1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Экология
  4. № 4, 2023

Экология, 2023, № 4, стр. 281-290

За 50 лет зарастания отвала золы содержание азота и фосфора изменилось в эмбриоземе, но не изменилось в растениях

А. А. Бетехтина a, *, О. А. Некрасова a, А. П. Учаев a, П. С. Некрашевич a, А. В. Малахеева a, Т. А. Радченко a, Д. И. Дубровин a, Т. А. Петрова a, Д. В. Веселкин b

a Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
620083 Екатеринбург, просп. Мира, 19, Россия

b Институт экологии растений и животных УрО РАН
620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202, Россия

* E-mail: A.A.Betekhtina@urfu.ru

Поступила в редакцию 13.12.2022
После доработки 14.03.2023
Принята к публикации 17.03.2023

Аннотация

Исследовали изменение содержания азота (N) и фосфора (P) в зольном субстрате и листьях растений в ходе первичной сукцессии зарастания разновозрастных отвалов золы. Работы проведены на молодом (длительность зарастания 5–8 лет) и старом (длительность зарастания 53–56 лет; два участка – с луговой и лесной растительностью) золоотвалах одной тепловой электростанции на Среднем Урале. В формирующейся почве и листьях модельных растений на каждом отвале определили содержание N и P. В молодых почвах установлена предсказуемая и объяснимая сукцессионная динамика N и P: за 53–56 лет содержание N возросло в 2.4–7.1 раза, а содержание P снизилось в 1.1–2.1 раза. В листьях растений содержание N и P на разных этапах зарастания было фактически константным: N – 1.6–2.1%, P – 2.2–2.9 мг/г. В целом установлено, что и в сукцессионно молодых местообитаниях, и в более продвинутых, с формирующейся лесной растительностью на фоне кратного увеличения содержания N в почве содержание N в растениях остается низким. С большой вероятностью на обоих отвалах доступность азота является ограничивающим развитие растений фактором. Об этом свидетельствуют результаты анализа соотношения N/P в листьях и сравнения нашего массива значений N в листьях с глобальными содержаниями N у этих же видов. Таким образом, результаты, полученные в отношении сукцессионной динамики содержания азота и фосфора в почвах и растениях разновозрастных отвалов, оказались неожиданно мало согласованными между собой.

Ключевые слова: первичная сукцессия, золоотвал, зольный субстрат, первичное почвообразование, содержание азота и фосфора в листьях, соотношение N/P, TRY Plant Trait Database

Список литературы

  1. Elser J.J., Bracken M.E.S., Cleland E.E. et al. Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater, marine and terrestrial ecosystems // Ecol Lett. 2007. V. 10. № 12. P. 1135–1142. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2007.01113.x

  2. Bui E.N., Henderson B.L. C : N : P stoichiometry in Australian soils with respect to vegetation and environmental factors // Plant and Soil. 2013. V. 373. P. 553–568. https://doi.org/10.1007/s11104-013-1823-9

  3. Chapin F.S. III, Vitousek P.M., Van Cleve K. The nature of nutrient limitation in plant communities // American Naturalist. 1986. V. 127. P. 48–58.

  4. Aerts R., Chapin F.S. The mineral nutrition of wild plants revisited: a re-evaluation of processes and patterns // Adv. Ecol. Res. 2000. V. 30. P. 1–67. https://doi.org/10.1016/S0065-2504(08)60016-1

  5. Wang G. Leaf trait co-variation, response and effect in a chronosequence // J. Vegatation Sci. 2007. V. 18. № 4. P. 563–570. https://doi.org/10.1111/j.1654-1103.2007.tb02570.x

  6. He M., Dijkstra F.A., Zhang K. Leaf nitrogen and phosphorus of temperate desert plants in response to climate and soil nutrient availability // Scientific Reports. 2014. V. 4. P. 1–7.

  7. Soudzilovskaia N.A., Onipchenko V.G., Cornelissen J.H.C. et al. Biomass production, N : P ratio and nutrient limitation in a Caucasian alpine tundra plant community // J. Vegetation Sci. 2005. V. 16. P. 399–406.https://doi.org/10.1111/j.1654-1103.2005.tb02379.x

  8. von Oheimb G., Power S.A., Falk K. et al. N : P Ratio and the nature of nutrient limitation in Calluna-dominated heathlands // Ecosystems. 2010. V. 13. P. 317–327. https://doi.org/10.1007/s10021-010-9320-y

  9. Liu B., Han F., Ning P. et al. Root traits and soil nutrient and carbon availability drive soil microbial diversity and composition in a northern temperate forest // Plant and Soil. 2022. V. 479. P. 281–299. https://doi.org/10.1007/s11104-022-05516-z

  10. Ning Z., Zhao X., Yulin L. et al. Plant community C : N : P stoichiometry is mediated by soil nutrients and plant functional groups during grassland desertification // Ecol Eng. 2021. V. 162. № 1. P. 106–179. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106179

  11. Yan T., Lu X.-T., Zhu J.-J. et al. Changes in nitrogen and phosphorus cycling suggest a transition to phosphorus limitation with the stand development of larch plantations // Plant and Soil. 2018. V. 422. P. 385–396. https://doi.org/10.1007/s11104-017-3473-9

  12. Peltzer D.A., Wardle D.A., Allison V.J. et al. Understanding ecosystem retrogression // Ecol. Monogr. 2010. V. 80. № 4. P. 509–529. https://doi.org/10.1890/09-1552.1

  13. Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2003. 355 с.

  14. Vitousek P.M. Nutrient cycling and limitation: Hawaii as a model system. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 2004. 232 p.

  15. Laliberte E., Turner B. L., Costes T. et al. Experimental assessment of nutrient limitation along a 2-million year dune chronosequence in the south-western Australia biodiversity hotspot // J. Ecol. 2012. V. 100. P. 631–642. https://doi.org/10.1111/j.1365-2745.2012.01962.x

  16. Coomes D.A., Bentley W.A., Tanentzap A.J. et al. Soil drainage and phosphorus depletion contribute to retrogressive succession along a New Zealand chronosequence // Plant Soil. 2013. V. 367. P. 77–91.  https://doi.org/10.1007/s11104-013-1649-5

  17. Olde Venterink H., Gusewell S. Competitive interactions between two meadow grasses under nitrogen and phosphorus limitation // Funct Ecol. 2010. V. 24. P. 877–886. https://doi.org/10.1111/j.1365-2435.2010.01692.x

  18. Darcy J.L., Schmidt S.K., Knelman J.E. Phosphorus, not nitrogen, limits plants and microbial primary producers following glacial retreat // Science Advances. 2018. V. 4. № 5. P. 1–7. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0942

  19. Satti P., Mazzarino M.J., Roselli L. Factors affecting soil P dynamics in temperate volcanic soils of southern Argentina // Geoderma. 2007. V. 139. P. 229–240.

  20. Hayes P.E., Turner B.L., Lambers H. et al. Foliar nutrient concentrations and resorption efficiency in plants of contrasting nutrient-acquisition strategies along a 2-million-year dune chronosequence // J. Ecol. 2014. V. 102. P. 396–410. https://doi.org/10.13140/2.1.5050.4968

  21. Zhong H., Zhou J., Wong W-S. et al. Exceptional nitrogen-resorption efficiency enables Maireana species (Chenopodiaceae) to function as pioneers at a mine-restoration site // Sci. Tot. Environ. 2021. V. 779. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146420

  22. Read D.J., Perez-Moreno J. Mycorrhizas and nutrient cycling in ecosystems-a journey towards relevance? // New Phytol. 2003. V. 157. P. 475–492. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2003.00704.x

  23. Dickie I.A., Martinez-Garcia Laura B., Koele N. et al. Mycorrhizal and mycorrhizal fungal communities throughout ecosystem development // Plant Soil. 2013. V. 367. P. 11–39.  https://doi.org/10.1007/s11104-013-1609-0

  24. Koerselman W., Meuleman A.F.M. The vegetation N : P ratio: a new tool to detect the nature of nutrient limitation // J. Appl Ecol. 1996. V. 33. № 6. P. 1441–1450. http://www.jstor.org/stable/2404783

  25. Güsewell S. N : P ratios in terrestrial plants: variation and functional significance // New Phytol. 2004. V. 164. P. 243–266.  https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2004.01192.x

  26. Пасынкова М.В. Зола как субстрат для выращивания растений // Растения и промышленная среда. Свердловск: УрГУ, 1974. С. 29–44.

  27. Gajic G., Djurdjevic L., Kostic O. et al. Ecological potential of plants for phytoremediation and ecorestoration of Fly Ash Deposits and Mine Wastes // Fron. Environ. 2018. V. 6. 124 p. https://doi.org/10.3389/fenvs.2018.00124

  28. The Plant List [Электронный ресурс]. URL: http://www.theplantlist.org/ (дата обращения: 21.11.2022).

  29. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. 478 с.

  30. Теория и практика химического анализа почв. Под ред. Воробьева Л.А.Новосибирск: Изд-во “ГЕОС”, 2006. 400 с.

  31. Kattge J., Boenisch G., Diaz S. et al. TRY plant trait database – enhanced coverage and open access // Global Change Biology. 2020. № 26. P. 119–188. https://doi.org/10.1111/gcb.14904

  32. Wang B., Qiu Y.L. Phylogenetic distribution and evolution of mycorrhizas in land plants // Mycorrhiza. 2006. V. 16. № 5. P. 299–363.

  33. Akhmetzhanova, A.A., Soudzilovskaia N.A., Onipchenko V.G. et al. A rediscovered treasure: mycorrhizal intensity database for 3000 vascular plant species across the former Soviet Union // Ecology. 2012. V. 93. № 3. P. 689–690. https://doi.org/10.1890/11-1749.1

  34. Бетехтина А.А., Веселкин Д.В. Распространенность и интенсивность микоризообразования у травянистых растений Среднего Урала с разными типами экологических стратегий // Экология. 2011. № 3. С. 176–183. [Betekhtina A.A., Veselkin D.V. Prevalence and intensity of mycorrhiza formation in herbaceous plants with different types of ecological strategies in the Middle Urals // Russ. J. Ecol. 2011. V. 42. № 3. P. 192–198.]  https://doi.org/10.1134/S1067413611030040

  35. Betekhtina A.A., Veselkin D.V. Mycorrhizal and non-mycorrhizal dicotyledonous herba-ceous plants differ in root anatomy: evidence from the Middle Urals, Russia. // Symbiosis. 2019. V. 77. № 2. P. 133–140. https://doi.org/10.1007/s13199-018-0571-2

  36. Гаджиев И.М., Курачев В.М. Генетические и экологические аспекты исследования и классификация почв техногенных ландшафтов // Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1992. С. 6–15.

  37. IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th edition. // International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, Austria, 2022. 234 p.

  38. Cornelissen J.H.C., Aerts R., Cerabolini B. et al. Carbon cycling traits of plant species are linked with mycorrhizal strategy // Oecologia. 2001. V. 129. № 4. P. 611–619.

  39. Walker T.W., Syers J.K. The fate of phosphorus during pedogenesis // Geoderma. 1976. V. 15. P. 1–19.

  40. Назарюк В.М., Калимуллина Ф.Р. Роль природных экосистем в восстановлении плодородия выпаханных почв Западной Сибири // Проблемы агрохимии и экологии. 2017. № 1. С. 43–50.

  41. Комаров А.С., Чертов О.Г., Быховец С.С. и др. Воздействие осиновых плантаций с коротким оборотом рубки на биологический круговорот углерода и азота в лесах бореальной зоны: модельный эксперимент // Математическая биология и биоинформатика. 2015. Т. 10. № 2. С. 398–415. [Komarov A., Chertov O., Bykhovets S.S. et al. Effects of the Aspen Short-Rotation Plantation on the C and N biological cycles in Boreal Forests: The Model Experiment // Math. Biol. Bioinform. 2015. V. 10. № 2. P. 398–415.] https://doi.org/10.17537/2015.10.398

  42. Бетехтина А.А., Некрасова О.А., Дергачева М.И. и др. Разложение корней луговых и лесных растений в зольном субстрате отвалов электростанций: лабораторный эксперимент // Известия РАН. Серия биологическая. 2020. № 3. С. 318–324. [Betekhtina A.A., Nekrasova O.A., Dergacheva M.I. et al. Decomposition of meadow and forest plant roots in the Ash substrate of power plant dumps: a laboratory experiment // Biology Bulletin. 2020. V. 47. № 3. P. 299–305.]  https://doi.org/10.1134/S1062359020010033

  43. Бетехтина А.А., Ганем А., Некрасова О.А. и др. Факторы содержания углерода и азота в тонких корнях растений Среднего Урала // Экология. 2021. № 2. С. 83–92. [Betekhtina A.A., Ganem A., Nekrasova O.A. et al. Factors of carbon and nitrogen contents in the fine roots of plants in the Middle Urals // Rus. J. Ecol. 2021. V. 52. № 2. P. 99–108.]  https://doi.org/10.1134/S106741362102003X

  44. Ghafoor A., Poeplau C., Kätterer T. Fate of straw–and root– derived carbon in a Swedish agricultural soil // Biol.Fertility Soils. 2017. V. 53. № 2. P. 257–267. https://doi.org/10.1007/s00374-016-1168-7

  45. Poirier V., Roumet C., Munson A.D. The root of the matter: Linking root traits and soil organic matter stabilization processes // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 120. P. 246–259. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.02.016

  46. Макаров М.И. Роль микоризообразования в трансформации соединений азота в почве и азотном питании растений (обзор) // Почвоведение. 2019. № 2. С. 220–233. [Makarov M.I. The role of mycorrhiza in transformation of nitrogen compounds in soil and nitrogen nutrition of plants: a review // Eurasian Soil Science. 2019. V. 52. № 2. P. 193–205.]  https://doi.org/10.1134/S1064229319100077

  47. Макаров М.И., Лавренов Н.Г., Онипченко В.Г. 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. Nitrogen nutrition of plants in an Alpine lichen heath under the conditions of soil enrichment with biogenic elements // Russ. J. Ecol. 2020. V. 51. № 2. P. 99–106.]  https://doi.org/10.1134/S1067413620020083

  48. Cross A.T., Lambers H. Young calcareous soil chronosequences as a model for ecological restoration on alkaline mine tailings // Sci. Tot. Environ. 2017. V. 607–608. P. 168–175. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.07.005

  49. Crews T.E., Kitayama K., Fownes J.H. et al. Changes in soil phosphorus fractions and ecosystem dynamics across a long chronosequence in Hawaii // Ecology. 1995. V. 76. P. 1407–1424. https://doi.org/10.2307/1938144

  50. Satti P., Mazzarino M. J., Roselli L. et al. Factors affecting soil P dynamics in temperate volcanic soils of southern Argentina // Geoderma. 2007. V. 139. № 1–2. P. 229–240. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2007.02.005

  51. Макаров М.И. Фосфор органического вещества почв : Автореф. дис. … докт. биол. наук. М., 2004. 49 с.

  52. Kraus T.E., Dahlgren R.A., Zasoski R.J. Tannins in nutrient dynamics of forest ecosystems – a review // Plant and Soil. 2003. V. 256. № 1. P. 41–66. https://doi.org/10.1023/A:1026206511084

  53. Mallik A.U. Conifer regeneration problems in boreal and temperate forest with ericaceous understory: role of disturbance, seedbed limitation, and keystone change // Crit. Rev. Plant Sci. 2003. V. 22. P. 341–366.

  54. Дергачева М.И. Система гумусовых веществ почв. Новосибирск: Наука, 1989. 110 с.

  55. Brady N.C., Well R.R. Elementos da natureza e propriedades dos solos. 3 ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. 686 p.

  56. Vergutz L., Manzoni S., Porporato A. et al. Global resorption efficiencies and concentrations of carbon and nutrients in leaves of terrestrial plants // Ecological Monographs. 2012. V. 82. P. 205–220.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Экология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал