1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Экология
  4. № 1, 2021

Экология, 2021, № 1, стр. 12-20

Симбиотическая азотфиксация бобовыми растениями альпийских экосистем: вегетационный эксперимент

М. И. Макаров a, *, В. Г. Онипченко a, Т. И. Малышева a, А. Г. Зуев b, А. В. Тиунов b

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12, Россия

b Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова
119071 Москва, Ленинский просп., 33, Россия

* E-mail: mmakarov@soil.msu.ru

Поступила в редакцию 06.04.2020
После доработки 30.04.2020
Принята к публикации 19.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Анализ естественного изотопного состава азота бобовых растений не всегда позволяет рассчитать интенсивность симбиотической фиксации ими атмосферного азота и требует совершенствования. Пять типичных для альпийского пояса Тебердинского заповедника видов бобовых растений (Anthyllis vulneraria, Astragalus levieri, Hedysarum caucasicum, Oxytropis kubanensis, Trifolium polyphyllum) выращивали из семян в условиях лабораторного вегетационного эксперимента. Показано, что формирование клубеньков на корнях происходит на ранних стадиях их развития; Trifolium polyphyllum, не образующий клубеньки в условиях высокогорий, не формирует их и при вегетации в лаборатории. Естественная концентрация 15N в листьях бобовых растений альпийских экосистем позволяет рассчитать вклад атмосферного N2 в азотное питание уже в первый год их развития, тогда как изотопный состав азота в корнях не дает такой возможности. При расчете интенсивности фиксации атмосферного азота следует принимать во внимание фракционирование изотопов между симбиотическими бактериями (клубеньками) и растением-хозяином, без учета которого доля фиксированного азота в питании растений может быть занижена.

Ключевые слова: азотное питание растений, бобовые растения, фиксированный N2 атмосферы, естественная концентрация 15N

Симбиотическая азотфиксация имеет важное значение в функционировании экосистем. Оценки глобального поступления фиксированного из атмосферы N2 в естественные наземные экосистемы, хотя и различаются в несколько раз в зависимости от использованных методов расчета (от 195 Тг N в год [1] до 128 Тг N в год [2] или даже 44 Тг N в год [3]), свидетельствуют о связывании большого количества атмосферного азота и вовлечении его в биологический круговорот. В частности, в высокогорьях растения, обладающие симбиотической азотфиксацией, доминируют на первых стадиях сукцессий при таянии ледников, обеспечивая аккумуляцию азота в почве и повышая его доступность для растений, поселяющихся позднее [4].

Количественная оценка симбиотической азотфиксации на основе анализа естественного изотопного состава азота растений начала широко применяться в 1970–1980-х гг. Метод основан на том, что концентрация изотопа 15N в почвенных азотсодержащих соединениях обычно отличается от его концентрации в атмосферном N2. В результате изотопный состав N азотфиксирующих видов, получающих его из почвы и атмосферы, как правило, отличается от изотопного состава N у видов, использующих только его почвенные источники. Это дает возможность рассчитать вклад азотфиксации в азотное питание растений с использованием принципа смешивания изотопов и изотопного масс-баланса [5]. В полевых исследованиях и вегетационных экспериментах были охарактеризованы достоинства и ограничения этого метода оценки доли фиксированного азота в питании растений и его вклада в общий азотный пул почвы в условиях разных экосистем [5, 6].

Для высокогорий, характеризующихся в целом низкой доступностью азота для растений, показано [4, 7–12], что процесс симбиотической азотфиксации активно протекает в условиях низких температур, кислых почв, низкой доступности фосфора и обеспечивает значительную долю азотного питания бобовых (30–100%). Вклад бобовых в приток азота в экосистемы (74–810 мг/м2 в год) определяется главным образом их участием в биомассе фитоценоза [7, 8, 13]. Активно фиксирующие атмосферный азот бобовые растения повышают его доступность в почве и таким образом влияют на другие растения в составе альпийского фитоценоза [14].

Несмотря на возрастающее внимание к совершенствованию количественной оценки азота, поступающего в почвы естественных экосистем в результате симбиотической азотфиксации [15], ряд вопросов все еще требует уточнения. В идеале при расчете следует использовать средневзвешенное для всего растения значение δ15N, что при изучении многолетних бобовых растений, формирующих в условиях естественных экосистем мощные глубокие корневые системы, часто оказывается затруднительным. Кроме того, для высокогорных экосистем данные по изотопному составу азота в разных частях бобовых растений (листья, корни, клубеньки) до сих пор чрезвычайно редки, и при оценке доли фиксированного азота часто используется величина δ15N в надземной части растений [7, 12]. Не известно также, насколько быстро формируются клубеньки на корнях многолетних альпийских бобовых растений и в какой степени учет изотопного состава азота в корнях и клубеньках может повлиять на оценку вклада азотфиксации в их питание. Для решения этих вопросов мы провели лабораторный вегетационный эксперимент по выращиванию бобовых растений альпийского пояса Северо-Западного Кавказа из семян и применили метод естественной концентрации 15N для оценки активности симбиотической фиксации атмосферного азота.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Выращивали пять видов бобовых растений, типичных для наиболее бедных (лишайниковые пустоши) и наиболее богатых (гераниево-копеечниковые луга) элементами минерального питания местообитаний в альпийском поясе Тебердинского заповедника (Северо-Западный Кавказ). К первым относятся Trifolium polyphyllum, Anthyllis vulneraria, Astragalus levieri и Oxytropis kubanensis, ко второму – Hedysarum caucasicum. В качестве субстрата для выращивания использовали смесь из 50% (по массе) кварцевого песка и 50% гумусового горизонта почвы альпийской лишайниковой пустоши, свойства которой подробно описаны ранее [16]. Семена высаживали в начале мая в 10 вегетационных сосудов объемом 0.8 л для каждого вида. В июле (в возрасте 2.5 мес.) и августе (4 мес.) отбирали образцы растений для анализа (из 5 сосудов в каждый срок). Извлеченные из субстрата растения разделяли на надземную и подземную части, корни тщательно отмывали дистиллированной водой и высушивали. Высушенные образцы взвешивали, измельчали на вибрационной мельнице Retsch MM 200 и анализировали на содержание и изотопный состав азота на элементном анализаторе Thermo Flash 1112 и изотопном масс-спектрометре Thermo Delta V Plus в центре коллективного пользования при Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН.

У двух видов, сформировавших достаточное для проведения анализа количество клубеньков (Anthyllis vulneraria и Hedysarum caucasicum), клубеньки отделяли от корней, взвешивали и анализировали на содержание и изотопный состав азота как описано выше.

Расчет вклада азотфиксации (Nбиол, %) в состав азота растений осуществляли по формуле

${{{\text{N}}}_{{{\text{биол}}}}} = \frac{{{{\delta }^{{15}}}{{{\text{N}}}_{{{\text{контр}}}}} - {{\delta }^{{15}}}{{{\text{N}}}_{{{\text{фикс}}}}}}}{{{{\delta }^{{15}}}{{{\text{N}}}_{{{\text{контр}}}}} - {{\delta }^{{15}}}{{{\text{N}}}_{0}}}} \times 100,$
где δ15Nконтр ‒ изотопный состав N у контрольного вида растения, не обладающего симбиотической фиксацией атмосферного N2; δ15Nфикс ‒ изотопный состав N азотфиксирующего вида; δ15N0 – изотопный состав N азотфиксирующего вида, выращенного на безазотистой среде (учитывает фракционирование изотопов в процессе азотфиксации).

Альпийские экосистемы Тебердинского заповедника являются уникальным примером, когда в качестве контрольного вида предоставляется возможность использовать бобовое растение (T. polyphyllum), которое не образует симбиоза с азотфиксирующими бактериями, но таксономически и функционально максимально сходно с азотфиксирующими бобовыми [12]. Это позволяет избежать неопределенности допущений, связанных с выбором контрольного вида [5].

Величина δ15N0 в большинстве исследований экспериментально не определяется, и авторы ориентируются на ранее установленные значения от 0 до –1‰, представленные в литературе [4, 10, 12]. Последние исследования подтверждают, что для бобовых растений эта величина, хотя и может несколько отличаться для надземной и подземной частей растений, в целом близка к указанному диапазону [15]. Мы использовали при расчете Nбиол величину δ15N0 = – 0.6‰, которая дала наилучшее соответствие результатов, полученных для бобовых растений альпийской лишайниковой пустоши в полевых условиях, при использовании методов естественной концентрации 15N и разбавления изотопной метки 15N [12].

Для всех результатов рассчитаны средние значения и оценена значимость их различий по t-критерию.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование биомассы растений и клубеньков

Разные виды формировали разную биомассу (рис. 1, табл. 1). Наиболее активно рос A. vulneraria, сформировав через 2.5 мес. растения со средней биомассой около 90 мг в надземной части и около 20 мг – в подземной. В 2.5 раза меньшую надземную биомассу формировали H. caucasicum и T. polyphyllum. У последнего вида подземная биомасса, как и у A. vulneraria, была примерно в 4.5 раза меньше надземной, тогда как у H. caucasicum надземная и подземная биомассы почти не различались. Наименьшую биомассу сформировали два вида, наиболее активно фиксирующие атмосферный азот в полевых условиях [12], – A. levieri и O. kubanensis. Надземная часть этих растений весила около 14 мг, а подземная – всего 3–4 мг.

Рис. 1.

Бобовые растения, выращенные из семян в лабораторном вегетационном эксперименте: а ‒ Trifolium polyphyllum, б ‒ Anthyllis vulneraria, в ‒ Hedysarum caucasicum.

Таблица 1.  

Масса бобовых растений разного возраста (средние значения ± стандартное отклонение, n = 5) и формирование ими клубеньков

Вид Часть растения Масса одного растения, мг Количество клубеньков на растение, шт. Масса одного клубенька, мг
2.5 мес. 4 мес.
Anthyllis vulneraria Надземная 89.0 ± 26.0 103.5 ± 24.9 15–25 0.1
Подземная 19.0 ± 8.7 20.5 ± 6.4
Astragalus levieri Надземная 14.2 ± 7.1 22.4 ± 4.1* 1–4 0.2
Подземная 3.2 ± 0.8 6.1 ± 0.9*
Hedysarum caucasicum Надземная 34.6 ± 7.1 50.9 ± 6.1* 3–8 0.3
Подземная 27.9 ± 4.4 49.4 ± 10.1*
Oxitropis kubanensis Надземная 14.6 ± 1.3 13.7 ± 1.7 1–3 0.2
Подземная 4.0 ± 1.0 4.5 ± 1.3
Trifolium polyphyllum Надземная 36.1 ± 5.1 75.6 ± 17.7* 0 0
Подземная 7.8 ± 2.1 19.4 ± 6.4*

* Биомасса растений разного возраста значимо различается при P < 0.05.

В возрасте 4 мес. биомасса растений одних видов увеличилась, тогда как других – нет (см. табл. 1). К последним относятся как активно росший в первые 2.5 мес. A. vulneraria, так и O. kubanensis, показавший низкий рост. Другие виды увеличили свою биомассу в 1.5–2 раза как в надземной части, так и в подземной. Таким образом, молодые бобовые растения первого года отличаются от многолетних растений малой аккумуляцией подземной биомассы (по результатам раскопок корневой системы H. caucasicum в полевых условиях соотношение надземной и подземной биомассы составило в среднем 1 : 5).

На корнях молодых растений наблюдалось образование клубеньков, но разной численности и разных размеров (см. рис. 1, табл. 1). Исключение составил T. polyphyllum, на корнях которого клубеньки не образовывались. Ранее мы показали, что T. polyphyllum не образует клубеньки и не обладает симбиотической азотфиксацией в условиях альпийской лишайниковой пустоши [12], а также не начинает проявлять эти признаки при повышении доступности фосфора и уменьшении кислотности почвы [17]. Теперь мы получили свидетельство того, что клубеньки не образуются и при более высокой температуре вегетации в сравнении с полевыми условиями. Таким образом, подтверждается уникальное для травянистых внетропических бобовых явление – T. polyphyllum можно считать единственным известным нам исключением из общепринятого представления, что все они являются облигатными симбиотрофами-азотфиксаторами [18]. В частности, все близкие родственники T. polyphyllum в высокогорьях других горных систем интенсивно фиксируют азот (T. alpinum в Швейцарских Альпах [19]; T. dasyphyllum в Скалистых горах Колорадо [7, 20]).

Ни число, ни размер клубеньков, сформировавшихся на растениях в возрасте 2.5 мес., через 1.5 мес. не изменились. Наибольшее их количество сформировалось на корнях A. vulneraria (15–25 на растение), меньше их было у H. caucasicum (3–8) и еще меньше ‒ у A. levieri и O. kubanensis (1–4) (см. табл. 1). Обильные шаровидные клубеньки на корнях A. vulneraria были мелкими (средний диаметр 1 мм и масса 0.1 мг), тогда как редкие эллипсоидные клубеньки на корнях других видов растений были заметно крупнее, достигая в длину 3–5 мм при средней массе 0.2–0.3 мг. Наиболее крупными были клубеньки у H. caucasicum (рис. 2, табл. 1). В полевых условиях показана 10-кратная разница в массе мелких клубеньков у A. vulneraria и крупных у O. kubanensis [12].

Рис. 2.

Клубеньки Anthyllis vulneraria (а) и Hedysarum caucasicum (б).

Концентрация и изотопный состав азота

Концентрация азота в надземной части 2.5-месячных растений составила от 2.89% у T. polyphyllum до 2.96–4.24% у других видов (табл. 2). Эти значения оказались выше, чем у растений, произрастающих в естественных условиях (2.05 и 2.64–3.30% соответственно [12]). В отличие от надземной части концентрация азота в корнях T. polyphyllum (2.94%) не была минимальной. У двух фиксирующих азот видов она была меньше (H. caucasicum – 1.76%, A. vulneraria – 2.76%), а у двух других больше (O. kubanensis – 3.30%, A. levieri – 3.83%), чем у T. polyphyllum. Как и для надземной части, концентрация азота в многолетних корнях бобовых растений в условиях альпийских экосистем, согласно нашим неопубликованным данным, была заметно меньше: минимальная концентрация в корнях T. polyphyllum ‒ 0.93% и 1.92–2.03% – в корнях других бобовых.

Таблица 2.  

Концентрация и изотопный состав азота бобовых растений (средние значения ± стандартное отклонение, n = 5)

Вид Часть растения N, % δ15N, ‰ Распределение N по частям растения, % Nбиол,
%
2.5 мес. 4 мес. 2.5 мес. 4 мес. надзем- ная корни клу-беньки
Anthyllis vulneraria Надземная 2.96 ± 0.12a 2.33 ± 0.21аг* –0.52 ± 1.45a –1.19 ± 0.54а 81 16 3 –/51**
Корни 2.67 ± 0.11б 2.33 ± 0.05а* 4.95 ± 1.21б 3.21 ± 0.28б*
Клубеньки – 4.94 ± 0.04б – 8.45 ± 0.44в
Astragalus levieri Надземная 4.24 ± 0.12в 3.45 ± 0.32в* 0.32 ± 0.31a –0.21 ± 0.24г 86 14 Не опр. 55/39
Корни 3.83 ± 0.40ве 3.41 ± 0.13в –0.08 ± 0.40a –0.88 ± 0.58аг
Hedysarum caucasicum Надземная 3.21 ± 0.12гж 2.80 ± 0.28г –0.45 ± 0.52a –0.93 ± 0.31a 65 29 6 15/32
Корни 1.76 ± 0.06д 1.81 ± 0.10д –0.04 ± 0.42a –0.77 ± 0.41аг
Клубеньки – 4.59 ± 0.09е – 4.70 ± 0.37д
Oxitropis kubanensis Надземная 3.73 ± 0.12е 3.30 ± 0.25в 0.37 ± 0.32a –0.58 ± 0.39аг* 83 17 Не опр. 34/18
Корни 3.30 ± 0.20ж 3.62 ± 0.27в 0.21 ± 0.24a –0.97 ± 0.77аг*
Trifolium polyphyllum Надземная 2.89 ± 0.21aб 1.96 ± 0.14д* –0.08 ± 0.39a –1.20 ± 0.15a* 83 17 – –
Корни 2.94 ± 0.13a 2.23 ± 0.06а* 0.03 ± 0.40a –0.17 ± 0.46г

Примечание. Одинаковые буквенные индексы в пределах столбца показывают отсутствие значимых различий при P < 0.05; * ‒ показатели у растений разного возраста значимо различаются при P < 0.05; ** ‒ рассчитано по изотопному составу азота надземной части (над чертой) и всего растения (под чертой) .

Клубеньки A. vulneraria и H. caucasicum характеризовались наибольшими концентрациями азота – 4.94 и 4.59% соответственно.

В возрасте 4 мес. концентрация азота в надземной части всех видов растений уменьшилась, и она стала хорошо соответствовать растениям, произрастающим в естественных условиях. Минимальным значением по-прежнему характеризовался T. polyphyllum (1.92%), а у других видов концентрация N составила 2.10–3.48%. В корнях концентрация азота изменилась в меньшей степени – значимо уменьшилась только у T. polyphyllum (до 2.23%) и A. vulneraria (до 2.33%). У трех других видов она осталась на прежнем уровне, а в корнях H. caucasicum также по-прежнему была наименьшей (1.81%).

Изотопный состав азота в надземных и подземных органах всех видов бобовых (за исключением корней A. vulneraria) в возрасте 2.5 мес. значимо не различался и был близок к изотопному составу азота атмосферы: величины δ15N находились в пределах от –0.52 до 0.37‰. У T. polyphyllum величина δ15N оказалась максимально приближенной к атмосферному значению (–0.08‰ для надземной части и 0.03 ‰ для корней). В корнях A. vulneraria величина δ15N составила 4.95‰.

С возрастом растений в изотопном составе азота произошли некоторые изменения. В целом они характеризовались тенденцией к уменьшению величины δ15N (примерно на 1‰), но статистически значимое снижение отмечено только для O. kubanensis, корней A. vulneraria и надземной части T. polyphyllum. В корнях A. vulneraria по-прежнему была выраженная положительная величина δ15N (3.21‰). В сравнении с другими частями растений клубеньки заметно обогащены тяжелым изотопом азота (величина δ15N составила 8.45‰ у A. vulneraria и 4.70‰ у H. caucasicum). Ранее было показано, что азот клубеньков часто, хотя и не всегда, обогащен изотопом 15N (δ15N может превышать 10‰), и его накопление в клубеньках ассоциировано с бактериальными клетками [5]. Такая аккумуляция соответствует общей закономерности обогащения азота микроорганизмов тяжелым изотопом 15N, показанной на примере общей микробной биомассы почв [21–23], мицелия и плодовых тел эктомикоризных грибов [24, 25].

Механизм, ответственный за аккумуляцию 15N в микробных клетках, заключается в повышенной дискриминации тяжелого изотопа в процессе диссимиляции азота микроорганизмами в сравнении с его ассимиляцией. Эффективность такого механизма определяется соотношением доступности углерода и азота при питании микроорганизмов, которое контролирует активность процесса диссимиляции азота [22, 23]. При симбиотической азотфиксации, подобно микоризному симбиозу, микробная диссимиляция азота проявляется в преимущественной передаче изотопа 14N растению-хозяину и аккумуляции 15N в биомассе микроорганизмов. В этом случае фракционирование изотопов между симбионтами снижается при уменьшении эффективности симбиоза, что подтверждается на примерах как микоризного [24, 26], так и азотфиксирующего [5] симбиозов.

Эффективность симбиотической азотфиксации

Отклонения величины δ15N бобовых растений от 0‰ рассматриваются как следствие вклада в азотное питание почвенных источников, отличающихся по изотопному составу от атмосферного азота. Наличие таких различий позволяет рассчитать долю азота, получаемого растением в результате азотфиксации (биологический азот) [5].

Однако результаты определения изотопного состава азота в растениях 2.5-месячного возраста не позволили нам рассчитать вклад биологического азота в азотный пул молодых бобовых растений. Причиной послужило то, что контрольный вид (T. polyphyllum), не образующий симбиоз с азотфиксирующими бактериями, характеризовался значениями δ15N, наиболее близкими к изотопному составу азота атмосферы как в надземной (–0.08‰), так и в подземной (0.03‰) частях растения.

Для растений 4-месячного возраста изотопные данные уже дают такую возможность. При использовании для расчета показателей изотопного состава азота в надземной части растения вклад фиксированного из атмосферы азота в питание составил 55% для A. levieri, 34% ‒ для O. kubanensis и 15% ‒ для H. caucasicum (см. табл. 2). В полевых условиях для двух первых видов при использовании для расчета величины δ15N надземной части растений ранее были получены более высокие показатели (около 70% ‒ по результатам определения естественной концентрации 15N и свыше 90% ‒ в эксперименте с разбавлением изотопной метки [12]).

Исключение представляет A. vulneraria, для которого величина δ15N в надземной части растения такая же (–1.19‰), как и у T. polyphyllum, что не позволяет оценить вклад азотфиксации в его питание. В полевых условиях для A. vulneraria была показана заметно меньшая роль азотфиксации в обеспечении растения азотом, несмотря на активное формирование клубеньков [12].

В отличие от надземной части изотопный состав азота в корнях не позволяет рассчитать вклад азотфиксации в азотное питание многолетних бобовых растений альпийского пояса в первый год их роста, так как корни T. polyphyllum характеризовались наиболее близким к атмосферному значением δ15N не только в возрасте 2.5 мес., но и в 4 мес.

Оценка вклада азотфиксации в азотное питание растений оказалась неожиданной. Она свидетельствует о том, что виды, наиболее активно формирующие клубеньки (A. vulneraria и H. caucasicum), в меньшей степени использует биологический азот для своего питания. Такой факт не может не вызвать вопроса, тем более что клубеньки A. vulneraria и H. caucasicum заметно обогащены изотопом 15N, и известна прямая связь между такой обогащенностью и эффективностью азотфиксации [5].

Ранее [12], обсуждая относительно небольшое участие атмосферного азота в питании A. vulneraria, мы обращали внимание на принципиально меньшую глубину корневой системы у этого растения, что могло повлиять на результат проведенной оценки. Поскольку в условиях вегетационного эксперимента этот фактор нивелируется, то мы рассматриваем другую причину, которая может привести к снижению оценки участия азотфиксации в азотном питании растений, активно формирующих клубеньки, – фракционирование изотопов между симбионтами.

Обычно считается, что поскольку на долю клубеньков приходится менее 10% от общего азота в растении (3 и 6% для A. vulneraria и H. caucasicum), то их обогащение изотопом 15N не приводит к заметному обеднению тяжелым изотопом пула элемента в растении. Величина δ15N бобового растения оказывается приближенной к атмосферному азоту [27, 28], и эффект фракционирования можно не учитывать при расчете вклада азотфиксации в его питание [5].

Однако совершенно очевидно, что при накоплении тяжелого изотопа азота в клубеньках небольшие отрицательные значения δ15N в других частях бобовых растений связаны с фракционированием изотопов между клубеньковыми бактериями и растением-хозяином. Если, например, принять пул азота бактерий за 5% от общего количества азота в растении, а величину δ15N этого пула за 6.0‰, то при фракционировании изотопов обеспечивается снижение величины δ15N растения на 0.3‰ относительно азота атмосферы. При большом различии величин δ15N между бобовым и контрольным видами (3–5‰) такой эффект действительно не окажет существенного влияния на расчетный показатель. Однако при небольшом различии (1–2‰), часто наблюдаемом для растений в альпийских и субальпийских экосистемах [7, 10, 12], игнорирование фракционирования может привести к заметной (10–20%) недооценке вклада азотфиксации в питание бобовых. Очевидно, что в таких случаях следует принимать во внимание поправку на фракционирование изотопов между симбионтами.

Кроме того, A. vulneraria представляет особый случай, когда не только клубеньки, но и корни в целом характеризуются тяжелым изотопным составом азота. Обычно более тяжелый изотопный состав азота в корнях связывают с фракционированием изотопов между микоризными грибами (часть мицелия которых находится в корнях) и растением-хозяином [26, 28]. Конкретная причина аккумуляции 15N в корнях A. vulneraria не известна, но совершенно очевидно, что фракционирование изотопов между частями этого растения приводит к формированию наиболее легкого (среди всех изученных нами азотфиксирующих видов бобовых) изотопного состава азота в его надземной части. При расчете эффективности азотфиксации по величине δ15N в надземной части растения фактор фракционирования изотопов не позволяет идентифицировать ее наличие у A. vulneraria в условиях вегетационного эксперимента и, очевидно, дает заниженный показатель при анализе растения в полевых условиях [12]. На долю «тяжелых» корней у A. vulneraria приходится 16% общего пула азота, что дает уменьшение δ15N в надземной части растения на 0.5‰.

Для наиболее точного расчета доли симбиотической азотфиксации в питании бобовых растений следует использовать средневзвешенное для всего растения значение δ15N. Это легко осуществить в условиях вегетационного эксперимента, сложнее ‒ при анализе сельскохозяйственных культур и гораздо более проблематично ‒ при изучении естественных экосистем. Проведенные нами расчеты по средневзвешенному показателю δ15N внесли существенную корректировку в значение Nбиол, увеличив его с 0 до 51% для A. vulneraria и с 15 до 32% для H. caucasicum (см. табл. 2). В обоих случаях увеличение показателя заслуживает доверия, поскольку связано с использованием в расчете статистически значимо больших значений δ15N в корнях (A. vulneraria) и клубеньках (A. vulneraria и H. caucasicum) растений. Уменьшение Nбиол для двух других видов бобовых не столь очевидно, поскольку определяется меньшими (но статистически незначимо) значениями δ15N в корнях и отсутствием данных по клубенькам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многолетние бобовые растения альпийского пояса Северо-Западного Кавказа обладают симбиотической азотфиксацией, которая проявляется в первый год их развития. Фракционирование изотопов между симбионтами может приводить к формированию “легкого” изотопного состава азота в надземной части растения и стать причиной получения заниженных показателей при расчете доли симбиотически фиксированного азота. Для наиболее корректной ее оценки по изотопным данным следует ориентироваться на средневзвешенное для всего растения (включая клубеньки) значение δ15N. Поскольку в полевых условиях (особенно в естественных экосистемах) это представляет существенную методическую проблему, то для расчета вклада симбиотической азотфиксации в азотное питание растения следует определять изотопный состав азота в листьях, корнях и клубеньках и при необходимости (в случае наличия существенных пулов азота с большой разницей изотопного состава) вводить поправки на фракционирование изотопов.

Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 16-14-10208).

Список литературы

  1. Cleveland C.C., Townsend A.R., Schimel D.S. et al. Global patterns of terrestrial biological nitrogen (N2) fixation in natural ecosystems // Glob. Biogeochem. Cycle. 1999. V. 13. P. 623–645.

  2. Galloway J.N., Dentener F.J., Capone D.G. et al. Nitrogen cycles: past, present, and future // Biogeochemistry. 2004. V. 70. P. 153–226.

  3. Vitousek P.M., Menge D.N.L., Reed S.C., Cleveland C.C. Biological nitrogen fixation: rates, patterns and ecological controls in terrestrial ecosystems // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2013. V. 368. Art. 20130119.

  4. Wang J., He Q., Wu Y. et al. Effects of pioneer N2-fixing plants on the resource status and establishment of neighboring non-N2-fixing plants in a newly formed glacier floodplain, eastern Tibetan Plateau // Plant Soil. 2020.

  5. Shearer G., Kohl D.H. N2-fixation in field settings: Estimation based on natural 15N abundance // Aust. J. Plant Physiol. 1986. V. 13. P. 699–756.

  6. Andrews M., James E.K., Sprent J.I. et al. Nitrogen fixation in legumes and actinorhizal plants in natural ecosystems: values obtained using 15N natural abundance // Plant Ecology Diversity. 2011. V. 4. P. 131–140.

  7. Bowman W.D., Schardt J.C., Schmidt S.K. Symbiotic N2-fixation in alpine tundra: ecosystem input and variation in fixation rates among communities // Oecologia. 1996. V. 108. P. 345–350.

  8. Arnone III J.A. Symbiotic N2 fixation in a high Alpine grassland: effects of four growing seasons of elevated CO2 // Functional Ecology. 1999. V. 13. P. 383–387.

  9. Holzmann H.-P., Haselwandter K. Contribution of nitrogen fixation to nitrogen nutrition in an alpine sedge community (Caricetum currulae) // Oecologia. 1988. V. 76. P. 298–302.

  10. Jacot K.A., Lüscher A., Nösberger J., Hartwig U.A. Symbiotic N2 fixation of various legume species along an altitudinal gradient in the Swiss Alps // Soil Biol. Biochem. 2000. V. 32. P. 1043–1052.

  11. Макаров М.И., Малышева Т.И., Ермак А.А. и др. Симбиотическая азотфиксация в сообществе альпийской лишайниковой пустоши Северо-Западного Кавказа (Тебердинский заповедник) // Почвоведение. 2011. № 12. С. 1504–1512.

  12. Makarov M.I., Onipchenko V.G., Malysheva T.I. et al., Determinants of 15N natural abundance in leaves of co-occurring plant species and types within an alpine lichen heath in the Northern Caucasus // Arctic, Antarctic, Alpine Research. 2014. V. 46. P. 581–590.

  13. Jacot K.A., Lüscher A., Nösberger J., Hartwig U.A. The relative contribution of symbiotic N2 fixation and other nitrogen sources to grassland ecosystems along an altitudinal gradient in the Alps // Plant Soil. 2000. V. 225. P. 201–211.

  14. Soudzilovskaia N.A., Aksenova A.A., Makarov M.I. et al. Legumes affect alpine tundra community composition via multiple biotic interactions // Ecosphere. 2012. V. 3. Article Number UNSP 33.

  15. Gentili F.G., Huss-Danell K. The δ15N value of N2 fixing actinorhizal plants and legumes grown with N2 as the only nitrogen source // Symbiosis. 2019. V. 79. P. 213–219.

  16. Гришина Л.А., Онипченко В.Г., Макаров М.И., Ванясин В.А. Изменения свойств горно-луговых альпийских почв Северо-Западного Кавказа в различных экологических условиях // Почвоведение. 1993. № 4. С. 5–12.

  17. Макаров М.И., Лавренов Н.Г., Онипченко В.Г. и др. Азотное питание растений альпийской лишайниковой пустоши в условиях обогащения почвы элементами минерального питания // Экология. 2020. № 2. С. 83–89. [Makarov M.I., Lavrenov N.G., Onipchenko V.G et al. Nitrogen nutrition of plants in an alpine lichen heath under the conditions of soil enrichment with biogenic elements // Rus. J. of Ecology. 2020. V. 51. № 2. P. 99–106.]

  18. Sprent J.I. Biological nitrogen fixation associated with angiosperms in terrestrial ecosystems // Nutrient acquisition by plants. Ecological Studies (Analysis and synthesis). Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. V. 181. P. 89–115.

  19. Gigon A. Positive interaktionen in einem alpinen Blumenpolster // Ber. d. Reinh.-Tüxen-Ges. 1999. V. 11. P. 321–330.

  20. Thomas B.D., Bowman W.D. Influence of N2-fixing Trifolium on plant species composition and biomass production in alpine tundra // Oecologia. 1998. V. 115. P. 26–31.

  21. Dijkstra P., Ishizu A., Doucett R.R. et al. 13C and 15N natural abundance of the soil microbial biomass // Soil Biol. Biochem. 2006. V. 38. P. 3257–3266.

  22. Dijkstra P., LaViolette C.M., Coyle S.C. et al. 15N enrichment as an integrator of the effects of C and N cycling on microbial metabolism and ecosystem function // Plant Soil. 2008. V. 115. P. 189–198.

  23. Coyle J.S., Dijkstra P., Doucett R.R. et al. Relationships between C and N availability, substrate age, and natural abundance 13C and 15N signatures of soil microbial biomass in a semiarid climate // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41. P. 1605–1611.

  24. Hobbie E.A., Jumpponen A., Trappe J. Foliar and fungal 15N : 14N ratios reflect development of mycorrhizae and nitrogen supply during primary succession: testing analytical models // Oecologia. 2005. V. 146. P. 258–268.

  25. Hobbie E.A., Hobbie J.E. Natural abundance of 15N in nitrogen-limited forests and tundra can estimate nitrogen cycling through mycorrhizal fungi: a review // Ecosystems. 2008. V. 11. P. 815–830.

  26. Макаров М.И., Бузин И.С., Тиунов А.В. и др. Изотопный состав азота в почвах и растениях горно-тундровых экосистем Хибин // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1185–1197.

  27. Handley L.L. Diazotrophy and δ15N biology and environment // Proc. Royal Ir. Acad. 2002. V. 102. P. 49–51.

  28. Hobbie E.A., Macko S.A., Williams M. Correlations between foliar δ15N and nitrogen concentrations may indicate plant-mycorrhizal interactions // Oecologia. 2000. V. 122. P. 273–283.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Экология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал