Почвоведение, 2019, № 10, стр. 1185-1197

ВВЕДЕНИЕ

Доступность азота является важным фактором, определяющим продуктивность наземных экосистем и регулирующим структуру фитоценозов [8]. Изотопный состав N в почвах и растениях рассматривается в качестве показателя, с помощью которого можно характеризовать активности процессов азотного цикла [5], глобальные тренды его изменения [11], а также особенности азотного питания растений (преимущественные формы поглощаемых соединений, роль микоризного симбиоза) [3, 4, 9].

Большинство растений имеют механизмы адаптации, помогающие им успешно функционировать при низкой доступности азота. Одним из самых распространенных механизмов является формирование микоризного симбиоза [7]. Грибы, образующие эктомикоризу (ЭКМ) и эрикоидную микоризу (ЭРМ), способны улучшать азотное питание растений в условиях низкой обеспеченности минеральными формами элемента, выделяя в почву окислительные и гидролитические ферменты, которые деполимеризуют крупные органические молекулы и обеспечивают растениям доступ к N, минуя стадию минерализации [27]. Считается, что более легкий изотопный состав N в листьях растений с ЭКМ и ЭРМ по сравнению с растениями, образующими арбускулярную микоризу (АРМ) или лишенными микоризы, является следствием преимущественной аккумуляции тяжелого изотопа ¹⁵N в мицелии и передачи ¹⁴N от гриба к растению-хозяину и отражает, таким образом, участие микоризных грибов в азотном питании растений [22, 23]. Грибы, образующие АРМ, не обладают или обладают очень ограниченной способностью выделять гидролитические ферменты, разлагающие высокомолекулярные органические соединения [26]. Поэтому роль этого типа микоризы в азотном питании растений считается несущественной, что подтверждается слабым эффектом АРМ на изотопный состав N растений [12, 13]. В то же время появляются исследования, демонстрирующие, что растения с АРМ могут иметь такие же низкие значения δ¹⁵N в листьях, как и растения с ЭКМ и ЭРМ [29, 33]. Такой результат может объясняться предпочтительным поглощением растениями с АРМ неорганических соединений азота, обедненных тяжелым изотопом [9], хотя не исключается и фракционирование изотопов между АРМ грибами и растениями-хозяевами так же, как это характерно для растений с ЭКМ и ЭРМ [23, 29].

Определение изотопного состава N в микоризном мицелии затруднено, но косвенное представление о фракционировании изотопов N между грибами и растением-хозяином можно получить на основании сравнительного анализа листьев и корней растений, поскольку до 20% объема или массы тонких корней может быть представлено мицелием микоризных грибов [2, 21]. Такая возможность используется не в полной мере, так как в корнях растений изотопный состав N определяют намного реже, чем в надземных органах.

Поэтому мы поставили своей целью изучить изотопный состав N в почвах, корнях и листьях растений с разными типами микоризы в четырех горно-тундровых биогеоценозах Хибин, которые отличаются по обеспеченности лабильными соединениями N. На этой основе предполагается оценить закономерности формирования изотопного состава азота в почве, возможность определения преимущественных источников азотного питания у разных видов растений в разных биогеоценозах и роль микоризы разного типа во фракционировании изотопов азота.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Изучен изотопный состав N в почвах, тонких корнях (<1 мм) и листьях 12 видов сосудистых растений разных горно-тундровых экосистем Хибин на территории Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина (Мурманская область). Четыре экосистемы располагались в пределах геоморфологического профиля: расстояние между крайними элементами профиля не превышало 100 м, а относительное превышение – 10 м.

Кустарничково-лишайниковая пустошь (КЛП) занимает наиболее автоморфную позицию в ландшафте. Здесь преобладают лишайники Flavocetraria nivalis, F. cucullata, Cetraria islandica, Alectoria ochroleuca, а из сосудистых растений представлены преимущественно кустарнички Empetrum nigrum, Vaccinium vitis-idaea, V. uliginosum, кустарник Betula nana, единично представлены граминоиды Carex bigelowii и Juncus trifidus и полупаразит Bartsia alpina.

Кустарниковая пустошь (КП) расположена ниже по склону в автоморфно-транзитных условиях. Кустарниковый ярус образован Betula nana, а в травяно-кустарничковом ярусе преобладают E. nigrum, V. myrtillus. Граминоиды (Nardus stricta, J. trifidus) встречаются чаще, чем в КЛП; также присутствуют отдельные особи разнотравья – Solidago virgaurea. В мохово-лишайниковом ярусе представлены Polytrichum juniperinum, C. islandica, Cladonia arbuscula.

Злаковый луг (ЗЛ) располагается на выположенной нижней части склона в транзитно-аккумулятивных позициях. Здесь преобладают злаки Deschampsia flexuosa, N. stricta, J. trifidus, из разнотравья обычны Gnaphalium norvegicum и S. virgaurea. Мхи представлены Racomitrium microcarpon, лишайники – C. islandica, Cetrariella delisei, Stereocaulon alpinum. Отдельными куртинами встречаются кустарнички и B. nana.

На дне и берегах временного водоема, образующегося после снеготаяния в локальной зоне геохимической аккумуляции, расположен осоковый луг (ОЛ). Здесь преобладают C. bigelowii, D. flexuosa, J. trifidus. Мохово-лишайниковый покров не развит.

Почвы представлены сухоторфяно-подбуром иллювиально-гумусовым (Folic Leptic Entic Podzol (Siltic)) в КЛП, сухоторфяно-литоземом перегнойно-грубогумусовым (Folic Leptosol) в КП и литоземами перегнойно-темногумусовыми (Eutric Leptosols) в луговых экосистемах. Они различаются по содержанию экстрагируемых неорганических и органических соединений N, концентрации которых возрастают в 36–62 и 3–8 раз соответственно при переходе от почв пустошей к почвам лугов (табл. 1). В почвах КЛП и КП экстрагируемый N представлен в основном органическими соединениями, концентрация аммонийного азота (N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$) невелика, а азот нитратов (N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$) содержится в следовых количествах. Почвы луговых экосистем характеризуются преобладанием N неорганических соединений [1].

Изотопный состав азота (общего (δ¹⁵N_общ), аммонийного (δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$) и нитратного (δ¹⁵N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$)) определяли в образцах поверхностных органических и верхних минеральных горизонтов почв. Образцы отбирали в каждом биогеоценозе на участке 5 × 5 м случайным образом в пяти повторностях. Они представляли собой средний образец почвенного горизонта, не позволяющий охарактеризовать почву в ризосфере индивидуальных видов растений, что является чрезвычайно сложной задачей, особенно при изучении полидоминантных фитоценозов луговых экосистем. В почвах пустошей δ¹⁵N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ не определяли из-за очень низкой концентрация этой формы азота. Для определения изотопного состава неорганических соединений использовали экстракты 0.05 М K₂SO₄ [1], которые концентрировали методом диффузии аммиака [24, 40]. Детали метода подготовки образцов для изотопного анализа описаны в ранее опубликованных работах [5, 6].

При выборе растений для анализа ориентировались на виды, образующие разные типы микоризы и, по возможности, встречающиеся одновременно в нескольких биогеоценозах. Листья собирали с пяти отдельных экземпляров растений в пределах тех же участков, где отбирали образцы почв. Корни также отбирали в пяти повторностях, отмывая их из почвенных монолитов, содержащих изучаемые виды растений. Листья и корни высушивали и измельчали на вибрационной мельнице Retsch MM 200 до состояния пудры.

Содержание и δ¹⁵N_общ в почвах и растениях определяли на элементном анализаторе Carlo Erba NC 2500 с масс-спектрометром Delta^plus в центре коллективного пользования оборудованием Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН. Величины δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и δ¹⁵N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ определяли в Центре исследований и анализа стабильных изотопов Геттингенского университета.

Полученные результаты подвергали однофакторному дисперсионному анализу с последующим определением НЗР с помощью теста Тьюки в пакете Statistica. Для установления взаимосвязей между разными параметрами проводили корреляционный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изотопный состав азота в почвах. Величина δ¹⁵N существенно различается между разными формами N и в пределах одной формы между разными горизонтами и почвами (табл. 2). Так, δ¹⁵N_общ в органических горизонтах значимо меньше, чем в минеральных, что является общей закономерностью для всех почв и связано с легким изотопным составом азота растительного опада и его утяжелением в процессе гумификации [25]. Однако то, что δ¹⁵N_общ в органических горизонтах почв пустошей больше, чем в почвах лугов, не поддается объяснению, так как более высокая активность процессов трансформации азотсодержащих соединений в почвах лугов [1] и более легкий изотопный состав азота растений пустошей (см. ниже) должны способствовать формированию обратной закономерности. В верхних минеральных горизонтах всех почв δ¹⁵N_общ значимо не различается.

Величина δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ заметно изменяется в разных горизонтах и почвах. Она значимо меньше в органических горизонтах по сравнению с минеральными, а также меньше в почвах пустошей в сравнении с почвами лугов. Профильное изменение δ¹⁵N лабильных соединений азота до сих пор является малоизученным. Полученный результат соответствует предположению, что величина δ¹⁵N неорганических соединений должна увеличиваться с глубиной в почвенном профиле аналогично изменению δ¹⁵N_общ, так как N_общ является источником N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ [32]. Однако для альпийских и тундровых почв ранее была установлена обратная закономерность профильного изменения δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + },$ предположительно связанная с большей активностью нитрификации вблизи поверхности почвы [28].

Меньшие значения δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в почвах пустошей хорошо соответствуют представлению о контролировании изотопного состава N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ процессом нитрификации [25], активность которого в десятки раз выше в почвах лугов [1]. Кроме того, в почвах пустошей δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ значительно меньше, чем δ¹⁵N_общ как в органических, так и в минеральных горизонтах, что в целом характерно для почв с невысокой активностью нитрификации [5, 18, 31]. В почвах лугов величина δ¹⁵N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ возрастает вследствие активной нитрификации N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и значимо не отличается от δ¹⁵N_общ.

Величина δ¹⁵N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ характеризуется выраженными отрицательными значениями и значимо не различается в двух горизонтах и в почвах разных луговых биогеоценозов. Это свидетельствует об одинаково низкой активности денитрификации, контролирующей изотопный состав N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ [16], в разных горизонтах и почвах.

Содержание азота в листьях растений. Концентрация N в растениях сильно варьирует. Среди видов растений КЛП минимальное содержание N в листьях составляет 0.83% у V. vitis-idaea. Другие виды рода Vaccinium содержат гораздо больше N (около 1.9%). Травянистые растения, образующие АРМ (J. trifidus и B. alpina), содержат около 1.7% N, а максимальная концентрация элемента (2.29%) отмечена в листьях C. bigelowii (табл. 3). Хотя микориза в тундровых экосистемах улучшает азотное питание растений [20], максимальная концентрация N в листьях безмикоризной (БМ) C. bigelowii может быть связана с прямым (без участия микоризы) поглощением из почвы аминокислот, возможность которого неоднократно демонстрировалась ранее на примере растений семейства осоковых (Cyperaceae) [35, 36].

Среди растений КП минимальная концентрация N в листьях также характерна для V. vitis-idaea (1.37%), а максимальная (2.49%) отмечена у S. virgaurea. Для большинства изученных видов (пять из семи), присутствующих одновременно в сообществах КЛП и КП, наблюдается значимо более высокая концентрация N в листьях при произрастании в сообществе КП. Средние концентрации N в листьях семи общих видов составили 1.60 ± 0.43% для КЛП и 1.92 ± 0.36% для КП.

В фитоценозе ЗЛ минимальная концентрация N отмечена также в листьях V. vitis-idaea (1.10%), а максимальная в листьях B. nana (3.60%). Семь из одинадцати общих для КП и ЗЛ видов и семь из восьми видов общих для КЛП и ЗЛ имеют значимо большее содержание N в листьях при произрастании в луговом сообществе. При этом повышение концентрации N характерно для видов со всеми типами микоризы. Средние для сообщества концентрации N в листьях всех общих видов составили 1.91 ± 0.37% для КП и 2.30 ± 0.79% для ЗЛ.

Практически все изученные виды растений ОЛ (за исключением J. trifidus) имели наибольшую концентрацию N в листьях. Среднее значение составило 2.96 ± 0.79%.

Таким образом, для большинства изученных видов растений вне зависимости от типа микоризного симбиоза характерно повышение концентрации N в листьях при переходе от КЛП к КП и далее к луговым биогеоценозам в соответствии с ростом концентраций лабильных форм элемента в почве.

Содержание азота в корнях растений. В корнях растений содержится значительно меньше N по сравнению с листьями. Среди растений КЛП этот показатель варьирует от 0.44 до 0.95%. Оба значения характерны для травянистых растений: минимальная концентрация получена для C. bigelowii, листья которой содержат наибольшее количество N, а максимальная – для B. alpina. Таким образом, для растений, содержащих наименьшее и наибольшее количество N в листьях (V. vitisidaea и B. nana соответственно), не проявляется такая же закономерность для корней. Кроме того, если у разных видов растений с ЭКМ и ЭРМ концентрация N в листьях сильно варьирует, то в корнях она близка для большинства видов (0.73–0.82%) и только в корнях E. nigrum снижается до 0.53%.

У растений КП содержание N в корнях составило от 0.29 у D. flexuosa до 1.39 у B. alpina, то есть виды с одним типом микоризы (АРМ) резко отличаются по содержанию N в корнях. Среди видов растений с ЭКМ и ЭРМ также есть представители как с относительно небольшим содержанием N (0.62–0.71% у B. nana, E. nigrum, V. myrtillus), так и с более высоким (около 1.0% у V. vitis-idaea и V. uliginosum). В этом сообществе виды, содержащие минимальное и максимальное количество N в листьях и корнях, также не совпадают. Для большинства видов с ЭРМ, присутствующих одновременно в сообществах КЛП и КП, наблюдается статистически значимое повышение концентрации N в корнях при произрастании в сообществе КП. При этом виды, у которых возрастала или не менялась концентрация N в листьях, не обязательно демонстрируют ту же закономерность для корней. Средние концентрации N в корнях семи общих видов составили 0.72 ± 0.17% для растений КЛП и 0.84 ± 0.33% у растений КП.

В корнях растений ЗЛ минимальная (0.32%) и максимальная (1.23%) концентрации N отмечены у тех же видов, что и в сообществе КП (D. flexuosa и B. alpina соответственно). При переходе к луговому сообществу, несмотря на резкое увеличение концентраций лабильных форм N в почве и рост концентрации N в листьях большинства видов растений, концентрация элемента в корнях повышается только у одного вида с АРМ (S. virgaurea). Средние концентрации N в корнях 11 общих видов КП и ЗЛ составили 0.72 ± 0.32 и 0.72 ± 0.27% соответственно.

Среди растений ОЛ минимальная концентрация N в корнях характерна для J. trifidus (0.49%), а максимальная – для S. virgaurea (1.34%). Если при переходе от КП к ЗЛ концентрация N в корнях не возрастает у абсолютного большинства видов растений с разными типами микоризы, то при переходе от ЗЛ к ОЛ она повышается у всех видов за исключением J. trifidus. Средние концентрации N в корнях 6 общих видов ЗЛ и ОЛ составили 0.53 ± 0.17 и 0.80 ± 0.30% соответственно. При этом изменение концентраций лабильных форм N в почве при переходе от ЗЛ к ОЛ не столь значительно, как при переходе от пустошей к лугам.

Таким образом, высокая или низкая концентрация N в листьях конкретных видов растений не означает, что их корни также содержат соответственно много или мало элемента. Тем не менее, для всей совокупности изученных видов при их произрастании в разных условиях обеспеченности азотом обнаруживается значимая связь между содержанием N в листьях и корнях (r = 0.34, P < 0.05, рис. 1, А). В корнях растений в гораздо меньшей степени, чем в листьях прослеживается связь между концентрацией N и произрастанием в условиях разной обогащенности почвы его лабильными формами (рис. 1, Б, 1, В).

Рис. 1.

Взаимосвязь между содержанием азота в листьях и корнях растений (А), и содержание азота в листьях (Б) и корнях (В) при произрастании в условиях разной обогащенности почвы его лабильными соединениями.

Изотопный состав азота в листьях растений. Величина δ¹⁵N в листьях растений в пределах каждого сообщества, а также у одного вида в разных сообществах заметно различается (табл. 4). Это может быть связано с преимущественным использованием разными видами разных источников азота, с использованием одним видом разных источников при произрастании в разных условиях (биогеоценозах) и с разным фракционированием изотопов при поглощении и ассимиляции N разными видами и одним видом в разных условиях.

Среди растений КЛП все изученные виды, образующие ЭКМ и ЭРМ, характеризуются выраженными отрицательными значениями δ¹⁵N в листьях (от –7.29 для E. nigrum до –4.52‰ V. uliginosum). Это хорошо соотносится с представлением о фракционировании изотопов азота между микоризными грибами и растениями-хозяевами и невозможностью, поэтому, изотопной индикации источников азотного питания растений с ЭКМ и ЭРМ [23]. Одновременно δ¹⁵N в листьях хорошо соотносится с изотопным составом N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в поверхностном органическом горизонте, где сосредоточены корневые системы тундровых кустарников и кустарничков. Исходя из упомянутого представления, такое совпадение может быть случайным, однако надо иметь в виду, что результатов определения изотопного состава N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в тундровых почвах очень мало, а ведущее значение фракционирования изотопов в определении изотопного состава азота растений с ЭКМ и ЭРМ опирается на косвенные данные (тяжелый изотопный состав азота микоризных грибов). Поэтому причина обнаруженного изотопного соответствия между N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и азотом растений с ЭКМ и ЭРМ нуждается в дополнительном уточнении. Из травянистых растений с АРМ только B. alpina имеет отрицательное значение δ¹⁵N (–4.90‰), близкое к растениям с ЭКМ и ЭРМ. Это может быть связано с тем, что B. alpina, будучи полупаразитом, способна получать дополнительное азотное питание от растения-хозяина, вероятнее всего, какого-то из вересковых кустарничков [30]. Возможно, этим обусловлена и наибольшая среди изученных видов концентрация N в корнях B. alpina. Виды граминоидов КЛП (J. trifidus и C. bigelowii) характеризуются положительными значениями δ¹⁵N в листьях. Ранее факт более тяжелого изотопного состава N у растений с АРМ и БМ в тундровых экосистемах связывался с их питанием более тяжелым N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ из минерального горизонта за счет более глубокой корневой системы [32, 39], что соответствует и нашим результатам. Кроме того, C. bigelowii, вероятно, способна поглощать органические соединения азота [35, 36], характеризующиеся тяжелым изотопным составом [5, 34].

Виды растений КП, образующие ЭКМ и ЭРМ, также имеют отрицательные значения δ¹⁵N в листьях (от –5.33‰ у V. vitis-idaea до –2.98‰ у V. myrtillus), а у растений с АРМ этот показатель сильно варьирует: от –5.05‰ у G. norvegicum и ‒4.50‰ у B. alpina до 0.62‰ у D. flexuosa и 1.53‰ у J. trifidus. Все изученные виды растений с ЭКМ и ЭРМ, за исключением V. vitis-idaea, демонстрируют значимое увеличение δ¹⁵N в листьях при произрастании в сообществе КП в сравнении с КЛП, хотя изотопный состав N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в почвах не отличается. Средние для сообщества величины δ¹⁵N в листьях этих видов составили –6.1 ± 1.0‰ в КЛП и –4.0 ± 1.0‰ в КП. У растений же с АРМ величина δ¹⁵N в двух биогеоценозах пустошей значимо не отличается.

При переходе к ЗЛ наблюдается дальнейшее увеличение δ¹⁵N в листьях растений с ЭКМ и ЭРМ (до –4.09‰ у V. vitis-idaea и до –1.94‰ у B. nana). Среднее для этой группы растений значение δ¹⁵N составило –2.7 ± 0.8‰. У растений с АРМ и БМ величина δ¹⁵N в листьях изменилась разнонаправлено. Так, у видов с наиболее низкими значениями δ¹⁵N (B. alpina, G. norvegicum) этот показатель в луговом сообществе значимо увеличился, тогда как у видов с наибольшими значениями (J. trifidus, D. flexuosa, C. bigelowii) он уменьшился, а у видов со средними показателями (N. stricta, S. virgaurea) – не изменился. В результате диапазон варьирования δ¹⁵N у этих растений уменьшился с 6.58‰ в сообществе КП до 3.95‰ в сообществе ЗЛ.

Тенденция уменьшения диапазона варьирования δ¹⁵N в листьях травянистых растений сохранилась и при переходе к ОЛ, где он составил всего 1.66‰. Подобно ЗЛ, у индивидуальных видов происходят разнонаправленные изменения δ¹⁵N, приводящие к выравниванию изотопного состав азота в листьях всех растений, который характеризуется величиной δ¹⁵N ~ –2…–3‰.

Средний по всем исследованным участкам изотопный состав N в листьях растений с разным типом микоризы значимо различается. Так, δ¹⁵N у растений с ЭКМ и ЭРМ составляет –4.3 ± 1.6‰, а у растений с АРМ и БМ этот показатель составил –1.8 ± 2.1‰. Полученное различие хорошо соответствует известной закономерности возрастания величины δ¹⁵N в листьях в ряду растений с ЭРМ < ЭКМ < АРМ < БМ, определяемой, прежде всего, фракционированием изотопов между ЭРМ/ЭКМ грибами и растением-хозяином [10]. Вместе с тем при сравнении растений с разным типом микоризы в пределах отдельных сообществ значимое различие отмечается только для растений КЛП, тогда как у растений КП и ЗЛ оно не значимо.

Изменение изотопного состава N в листьях растений при повышении доступности элемента в последовательности биогеоценозов КЛП < КП < < ЗЛ ≤ ОЛ может быть связано с несколькими причинами. Общая закономерность увеличения δ¹⁵N в листьях растений с ЭКМ и ЭРМ (рис. 2), вероятно, является следствием уменьшения участия микоризы в азотном питании растений. Так, в случае низкой доступности элемента преобладающая его часть поступает в растение через микоризу, подвергаясь выраженному изотопному фракционированию и формируя “легкий” изотопный состав азота растений. При повышении доступности азота возрастает доля элемента, поглощаемого растением напрямую без участия микоризы, транспорт азота, обедненного изотопом ¹⁵N, от грибов к растениям уменьшается, что и приводит к повышению значений δ¹⁵N [22, 23]. Кроме того, преобладающий в составе неорганических соединений N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ имеет более тяжелый изотопный состав в почвах лугов (табл. 2), что также может способствовать увеличению δ¹⁵N растений.

Рис. 2.

Изотопный состав азота в листьях растений при произрастании в условиях разной обогащенности почвы его лабильными соединениями.

Отсутствие общей закономерности изменения изотопного состава N в листьях растений с АРМ и БМ при разной доступности элемента свидетельствует о более разнообразных механизмах его контролирования. Помимо обсужденных на примере растений с ЭКМ и ЭРМ факторов, определяющих увеличение δ¹⁵N (снижение участия микоризы в азотном питании и более тяжелый изотопный состав N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$), в этом случае проявляется и фактор, определяющий уменьшение δ¹⁵N в листьях J. trifidus, D. flexuosa и C. bigelowii. Вероятно, это связано со значительным участием N–${\text{NO}}_{3}^{ - },$ характеризующимся легким изотопным составом, в азотном питании этих видов растений. Разнонаправленное влияние этих двух факторов может быть ответственным за достаточно стабильный изотопный состав N в листьях N. stricta, S. virgaurea.

Между изотопным составом N и его концентрацией в листьях часто обнаруживается положительная связь, которая показана как на глобальном [10], так и на ландшафтном [23, 29] уровнях. Такая взаимосвязь объясняется повышенной ролью микоризы в азотном питании растений (низкие значения δ¹⁵N в листьях) при низкой доступности N (низкие концентрации N в листьях), или большими значениями δ¹⁵N источников азотного питания (высокие значения δ¹⁵N в листьях) при высокой доступности N (большие концентрации N в листьях). Вместе с тем эта взаимосвязь может быть существенно ослаблена за счет видов растений, характеризующихся низкой концентрацией N, но повышенными значениями δ¹⁵N, или, напротив, усилена, если присутствуют виды бобовых с высокой концентрацией N и повышенными значениями δ¹⁵N, у которых эти показатели не связаны с микоризой и доступностью почвенного азота [29]. Для всей совокупности изученных растений горно-тундровых экосистем взаимосвязь между изотопным составом N (δ¹⁵N) и его концентрацией в листьях весьма слабая (r = 0.25, P > > 0.05) (рис. 3, А). Однако если рассмотреть отдельно виды, образующие ЭКМ и ЭРМ, с одной стороны, и виды с АРМ – с другой, то оказывается, что для первых характерна значимая положительная корреляция (r = 0.66, P < 0.01) (рис. 3, Б), тогда как для вторых корреляция отсутствует (r = = –0.16, P > 0.05) (рис. 3, В). Таким образом, для кустарничков и кустарников с ЭКМ и ЭРМ можно предположить снижение участия микоризы в азотном питании при повышении доступности элемента, тогда как для трав с АРМ участие в азотном питании контрастных по изотопному составу источников (N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$) в луговых экосистемах способствует формированию разнонаправленных изменений δ¹⁵N при повышении доступности азота.

Рис. 3.

Взаимосвязь между содержанием и изотопным составом азота в листьях растений: А – все изученные виды, Б – виды с ЭКМ и ЭРМ, В – виды с АРМ и БМ.

Изотопный состав азота в корнях растений. Все виды растений КЛП, образующих ЭКМ и ЭРМ, характеризуются отрицательными значениями δ¹⁵N корней (от –5.63‰ E. nigrum до –3.49‰ у V. myrtillus). Среди растений с АРМ-симбиозом B. alpina также имеет отрицательное значение δ¹⁵N (–5.14‰), близкое к растениям с ЭКМ и ЭРМ. Корни злака J. trifidus и безмикоризной C. bigelowii, напротив, имеют положительные значения δ¹⁵N (табл. 4), что соответствует закономерностям, обнаруженным для изотопного состава азота в листьях.

В сообществе КП виды с ЭКМ и ЭРМ также имеют отрицательные значения δ¹⁵N в корнях (от –4.59 V. vitis-idaea до –0.90‰ V. myrtillus). При этом растения, образующие АРМ, преимущественно, характеризуются схожими значениями δ¹⁵N: от –4.81 B. alpina до –0.21‰ N. stricta и только в корнях J. trifidus δ¹⁵N имеет положительное значение (0.95‰). Все изученные виды растений с ЭКМ и ЭРМ, за исключением V. vitis-idaea, демонстрируют значимое увеличение δ¹⁵N (менее отрицательные значения) в корнях растений КП по сравнению с КЛП, подобно тому, как это происходит и в листьях. Средние для сообщества величины δ¹⁵N в корнях этих видов составили –4.4 ± 0.8‰ в КЛП и –2.8 ± 1.4‰ в КП. В растениях с АРМ δ¹⁵N в корнях не меняется при переходе от КЛП к КП.

При переходе к ЗЛ увеличение δ¹⁵N в корнях растений с ЭКМ и ЭРМ, в отличие от листьев, не происходит (среднее значение для растений ЗЛ составило –2.7 ± 0.9‰), тогда как в корнях большинства видов растений с АРМ и БМ этот показатель уменьшается подобно его поведению в листьях (средние значения в корнях растений КП и ЗЛ составили –1.5 ± 2.1 и –2.3 ± 1.3‰ соответственно). Эта тенденция сохраняется и для растений ОЛ.

Изотопный состав N в корнях растений в целом варьирует меньше, чем в листьях. При этом наибольшие различия (6.91‰), подобно листьям, отмечаются в корнях растений КЛП, а при повышении доступности N в почвах других биогеоценозов диапазон варьирования δ¹⁵N заметно уменьшается, достигая наименьшего (1.54‰) у растений ОЛ. Для изотопного состава N в корнях и листьях (рис. 4) характерна более тесная положительная связь (r = 0.83, P < 0.001), чем для концентрации элемента (r = 0.34, P < 0.05) (рис. 1).

Рис. 4.

Взаимосвязь между изотопным составом азота в листьях и корнях растений.

В корнях растений наблюдается отрицательная связь между величиной δ¹⁵N и концентрацией N (r = –0.54, P < 0.001) (рис. 5, А), в противоположность известной из литературы и показанной в данном исследовании положительной связи между этими параметрами в листьях (рис. 3, А). Ранее, насколько нам известно, подобная взаимосвязь в литературе не обсуждалась. Обнаруженная закономерность определяется видами, образующими АРМ или БМ (r = –0.71, P < 0.001) (рис. 5, Б), тогда как для видов с ЭКМ и ЭРМ взаимосвязь между концентрацией азота и δ¹⁵N не выражена (r = 0.22, P > 0.05) (рис. 5, В). Вероятно, причина установленного факта кроется в значительном участии изотопнолегкого N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ в питании АРМ и БМ растений при более высокой доступности азота в почвах луговых экосистем. При этом в корнях этот эффект проявляется в большей степени, по-видимому, из-за преимущественной приуроченности нитратредуктазы к корневым системам.

Рис. 5.

Взаимосвязь между содержанием и изотопным составом азота в корнях растений: А – все изученные виды, Б – виды с АРМ и БМ, В – виды с ЭКМ и ЭРМ.

Фракционирование изотопов азота между корнями и листьями. Все изученные виды растений демонстрируют значимые различия в изотопном составе N корней и листьев при произрастании хотя бы в одном биогеоценозе. Для большинства видов наблюдается схожая закономерность – значимые различия обнаруживаются в условиях меньшего содержания экстрагируемых органических и неорганических соединений N в почве и не обнаруживаются при увеличении их концентраций. Исключениями явились B. alpina (АРМ) и V. uliginosum (ЭРМ), у которых значимые различия в изотопном составе N листьев и корней проявляются в условиях высокой обеспеченности азотом. При этом закономерности формирования разницы в изотопном составе N листьев и корней у разных растений отличаются. Так, у всех видов растений с ЭКМ и ЭРМ δ¹⁵N в листьях меньше, чем в корнях, и это различие уменьшается при увеличении концентраций экстрагируемых соединений N в почве (рис. 6). Подобная закономерность характерна и для некоторых видов растений с АРМ (N. stricta, G. norvegicum, S. virgaurea). Однако у других видов растений, образующих АРМ, листья характеризуются более тяжелым изотопным составом N, чем корни. При этом у B. alpina это проявляется в условиях повышенной доступности N, у J. trifidus – вне зависимости от доступности элемента, а у D. flexuosa – при более низкой доступности.

Рис. 6.

Взаимосвязь между фракционированием изотопов азота между корнями и листьями растений и их произрастанием в условиях разной обогащенности почвы лабильными соединениями азота.

Таким образом, для всех растений, образующих ЭКМ и ЭРМ, а также для некоторых растений с АРМ более тяжелый изотопный состав N в корнях соответствует представлению о фракционировании изотопов между микоризными грибами (корни) и растением-хозяином (листья). Подобно увеличению δ¹⁵N в листьях, уменьшение фракционирования изотопов между корнями и листьями в условиях большей доступности N, вероятно, является следствием уменьшения участия микоризы в азотном питании растений, так как при аммонийном питании, как правило, не наблюдается заметное фракционирование изотопов N [15, 42].

В то же время более тяжелый изотопный состав N в листьях ряда растений, образующих АРМ, не соответствует описанной закономерности. Ранее свидетельства относительного, как обеднения, так и обогащения изотопом ¹⁵N растения-хозяина с АРМ были получены в тепличных экспериментах [17, 19]. Наиболее известный механизм относительной аккумуляции ¹⁵N в листьях растений связан с их нитратным питанием [15, 38, 41], поскольку растения могут проявлять нитратредуктазную активность, как в корнях, так и в листьях. Нитратредуктаза в корнях восстанавливает преимущественно $^{{14}}{\text{NO}}_{3}^{ - }$, тогда как нитрат, относительно обогащенный ¹⁵N, перемещается в листья и восстанавливается там, формируя более тяжелый азот листьев по сравнению с корнями. Если доступность нитратов повышается, то большее их количество поступает в листья, обогащение которых изотопом ¹⁵N возрастает [37]. Следуя этой гипотезе, было высказано предположение, что обогащение изотопом ¹⁵N листьев по сравнению с корнями у растений в естественных экосистемах может быть также связано с высокой доступностью нитратов [14]. Однако более тяжелый изотопный состав N в листьях J. trifidus и D. flexuosa в биогеоценозах пустошей при очень низкой концентрации N–${\text{NO}}_{3}^{ - }$ в почве не может быть объяснен действием этого механизма фракционирования. Таким образом, очевидно, что фракционирование изотопов N в растениях, образующих АРМ, не определяется действием единого механизма и остается не до конца выясненным, какие процессы ответственны за фракционирование в каждом конкретном случае.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Фракционирование изотопов N в системе ЭРМ/ЭКМ микориза–растение (корни–листья) проявляет индикаторные свойства в отношении разной обеспеченности растений горно-тундровых экосистем доступным азотом. В случае низкой доступности элемента происходит выраженное фракционирование с большей аккумуляцией ¹⁵N в корнях, а при повышении доступности N роль микоризы во фракционировании изотопов уменьшается, и изотопный состав N растений в большей степени соответствует изотопному составу N преимущественных источников азотного питания в почве. Схожие закономерности формирования изотопного состава N в листьях и корнях характерны и для некоторых растений, образующих АРМ (N. stricta, G. norvegicum, S. virgaurea), что может свидетельствовать о фракционировании изотопов N АРМ грибами так же, как это происходит в ЭРМ/ЭКМ симбиозе. Однако особенности изотопного состава N у других растений с АРМ, включая более тяжелый изотопный состав N в листьях по сравнению с корнями, свидетельствуют о большем разнообразии механизмов, контролирующих наличие, отсутствие и направление фракционирования изотопов N в АРМ симбиозе, которые требуют дополнительного изучения.