвенно). Post hoc тест Геймса-Хоувела (Games-Howell) выявляет статистически значимую разницу в содержании N-NH4+, экстрагируемого и микробного азота (при уровне значимости 0,05) практически во все сроки наблюдений.

В течение вегетационного периода 2010 г. содержание экстрагируемого органического углерода находилось в пределах от 100 до 450 мг/кг сухой почвы. В динамике Сорг подобно динамике лабильных соединений N. было отмечено постепенное падение концентраций до начала августа, после чего наблюдался резкий рост концентрации.

Содержание микробного углерода в 5-10 раз выше, чем Сорг. Изменение содержания Смшр в течение августа было подобно динамике Сорг. Таким образом, динамика лабильных пулов углерода была схожа с динамикой лабильных пулов азота. Статистически также подтверждается тесная взаимосвязь данных пулов: коэффициенты детерминации составили 0,97 и 0,86 для Смикр с Ымикр и Сорг с Nopr соответственно.

Влияние временного фактора на изменение концентраций подвижных соединений углерода в почве также подтверждается однофакторными дисперсионными анализами (F5ii44=14,675, F5 144= 15,451, Р<0,001 для Сэксф, СМИ1ф соответсвенно). Post hoc тест Геймса-Хоувела (Games-Howell) выявляет статистически значимую разницу в содержании экстрагируемого и микробного углерода в почвах (при уровне значимости 0,05) во все сроки наблюдений.

3.4. Минерализация и микробная иммобилизация азота

Изучаемые почвы различаются по интенсивности процессов нетто и гросс минерализации азота (рис. 2). В почве лишайниковой пустоши нетто минерализация большую часть вегетационного периода отрицательна или близка к нулю. В то же время, гросс минерализация и иммобилизация колеблются от 0,1 до 2 мг N/кг в сутки. При этом процессы иммобилизации азота иногда преобладают над процессами минерализации. В почве луга нетто минерализация всегда положительна, а гросс минерализация находится в пределах от 2 до 7,5 мгЫ/кг в сутки, что более чем в 3 раза превышает этот показатель для почвы пустоши (рис.

2). Кроме того, в почве луга гросс минерализация всегда значительно превышает иммобилизацию.

3.5. Распределение изотопной метки 15N в альпийских биогеоценозах

Разные пулы азота оказались в разной степени обогащены меткой 15N (рис.

3). Обогащенность тяжелым изотопом была максимальна во фракции N-NH4+ (за исключение варианта с 15N-N03" в почве пустоши) и могла достигать 25 ммоль 15Ы/моль N. В наземной биомассе (втором по обогащенности пуле) концентрации тяжелого изотопа составили от 1,5 до 5 ммоль иЫ/моль N, что в 2-15 раз меньше, чем обогащенность N-NH4+. Минимальная обогащенность характерна для NM„Kp и Nopr - варьирует от 0,2 до 2 ммоль 15Ы/моль N.

Существенные различия были отмечены при внесении 15N в составе разных азотсодержащих соединений. Так, суммарная обогащенность I5N всех пулов значительно более высокая при внесении '5NH4C1 и 2-пС,15Кт-глицина. Особенно это проявляется в почве пустоши (рис. 3). Относительные концентрации I5N в надземной фитомассе значительно выше при внесении N в составе неорганических соединений в сравнении с органическими. Также характерно, что через год после внесения изотопной метки, различия в обогащенности разных пулов азота в разных вариантах внесения метки сгладились и были статистически неотличимы при уровне значимости 0,05.

2,5 2 1,5 1

0,5 О -0,5

ПУСТОШЬ

■ Нетто-минерапизация О Гросс-минерализация ЕЭ Гросс-иммобилизация

Рис. 2. Активности процессов минерализации и иммобилизации азота (мг кг"1 в сутки) в почвах

35 30 25 -20 15 10 -5 П

Пустошь

¿0 1«

Ы -1?

ц

Луг

Г Чор--и

С • • |!.

г>и;>,\'к-к <

□ л; МН4

М03" Глицин Асп. к-та

ин, n0/ Глицин Асп. к-та

Рис. 3. Обогащенность N разных пулов через 1 месяц после внесения метки,

ммоль ,51Ч/моль N

Распределение 15Ы между разными компонентами биогеоценоза показывает, что большая часть иммобилизованной метки приходится на микробную (от 35 до 90%) и подземную (от 7 до 60 %) биомассу, несмотря на то, что обогащенность данных пулов относительно низка (рис. 4). Это связано количественным преобладанием азота этих пулов в составе альпийских сообществ.

120

60 40 -20

0

О Корни 100

в Надземная раст. НО Биомасса

□ N микр ^о

■ 1\1орг 'Ю

С N-N44 20

N03' Глицин Асп. к-та

N4/

N0* Глицин Асп. к-та

Рис. 4. Распределение N неорганических и органических соединений между разными фракциями азота через 1 месяц после внесения в почву (%)

3.6. Поглощение 15Ы растениями альпийских сообществ

Разные виды растений, как лишайниковой пустоши, так и гераниевого луга поглотили разное количество 15М. На пустоши, максимальная обогащенность характерна для осок и ветреницы (может достигать 16,5 ммоль |51М/моль К), чуть меньшая - для колокольчика (до 9 ммоль 151Ч/моль Ы) и минимальная для кошачьей лапки и брусники (рис. 5).

В сообществе луга максимальная обогащенность также характерна для осок (до 18,0 ммоль ,5Ы/моль N1), чуть меньшая для злаков (овсяница, белоус, тимофеевка), обогащенность которых может достигать 12-15 ммоль |51М/моль N. Минимальная обогащенность характерна для минуарции и козельца.

В общем случае, виды с большим содержанием N в фитомассе поглощали больше Несмотря на то, что разные виды растений обладают разной

способностью к поглощению 15Ы, все растения в азотном питании предпочитают неорганические соединения в сравнении с аминокислотами (рис. 5). В отличие от других видов, для которых различия в потреблении разных минеральных

источников азотного питания не выражены, осоки (во всех сообществах) и козелец (в сообществе луга) больше поглощают N-N03" в сравнении с М-ЫН/, тогда как для колокольчика (на пустоши) и злаков (во всех сообществах) характерно

преимущественное поглощение N-NH4+.

70

60 .та Пустошь

50 40

NH4+ N03- Gi Asp

BTrifoHum EVaccimum

■ Campanula OAntennaria

HCarex n Festuca

Рис. 5. Обогащенность 15Ы доминантных видов растений через месяц после внесения метки, ммоль '5N/мoльN

3.7. Поглощение С растениями лишайниковой пустоши

Растения лишайниковой пустоши поглотили разное количество 13С и 15К из состава глицина. Максимальное обогащение |3С характерно для колокольчика и овсяницы (16 и 17 мкмоль 13С/моль С соответственно). Минимальное количество 13С (5 мкмоль 13С/моль С) было обнаружено в осоке. В других видах альпийских растений содержится от 6 до 9 мкмоль 13С/моль С (рис. 6).

70

60 50 40 30 20 10 о

□ Обогащенность углеродом И Обогащенность азотом

Trifolium Festuca ovina Carex sp. polyphyllum

Vaccinium Другие bvv vitis-idea

Рис. 6 Обогащенность надземной биомассы растений изотопными метками углерода (мкмоль ,3С/моль С) и азота (ммоль |5"Ы/моль N I О"2)

3.8. Симбиотическая азотфиксация в биогеоценозе лишайниковой пустоши

Концентрация азота в листьях индивидуальных бобовых растений пустоши варьирует от 1,86 до 3,61%, а 8|5Ы изменяется от -2,9 до -0,1%о. Наименьшие средние концентрации N и характерны для листьев клевера, в листьях астрагала и остролодочники отмечены максимальные концентрации N и а язвенник занимает по этим показателям промежуточное положение. Средняя концентрация N в листьях бобовых растений составила 3,04%, что является наибольшим показателем среди разных функциональных групп растений пустоши.

Концентрация в листьях бобовых в эксперименте с изотопной меткой составила 0,3711-0,5893 ат. % через месяц после внесения в почву и 0,37400,5594 ат. % через 2 месяца. Избыток 15Ы составил 0,0051-0,2240 и 0,0080-0,1941 ат. % для двух сроков соответственно. Наибольшие показатели концентраций и избытка в оба срока были характерны для листьев клевера многолистного. В листьях других видов бобовых происходило разбавление изотопной метки атмосферным азотом в результате симбиотической азотфиксации.

Вклад азотфиксации в азотное питание отдельных видов составил 34-43% для язвенника, 85-91% для астрагала и 96-98% для остролодочника, что несколько выше значений, полученных с использованием метода естественной концентрации 15Ы при величине 815М0 = 0. Наилучшее соответствие результатов определения азотфиксации двумя изотопными методами наблюдается при условии естественного фракционирования изотопов N в процессе азотфиксации в диапазоне от-0,5 до -0,7%о.

Глава 4. Обсуждение результатов

В альпийском поясе Тебердинского заповедника развиваются разные по продуктивности сообщества. Гераниевые луга являются высокопродуктивными сообществами. Запасы азота в растительной биомассе лишайниковой пустоши значительно более низкие. Почва гераниевого луга более обеспечена запасами лабильных соединений азота и углерода по сравнению с почвой под низкопродуктивным фитоценозом лишайниковой пустоши. Также исследуемые почвы существенно различаются по структуре запасов лабильных соединений. Эти различия связаны, очевидно, с разной биологической активностью в почвах, что подтверждается различиями процессов нетто и гросс минерализации азота. В почве лишайниковой пустоши нетто минерализация часто отрицательна и процессы иммобилизации азота могут преобладать над процессами минерализации. В почве луга нетто минерализация всегда положительна, а гросс минерализация более чем в 3 раза превышает этот показатель для почвы пустоши. Кроме того, здесь гросс

минерализация значительно превышает иммобилизацию. Это является подтверждением того, что микроорганизмы в почве гераниевого луга мало лимитированы доступностью источников азота, по сравнению с почвой пустоши.

В ходе исследования мы обнаружили нелинейные связи между содержанием разных фракций лабильных соединений азота и углерода в почвах и климатическими параметрами. Влияние биотических и абиотические факторов окружающей среды на динамику лабильных пулов азота и углерода в почвах было подтверждено результатами регрессионных анализов. Так, абсолютные максимумы содержания, N-NH4+, Nopr и Сорг, а также азота и углерода микробной биомассы приходятся на период, характеризующийся благоприятным уровнем влажности (около 60% ППВ) и температуры почв для микроорганизмов. Однако установленные зависимости могут объяснить только до 40% варьирования данных. Поэтому, вероятно, на динамику лабильных соединений также оказывают влияние эффекты стимулирования микробной активности, возникающие после поступления в почву экссудатов растений. Кроме того, такие эффекты могут возникать и в начале вегетационного периода, когда в результате циклов промораживания и оттаивания происходит частичная гибель микроорганизмов и в почве появляется дополнительное количество лабильных соединений углерода и азота (Lipson et al., 1999; Grogan and Jonasson, 2003 и другие).

Наши результаты также подтверждают, что микроорганизмы и растения в азотном питании предпочитают разные соединения азота. Микроорганизмы отдают предпочтение аминокислотам, а растения потребляют в больших количествах неорганические формы азота. Это следует из данных по обогащенности организмов 15N при внесении его в составе разных соединений. При этом микробы ассимилируют в больших количествах 15N глицина, по сравнению с аспарагиновой кислотой, имеющей большее отношение C:N и большую молекулярную массу.

Растения исследуемых биогеоценозов обладают неодинаковой эффективностью утилизации азота. Следовательно, при увеличении доступности азота, виды, характеризующиеся быстрой ассимиляцией N, могут иметь преимущества в азотном питании. Кроме того, разные виды растений различаются по предпочтениям в поглощении разных форм неорганического азота. Например, осоки и козелец больше поглощают N-N03\ а колокольчик, овсяница, тимофеевка и белоус больше ассимилируют аммонийный азот. Для других видов значимые различия в потреблении минеральных источников не выявлены.

Оценка возможности ассимиляции органических соединений азота растениями лишайниковой пустоши на основании мольных соотношений изотопов 15N и ПС в фитомассе показала вероятность этого процесса только у двух видов с

20

везикулярно-арбускулярной микоризой - у колокольчика (корни которого, согласно литературным данным, на 80% инфицированы микоризой) и овсяницы (которая инфицирована на 21%). Эти виды обогащены как изотопом |5Ы, так и'3С. Анализ стехиометрических отношений содержания тяжелых изотопов азота и углерода в этих видах растений и в метке позволяет считать, что растения ассимилируют не более 15% азота в виде органических веществ.

Оказалось, что симбиотическая азотфиксация адаптирована к экстремальным условиям высокогорий и, являясь важным источником азотного питания бобовых растений альпийских биогеоценозов, может служить важным фактором поступления азота в них.

Выводы

1. Под высокопродуктивным сообществом гераниевого луга почва характеризуется большими запасами лабильных соединений азота, по сравнению с почвой под низкопродуктивным фитоценозом лишайниковой пустоши. Эти различия связаны с разной активностью трансформации азотсодержащих соединений в почвах разных сообществ.

2. Биотические и абиотические факторы окружающей среды влияют на сезонную динамику лабильных пулов азота и углерода в почвах, а также на скорость их трансформации. Однако абиотические факторы могут объяснить только 40% варьирования лабильных соединений азота

3. Процессы микробной иммобилизации азота в отдельные сроки вегетационного периода могут преобладать над процессами минерализации в почве лишайниковой пустоши. В почве же луга минерализация всегда превышает иммобилизацию. Это является подтверждением того, что почвенные микроорганизмы и растения в почве гераниевого луга меньше лимитированы доступностью источников азота по сравнению с пустошью.

4. Микроорганизмы и растения в азотном питании предпочитают разные соединения: микроорганизмы отдают предпочтение аминокислотам, а растения лучше ассимилируют неорганические формы азота.

5. Среди растений выделяются виды быстрые ассимиляторы минеральных соединений азота (преимущественно злаки и осоки). При этом ряд видов

21

проявляет разное предпочтение при минеральном азотном питании. Так, козелец (на гераниевом лугу) и осоки (в обоих сообществах) больше поглощают N-NO3", тогда как колокольчик (на пустоши) и злаки (в обоих сообществах) больше ассимилируют аммонийный азот.

6. Ассимиляция органических соединений азота растениями является дополнительным механизмом повышения доступности элемента. Этот процесс характерен для двух видов с везикулярно-арбускулярной микоризой (колокольчика и овсяницы).

7. Симбиотическая азотфиксация бобовыми растениями лишайниковой пустоши адаптирована к экстремальным условиям высокогорий. При этом отдельные виды бобовых различаются по способности к симбиотической азотфиксации: вклад азотфиксации в азотное питание составил 34-43% для язвенника обыкновенного, 85-91% для астрагала Левье и 96-98% для остролодочника кубанского.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Макаров М.И., Малышева Т.И, Ермак A.A., Онипченко В.Г., Степанов А.Л., Меняйло О.В. Симбиотическая азотфиксация в сообществе альпийской лишайниковой пустоши Северо-Западного Кавказа (Тебердинский заповедник) // Почвоведение. 2011. № 12. С. 1504-1512.

2. Макаров М.И.Д1еошкина H.A., Ермак A.A., Малышева Т.И. Сезонная динамика минеральных форм азота в горно-луговых альпийских почвах // Почвоведение. 2010. № 8. С. 969-978.

3. Ермак А.А, Макаров М.И., Малышева Т.И. Поглощение азота фитоценозом и микробоценозом альпийской лишайниковой пустоши // География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию профессора Н.И. Базилевич. Мат-лы конф. (Пущино, 19-22 апреля 2010 г.). М„ 2010. С. 290-294.

4. MakarovM.l., Ermak A.A., Malysheva T.I., Mulyukova O.S. Nitrogen transformation in alpine soils of the Northern Caucasus: effect of nitrogen source and low temperatures // Geophysical Research Abstracts. Vol. 12. EGU20I0-11293. EGU General Assembly 2010.

5. Ермак A.A. Макаров М.И. Влияние биотических и абиотических факторов на динамику азота в почве альпийской лишайниковой пустоши // Отражение био-, reo-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове. Сборник мат-лов IV Всероссийской научной конференции (Томск, 1-5 сентября 2010). Т. 2. Томск, 2010. С. 70-73.

6. Ермак A.A., Макаров М.И., Малышева Т.И. Изучение азотного цикла в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника с использованием метода стабильных изотопов // Проблемы мониторинга природных процессов на особо охраняемых природных территориях. Материалы международной научно-практической конференции (Варварино, 20-23 сентября 2010). Воронеж, 2010. С. 230-233.

7. Макаров М.И., Малышева Т.И., Онипченко В.Г., Ермак A.A., Ваганов И.Е. Мониторинг климатических параметров и гидротермического режима почв в альпийском поясе Тебердинского заповедника // Проблемы мониторинга природных процессов на особо охраняемых природных территориях. Материалы международной научно-практической конференции (Варварино, 20-23 сентября 2010). Воронеж, 2010. С. 252-255.

8. Makarov M.I., Ermak A.A., Onipchenko V.G., Malysheva T.I., Vaganov I.E. Micro-climate in alpine ecosystems of the Northern Caucasus // Abstracts of the Global Change and the World Mountains Conference (Perth, Scotland, 26-30 September 2010). Parallel Session 2.1.

9. MakarovM.I., Ermak A.A., Malysheva T.I. Nitrogen turnover in alpine lichen heath of the Northern Caucasus // Abstracts of the Global Change and the World Mountains Conference (Perth, Scotland, 26-30 September 2010). Parallel Session 4.1.

10. Onipchenko, V.G., Makarov, M.I., Van Logtestijn, R.S.P., Ivanov, V.B., Akhmetzhanova, A.A., Tekeev, D.K., Ermak, A.A., Salpagarova, F.S., Kozhevnikova, A.D., Cornelissen, J.H.C. New nitrogen uptake strategy: specialized snow roots// Ecology Letters, 2009. V.12.P.758-764.

П.Ермак A.A. Использование различных экстрагентов при определении микробной биомассы методом фумигации - экстракции // Тезисы докладов XVI международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2009»; секция «Почвоведение». М., 2009. - С. 51-52.

12. Ермак A.A. Динамика доступности азота в горно-луговых альпийских почвах в вегетационный период // Тезисы докладов XV международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2008»; секция «Почвоведение». М.: МАКС Пресс, 2008. С. 37-38.

13. Ермак A.A. Сезонная динамика доступности минеральных соединений азота в горно-луговых альпийских почвах // Тезисы докладов Х1Умеждународной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2007»; секция «Почвоведение». М., 2007. С. 29-31 Н.Макаров М.И., Ермак A.A., Леошкина H.A., Малышева Т.Н. Сезонная динамика минерализации органических соединений азота и нитрификации в горно-луговых альпийских почвах Тебердинского заповедника // Состав и структура высокогорных экосистем Тебердинского заповедника (Тр./Тебердин. Гос. Биосферн. Заповедник, вып. 27). - М.: б.и., 2007. С. 4252.

15. Макаров М.И., Малышева Т.Н., Леошкина H.A., Ермак A.A. Динамика процессов трансформации соединений азота в почвах альпийских экосистем // Материалы Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты». Санкт-Петербург. 2007. С. 461-462.

Подписано в печать: 11.034.12

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз Заказ № 7611 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская д.ЗЗ (495) 979-96-99, www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ермак, Антон Александрович, Москва

61 12-3/1188

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

Ермак Антон Александрович

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-МИКРООРГАНИЗМЫ-РАСТЕНИЯ» В АЛЬПИЙСКИХ ЭКОСИСТЕМАХ ТЕБЕРДИНСКОГО ЗАПОВЕДНИКА

Специальность 03.02.13 - почвоведение

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Особенности круговорота азота в экосистемах холодного

климата 9

1.1. Процессы трансформации соединений азота в почвах альпийских и тундровых биогеоценозов 9

1.2. Особенности азотного питания в экосистемах холодного климата 17

1.3. Поглощение растениями элементов питания в составе органических соединений 28

Глава 2. Объекты и методы исследования 36

2.1. Географическое положение и рельеф 36

2.2. Климат 37

2.3. Растительность 40

2.4. Геология и почвы 42

2.5. Объекты исследования 51

2.6. Методы исследования 53

2.6.1. Изучение временной динамики процессов трансформации соединений азота 54

2.6.2. Изучение распределения изотопной метки 15И между разными пулами азота 56

2.6.3. Изучение питания растений лишайниковой пустоши органическими азотсодержащими соединениями 58

2.6.4. Изучение симбиотической азотфиксации бобовыми растениями лишайниковой пустоши 59

2.6.5. Методы измерений и анализов 61

Глава 3. Результаты исследования 65

3.1. Метеорологические условия, температура и влажность почв

в течение вегетационных периодов 2009 и 2010 гг. 65

3.1.1. Температура воздуха 65

3.1.2. Атмосферные осадки 69

3.1.3. Влажность почвы 72

3.1.4. Температура почвы 74

3.2. Азот и углерод в биомассе альпийских фитоценозов 76

3.2.1. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе лишайниковой пустоши 76

3.2.2. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе гераниевого луга 80

3.3. Азот и углерод в горно-луговых альпийских почвах 83

3.3.1. Азот и углерод в почве лишайниковой пустоши 83

3.3.2. Азот и углерод в почве гераниевого луга 87

3.4. Минерализация и микробная иммобилизация азота в почвах 91

3.5. Распределение изотопной метки 15М в альпийских биогеоценозах 93

3.5.1. Распределение изотопной метки в пулах азота лишайниковой пустоши 93

3.5.2. Распределение изотопной метки в пулах азота гераниевого луга 96

3.6. Поглощение 15К растениями альпийских сообществ 98

3.7. Поглощение 13С растениями лишайниковой пустоши 101

3.8. Симбиотическая азотфиксация в биогеоценозе 102 лишайниковой пустоши

Глава 4. Обсуждение результатов 105

4.1. Сезонная динамика лабильных соединений азота в горнолуговых альпийских почвах 105 4.1.1 .Общая характеристика лабильных пулов азота 105 4.1.2. Динамика содержания лабильных пулов азота и

углерода в течение вегетационного периода 109

4.2. Поглощение азота разными компонентами альпийских биогеоценозов 115

Выводы 127

Список литературы 129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Поддерживавшееся длительное время динамическое равновесие в содержании разных форм азота в биосфере начало стремительно меняться в прошлом веке (Умаров и др., 2007). Учёные всё больше сходятся во мнении по вопросу о том, что современные масштабы нарушения круговорота азота могут иметь глобальные последствия, сравнимые с последствиями нарушения круговорота углерода (Глобальная экологическая перспектива..., 1999). На пятьдесят пятой сессии Генеральной Ассамблеи ООН, состоявшейся 3 октября 2000 г., в программе действий на XXI век было особо обращено внимание на важность изучения изменений в процессах азотного цикла. В связи с этим повысился интерес к исследованию процессов трансформации соединений азота, в том числе, в экосистемах холодного климата, выступающих в качестве «компаса глобальных перемен».

В настоящее время альпийские экосистемы Кавказа остаются малоизученными, в них практически не проводились работы по изучению сезонной динамики процессов трансформации соединений азота, как результата функционирования системы «почва-микроорганизмы-растения». Большинство исследователей лишь на короткое время посещали высокогорные районы, что не способствовало проведению длительных сезонных исследований. Среди немногочисленных высокогорных стационаров на Кавказе следует отметить стационар Института Ботаники АН Грузии в Казбеги, на котором выполнено большое число работ преимущественно физиолого-экологического направления, но сезонные исследования по биогеохимии азота не проводились. На известном

стационаре Института Ботаники Армении «Арагац» и на Юго-Осетинском стационаре БИН, которые в настоящее время прекратили своё существование, также не проводилось сколько-нибудь значимых исследований по динамике трансформации соединений азота в высокогорных экосистемах. Гораздо больше работ по компонентам цикла азота проводится в арктических и субарктических тундровых экосистемах Европы и Северной Америки, которые функционально наиболее близки к высокогорным экосистемам (Hart, Gunther, 1989; Giblin et al., 1991; Fisk et al., 1998 и другие).

Цель работы

Целью работы было изучение трансформации соединений азота в двух альпийских экосистемах Тебердинского заповедника с использованием метода изотопной метки 15N.

Задачи исследования

1. Оценить пулы азота и их сезонную динамику в системе «почва-микроорганизмы-растения» в альпийских экосистемах.

2. Оценить временную динамику процессов трансформации соединений азота в горно-луговых альпийских почвах.

3. Установить преимущественные источники азотного питания растений и микроорганизмов.

4. Оценить вклад симбиотической азотфиксации в обеспечение азотного питания бобовых растений в альпийских фитоценозах.

Научная новизна

Проведенные исследования характеризуют особенности состояния азота в системе «почва-микроорганизмы-растения» в двух распространенных биогеоценозах альпийского пояса Тебердинского заповедника. Впервые в горно-луговых альпийских почвах Северо-Западного Кавказа определены активность и динамика процессов «гросс» трансформации азота с использованием изотопной метки 15К Установлено, что ассимиляция органических соединений азота является дополнительным механизмом повышения доступности азота для некоторых видов альпийских растений с везикулярно-арбускулярной микоризой. Впервые получены прямые доказательства того, что среди растений альпийского пояса Тебердинского заповедника присутствуют виды, отличающиеся по скорости ассимиляции минеральных соединений азота и по предпочтениям разных источников азотного питания. Показано, что симбиотическая азотфиксация адаптирована к экстремальным условиям высокогорий и является важным источником азотного питания бобовых растений альпийских биогеоценозов.

Практическая значимость диссертации

Полученные результаты могут быть использованы для выработки рекомендаций по оптимизации питания растений при восстановлении высокогорных экосистем, так как многие альпийские и субальпийские территории используются человеком и часто требуют незамедлительной рекультивации. В частности, результаты исследования могу способствовать выработке экстренных мер по восстановлению нарушенных сообществ высокогорий вследствие интенсификации антропогенной деятельности на Кавказе, такой как перевыпас скота, развитие добывающей промышленности, строительство дорог и туннелей, развитие индустрии туризма и спорта

(включая строительство олимпийских объектов к зимним Олимпийским играм 2014 г.).

Полученные результаты можно использовать в моделях изменения климата и реакции растений на атмосферное загрязнение для прогноза изменений видового состава и продуктивности высокогорных экосистем, а также при проведении комплексного мониторинга окружающей среды.

Благодарности

Выражаю благодарность своему научному руководителю д.б.н. М.И. Макарову; бывшим и нынешним сотрудникам кафедры общего почвоведения к.б.н. A.B. Волкову, к.б.н. Т.Н. Малышевой, И.Е. Ваганову, к.б.н. О.Ю. Гончаровой и к.б.н. Г.В. Матышаку за оказанные внимание и помощь в работе; заведующему кафедрой геоботаники биологического факультета МГУ д.б.н., профессору В.Г. Онипченко за предоставленную возможность работать на высокогорном стационаре МГУ «Малая Хатипара»; сотрудникам кафедры системной экологии Свободного Университета Амстердама (Нидерланды) Prof. Dr. J.H.C. Cornelissen и R.S.P. van Logtestijn за предоставленную возможность выполнения изотопных анализов, а также к.б.н. H.A. Судзиловской за ценные консультации по методам математической обработки полученных результатов.

Глава 1. Особенности круговорота азота в экосистемах холодного климата

1.1. Процессы трансформации соединений азота в почвах альпийских и тундровых биогеоценозов

Доступность растениям соединений азота зависит, главным образом, от скорости и степени их высвобождения из органического вещества почвы и отмершей растительной биомассы. В экосистемах холодного климата в связи с экстремальными экологическими условиями (отрицательные среднегодовые температуры, низкие значения pH почвенных растворов и т.д.) степень минерализации органических соединений довольно низкая. Согласно оценкам К. van Cleve и V. Alexander (цит. по Stark, 2007), в тундрах ежегодно минерализуется только 0,4-1,3% азота, содержащегося в почве, тогда как в экосистемах умеренного климата этот показатель составляет 3-7%. В условиях ограниченной доступности ресурса организмы могут, с одной стороны, вступать в конкурентные взаимоотношения, а с другой, способствовать друг другу в процессах его потребления.

Согласно современным представлениям (Schimel, Bennett, 2004; Paungfoo-Lanhienne et al., 2008; Näsholm et al, 2009 и другие), азот может быть доступен растениям и микроорганизмам как в виде минеральных, так и в виде низкомолекулярных органических соединений. Одной из наиболее отличительных черт биологического цикла азота в экосистемах холодного климата является отрицательная нетто минерализация его органических соединений в почвах в течение вегетационного периода (рассчитывается как изменение пула минерального азота во времени при отсутствии его ассимиляции растениями, выщелачивания, диссимиляционной редукции

нитратов и денитрификации) (Giblin et al., 1991; Nadelhoffer et al., 1991 Schmidt et al., 1999; Макаров и др., 2007 и другие). Отрицательные значения нетто минерализации (содержание минерального азота уменьшается в процессе инкубирования почв) показывают, что микробная иммобилизация элемента в почве превышает показатели минерализации его органических соединений. Долгое время считалось, что несоответствие между размерами поглощения азота растениями и нетто минерализации является следствием того, что минеральный азот доступен растениям экосистем холодного климата только в периоды массовой гибели микроорганизмов, или же, что органические соединения азота являются более важным источником элемента для растений, чем неорганические соединения (Jonasson et al., 2001). Однако это может быть также обусловлено методологическим несовершенством определения нетто минерализации. Очень низкие и отрицательные значения нетто минерализации органических соединений азота в почвах экосистем холодного климата свидетельствуют о том, что в них сильно выражена конкуренция за доступный ресурс между растениями и микроорганизмами. Когда в экспериментах по определению минерализации и нитрификации искусственно убирается конкуренция со стороны растений, иммобилизация элемента микроорганизмами значительно возрастает, снижая показатели нетто минерализации (Schmidt et al., 1999, 2002). Таким образом, феномен отрицательной нетто минерализации азота свидетельствует, во-первых, о непригодности применения этого показателя для абсолютных оценок доступности азота растениям в тундровых и горно-луговых почвах, а во-вторых, о важной роли микроорганизмов, как ключевого звена в цикле азота в экосистемах холодного климата (Stark, 2007). Тем не менее, этот показатель может успешно использоваться для сравнительной оценки активности

трансформации азотсодержащих соединений в разных почвах (Макаров и др., 2010).

Во многих экосистемах холодного климата отмечается интенсивная микробная иммобилизация азота в почвах. Например, в почвах альпийского пояса Тебердинского заповедника содержание N микробной биомассы составляет 64-85 мг/кг (Makarov et al., 2003), что в несколько раз превышает содержание в них обменного N-NH/. В почвах горной тундры Швеции содержится от 2,3 до 5,4 г/м2 N микробной биомассы, что в 10-13 раз больше содержания неорганических соединений N (Schmidt et al., 1999; 2002), а в тундровых почвах Скалистых гор Колорадо в период вегетации количество N микробной биомассы может достигать 5,9 г/м , что также сравнимо с содержанием минеральных форм элемента (Brooks, Williams, 1999).

Вместе с тем, растения обычно иммобилизуют гораздо больше азота, чем его закрепляется в микробной биомассе. Так, согласно Р.Т. Jaeger с соавторами (1999), микробная активность горных почв низкая, и потребление азота микроорганизмами составляет около 4-7% от количества, запасаемого растениями. S. Jonasson с соавторами (1999) подсчитали, что в арктических тундровых пустошах на растения приходится 19%, а на микробную биомассу - 2,5% от запасов углерода; азот фитомассы растений и микробной биомассы составляет 10% и 6,5% от общего запаса элемента в биогеоценозе; для фосфора соответствующие показатели составили 11% и 30%. Таким образом, фракции азота и углерода растительной биомассы были в 1,5 и 8 раз больше по сравнению с микробной биомассой. Тогда как для фракций фосфора данное соотношение составило около 0,3.

При всем этом считается, что для экосистем холодного климата характерна выраженная конкуренция между микроорганизмами и растениями за доступный азот, особенно в периоды резкого роста микробной биомассы. В

случае же даже небольшого уменьшения ее запасов в почвах может происходить значительное повышение содержания доступного растениям азота (Stark, 2007). Это подтверждается рядом экспериментов. Например, I.K. Schmidt с соавторами (1997а) в экспериментах со стерилизацией арктических почв, которая приводила к значительному увеличению продуктивности растений вследствие высвобождения азота, связанного в микробной биомассе, показали способность микроорганизмов удерживать значительные количества питательных элементов, делая их недоступными для растений.

В отличие от лесных почв умеренного пояса, а также сельскохозяйственных почв, концентрация нитратов в почвах экосистем холодного климата незначительна (Giblin et al., 1991; Hartley, et al., 1999), a нитрификация не рассматривается как важный компонент биологического круговорота азота (табл. 1.1). Предполагается, что низкая интенсивность нитрификации (или даже полное ее отсутствие) обусловлена теми же экологическими факторами, которые ограничивают минерализацию. Кроме того, в условиях ограниченной доступности питательных элементов, нитрифицирующие бактерии менее конкурентоспособны за источники аммонийного азота в сравнении с гетеротрофными микроорганизмами (Giblin et al., 1991; Schimel et al., 1996). В тоже время, некоторые авторы отмечают достаточно высокую активность нитрификации в почвах некоторых экосистем холодного климата. Так, А.Е. Giblin с соавторами (1991) не отметили нитрификацию в почвах сообществ сухих пустошей и влажных осоковых тундр Аляски, тогда как в почвах влажных кочкарных тундр нитрификации подвергалось до половины минерализованного азота.

Несмотря на высокую влажность, а иногда и насыщенность водой почв во многих экосистемах холодного климата, процессы денитрификации обычно ограничены очень низкими концентрациями нитратов (Stark, 2007).

Таблица 1.1.

Интенсивность процессов трансформации соединений азота в экосистемах холодного климата, бореальных лесах и лесах умеренного климата (Stark, 2007)

Процесс Экосистемы холодного климата Бореальные леса Леса умеренного климата

Аммонификация Низкая или отсутствует Низкая Умеренная

Нитрификация Низкая или отсутствует Низкая или отсутствует Низкая или умеренная

Денитрификация Низкая Низкая Низкая

Азотфиксация Умеренная Умеренная Высокая

Поглощение органического азота растениями и микроорганизмами Высокое Высокое Умеренное

Процессы минерализации азотсодержащих соединений, нитрификации и денитрификации, а также высвобождение других питательных элементов из микробной биомассы в доступной для растений форме в экосистемах холодного климата в значительной степени контролируются циклами промерзания и оттаивания почв (ЦПО) в осенне-весенний период (DeLuca et al., 1992; Schimel et al., 1996; Lipson et al., 1999; Grogan, Jonasson, 2003). Например, ЦПО могут влиять на доступность азота и углерода в экосистемах холодного климата через эмиссию С02 и N20 (Schimel, Clein, 1996; Muller et al., 2002) и увеличение содержания лабильных соединений в почвенном растворе (Brooks et al., 1998; Wang, Bettany, 1993).

Чаще всего роль ЦПО в биологических циклах питательных элементов оценивают с помощью лабораторных экспериментов. Как правило, отличаясь в деталях, они имеют два общих