Почвоведение, 2020, № 5, стр. 547-558

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия отмечается повышение участия кустарничков и кустарников в составе фитоценозов арктической/субарктической тундры и альпийских лугов [19, 23, 38, 42]. Растения в процессе жизнедеятельности могут изменять почвенные свойства через разные механизмы, например, в результате избирательного поглощения элементов минерального питания, поступления в почву органического вещества и ассоциированных с ним элементов в составе растительного опада или в составе корневых выделений, имеющих разный химический и биохимический состав [34]. Изменение соотношения растений, образующих разные типы микоризы, может привести к сдвигу таких ключевых параметров функционирования экосистем, как круговорот углерода и азота. Это связано с разной ферментативной активностью грибов, образующих эктомикоризу (ЭКМ) и эрикоидную микоризу (ЭРМ) у кустарников и кустарничков, с одной стороны, и арбускулярную микоризу (АРМ), характерную для трав – с другой. Первые продуцируют окислительные и гидролитические ферменты, активно воздействующие на органическое вещество почвы и мобилизующие из него элементы минерального питания, тогда как вторые обладают гораздо меньшей ферментативной активностью [4, 21, 24, 37, 43].

Вопрос о роли разных типов микоризы в биогеохимических циклах важнейших биогенных элементов и обеспечении минерального питания растений изучается преимущественно при сравнении почв лесных экосистем, в которых доминируют древесные виды растений с ЭКМ или АРМ [17, 27, 28]. Вместе с тем ЭРМ вересковых кустарничков характеризуется наибольшей активностью экзофементов, способных трансформировать органическое вещество почв [39, 49, 50]. С другой стороны, вересковые растения продуцируют большое количество полифенолов (танинов), образующих в почве устойчивые полифенол-белковые комплексы [26, 30], что может способствовать повышенной аккумуляции органического вещества в почве [18]. К этому же может приводить снижение активности разложения органического вещества свободноживущими сапротрофными микроорганизмами, которые начинают испытывать дефицит азота из-за поглощения его микоризными грибами [35].

Вересковые кустарнички широко распространены в экосистемах холодного климата, но исследования, в которых роль ЭРМ и ЭКМ в циклах углерода и элементов минерального питания оценивалась в арктических/субарктических и высокогорных экосистемах, представлены несравнимо меньше, чем исследования ЭКМ и АРМ в лесах. Подобные работы основаны, преимущественно, на сравнении разных экосистем с доминированием растений с разными типами микоризы [42]. Такой подход подразумевает формирование экосистем в исходно разных геоморфологических или литологических условиях и затрудняет оценку влияния типа микоризы на биогеохимические процессы.

Ранее мы оценили влияние брусники (Vaccinium vitis-idaea), образующей ЭРМ, на свойства почвы альпийской лишайниковой пустоши на Северном Кавказе. Исследование показало, что различия в свойствах почвы в присутствии и отсутствии кустарничка в составе фитоценоза, в целом, соответствуют представлениям о мобилизации органического вещества почвы экзоферментами, продуцируемыми ЭРМ. Концентрации углерода и азота экстрагируемого органического вещества и микробной биомассы, рост микробной активности свидетельствуют о повышении доступности азота для питания почвенных микроорганизмов и растений в присутствии V. vitis-idaea [7].

В горной тундре Хибин кустарнички и кустарники с ЭРМ и ЭКМ не только являются основными компонентами фитоценозов тундровых пустошей на бедных почвах, но и произрастают в аккумулятивных геохимических позициях на тундровых луговинах, характеризующихся высокими концентрациями доступных форм элементов минерального питания в почве [3, 5]. Такие местообитания принципиально отличаются от альпийских лишайниковых пустошей Кавказа, почвы которых содержат наименьшие количества неорганических соединений азота и фосфора в сравнении с другими альпийскими экосистемами [6, 8]. Неизвестно, насколько функция ЭРМ и ЭКМ по трансформации органического вещества и мобилизации элементов минерального питания, активно протекающая в почвах с низкой доступностью азота и фосфора растениям, выражена в условиях их повышенной доступности.

Для проверки этого сравнили свойства почвы злакового луга в горной тундре Хибин при наличии и отсутствии в составе фитоценоза кустарничков и кустарника, образующих ЭРМ и ЭКМ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования послужила почва злакового луга, занимающего аккумулятивную геохимическую позицию в мезорельефе горной тундры Хибин на восточном склоне горы Вудъяврчорр в Ботаническом цирке Полярно-альпийского ботанического сада-института (570 м над ур. м.). Травяная растительность (преимущественно Deschampsia flexuosa, Gnaphalium norvegicum, Juncus trifidus, Nardus stricta, Solidago virgaurea), образующая арбускулярную микоризу, составляет основу фитоценоза, в котором отдельными куртинами встречаются кустарник (Betula nana) с ЭКМ, и кустарнички (Empetrum hermaphroditum, Vaccinium myrtillus, Vaccinium uliginosum, Vaccinium vitis-idaea), образующие ЭРМ.

Почва представлена литоземом перегнойно-темногумусовым (Umbric Leptosol). На поверхности присутствует маломощный (1–2 см) органогенный подстилочно-торфяный горизонт O (40.7% С, 1.4% N), под которым залегает перегнойно-темногумусовый горизонт АН, также содержащий большое количество органического вещества (14.6% С) и азота (0.91%) [3].

Для исследования отбирали по 10 образцов почвы из верхних 5 см горизонта АН на участках со злаковой растительностью (контроль) и на участках с кустарником и кустарничками (всего 6 вариантов). При отборе образцов оценивали мощность почвы (щупом до глубины залегания камня). Образцы замораживали в течение нескольких часов после отбора и хранили в таком состоянии до проведения лабораторных исследований.

После размораживания в образцах определяли влажность, каменистость (>2 мм), кислотность (pH водной суспензии), содержание подвижного неорганического фосфора (Р_мин) по методу Кирсанова (экстракция 0.2 M HCl). Лабильные соединения С, N и P экстрагировали раствором 0.05 M K₂SO₄ при взбалтывании в течение 1 ч и соотношении почва : раствор 1 : 5. В экстракте определяли концентрации C органических соединений (C_орг), аммонийного N (N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$), нитратного N (N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$), общее содержание N (N_экстр) и общее содержание Р (Р_экстр). Концентрацию N органических соединений (N_орг) рассчитывали по разности между концентрациями N_экстр и неорганических форм N (N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$ + N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$).

Определяли также ряд показателей биологического и биохимического состояния почвы. Углерод и азот микробной биомассы (С_микр и N_микр) анализировали методом фумигации-экстракции [15, 47]. Из фумигированных хлороформом образцов экстрагировали C и N как описано выше. Концентрацию С_микр и N_микр вычисляли по разности содержания C_орг и N_экстр в фумигированных и исходных образцах без использования коэффициентов, учитывающих неполную экстрагируемость компонентов микробной биомассы.

Активности минерализации органических соединений азота (N-минерализация) и нитрификации определяли после инкубации образцов почвы в термостате Sanyo MIR-153 в течение 21 дня при температуре 22°С и полевой влажности. Минерализацию рассчитывали как разницу концентраций суммы N неорганических соединений (N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$ + N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$) в почве после и до инкубации, нитрификацию – как разницу соответствующих концентраций N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}.$

Базальное дыхание (БД) почвы определяли после инкубации образцов при 22°C в течение 24 ч. Скорость дыхания выражали в мг C–CО₂/(кг ч). На основании определения С_микр и БД рассчитывали микробный метаболический коэффициент (qСО₂) как отношение БД к С_микр [2].

Активность гидролитических ферментов определяли методом флюорогенно-меченых субстратов [31]. Сущность метода заключается в гидролизе ферментного субстрата, меченного флюоресцирующим соединением, которое высвобождается при гидролизе, и его количество определяется флюорометрически. Использовали субстраты, специфичные для β-D-глюкозидазы, хитиназы и фосфатазы, меченные 4-метилумбеллиферилом (MUF) (MUF-β-D-glucopyranoside, MUF-N-acetil-β-D-glucosaminide и MUF-phosphate соответственно), а также субстрат для лейцинаминопептидазы (L-leucine-7-amino-4-methylcoumarin), меченный 7-амино-4-метилкумарином (AMC). Количество флюоресцирующих MUF и AMC, образующихся в результате распада субстратов, измеряли на мультимодальном микропланшетном ридере FilterMax F5 при длине волны возбуждения эмиссии 355 нм и испускания 460 нм. Измерения проводили через 60, 120 и 180 мин после внесения субстрата, активность ферментов выражали в мкM МУФ(AMC)/(г ч).

Структуру микробного сообщества оценивали в смешанных образцах почвы из каждого изученного варианта по составу жирных кислот (ЖК) – мембранных структур клеток микроорганизмов, которые экстрагировали и анализировали методом масс-спектрометрии микробных маркеров (МСММ) согласно [40]. Суть метода заключается в экстракции ЖК из почвы кислым метанолизом (1 М HCl в метаноле), силилировании БСТФА (N,O, бис-триметилсилилом(трифтарацетамид)) и анализе метил-триметилсилилированных эфиров на хромато-масс-спектрометре AT-5880/5975 Agillent Technologies. Преимущество метода МСММ по сравнению с анализом жирных кислот фосфолипидов (PLFA) [14, 22, 48] состоит в расширении спектра анализируемых ЖК, альдегидов и стеринов [40].

В качестве биомаркеров отдельных таксономических групп микроорганизмов использовали специфические ЖК (разветвленные i15:0, a15:0, i16:0, i17:0 для грамположительных бактерий; мононенасыщенные и циклопропановые 16:1ω9c, 16:1ω9t, cy17:0, cy19:0 для грамотрицательных бактерий; 10-метил-разветвленные 10Me16:0, 10Me18:0 для актиномицетов и 18:2ω6с для грибов) [14, 22, 48]. По результатам анализа рассчитывали соотношение между грибными и бактериальными ЖК. Хотя концентрации специфических биомаркеров не дают представления о реальном соотношении грибной и бактериальной биомассы в почве [13, 29], а лишь отражают влияние какого-либо изучаемого фактора на содержание отдельных таксономических групп микроорганизмов, соотношение между грибными и бактериальными биомаркерами используют для индикации сдвигов в соотношении биомассы грибов и бактерий [14, 36].

Концентрацию C_орг и N_экстр определяли на анализаторе TOC-V_CPN. Неорганические формы азота и фосфора анализировали колориметрически на спектрофотометре Genesys^TM 10UV. При определении N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$ использовали салицилат-нитропрусидный метод, N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$ определяли при восстановлении ${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - }$ до ${\text{NO}}_{{\text{2}}}^{ - }$ на кадмиевой колонке и реакции с сульфаниламином и N-(1-нафтил)-этилендиамин-дигидрохлоридом, Р_мин – восстановлением молибдена фосфорномолибденовой кислоты аскорбиновой кислотой по Мэрфи и Райли в модификации Ватанабе–Олсена. Содержание Р_экстр исследовали методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP OES) на спектрометре Agilent 5110. Концентрацию СО₂ определяли на газовом хроматографе Кристалл-2000.

Полученные данные подвергали анализу в программе Statistica 8.0. Для всех результатов рассчитывали средние значения и стандартные отклонения. С использованием U-критерия Манна–Уитни устанавливали статистическую значимость отличия изученных показателей в почве под травяной растительностью злакового луга (контроль) и под куртинами кустарничков и кустарника (для всей совокупности образцов, и для отдельных видов растений).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почва злакового луга характеризуется малой мощностью, кислой реакцией среды, большим содержанием микробной биомассы, экстрагируемого органического вещества, которое относительно обогащено азотом (С_орг/N_орг = 13.1), но содержит мало фосфора (С_орг/P_экстр = 435). Активности N-минерализации и нитрификации, концентрации минеральных форм азота и фосфора также высокие (табл. 1, 2). Эти свойства являются типичными для почв лугов в горной тундре Хибин и в районе Абиско (северная Швеция) [3, 10]. Величины БД (3.0 мг С–СО₂/(кг ч)) и qСО₂ (3.7 мкг С–СO₂/(мг C_микр ч)) (табл. 3) примерно соответствуют значениям, типичным для лесных почв европейской территории России [2, 11, 12].

Свойства почвы под растениями с ЭРМ и ЭКМ. При наличии на лугу растений с ЭРМ и ЭКМ многие из изученных свойств почвы значимо отличаются от контроля: мощность, каменистость, P_мин, N_орг, P_экстр, С_орг/N_орг, C_орг/Р_экстр, С_микр/N_микр, N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - },$ N-минерализация, нитрификация, активности глюкозидазы, хитиназы и фосфатазы. Под кустарничками и кустарником мощность почвы, содержание N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - },$ соотношения С_орг/N_орг и С_орг/P_экстр, активности N-минерализации и нитрификации значимо меньше, а каменистость, содержание P_мин, P_экстр, N_орг, соотношение С_микр/N_микр и активности глюкозидазы, хитиназы и фосфатазы – больше. Значимо не отличаются в контрольной почве под злаковой растительностью и в почве под ЭРМ и ЭКМ растениями рН, С_орг, N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + },$ С_микр, N_микр, БД и qCO₂.

Указанные отличия (или их отсутствие) основаны на сравнении всей совокупности почв под разными видами растений с ЭРМ и ЭКМ с почвой контрольного варианта. Если с контролем сравнивать почвы под индивидуальными видами растений, то для многих показателей выявляется специфическое влияние отдельных видов, которое может заключаться, как в большей или меньшей выраженности изменения свойства почвы (большинство показателей), так и в разнонаправленном изменении (С_орг, БД, qCO₂).

Влажность, мощность и каменистость. Эти морфологические показатели характеризуют свойства почвы, которые могут определять исходное поселение кустарничков в специфических местах, связанных с различиями в микрорельефе и аккумуляции мелкозема. Значимо меньшая влажность почвы характерна лишь для двух видов растений: водяники (89%) и голубики (около 100%). Вместе с тем почва под брусникой на альпийской лишайниковой пустоши в Тебердинском заповеднике оказалась более влажной [7]. Поэтому нельзя говорить о том, что поселение кустарничков на лугу связано с принципиально меняющимися условиями увлажнения.

По мощности почвы и каменистости в верхних 5 см горизонта AH почва под кустарничками и кустарником отличается от контроля более явственно. Значимое уменьшение мощности и увеличение каменистости, характерное для всей совокупности объектов, отмечается также в почве под брусникой и водяникой. Такая тенденция прослеживается и в почве под всеми другими видами растений, вероятно, поэтому кустарнички и кустарники изначально поселяются на более каменистых участках с меньшим накоплением мелкозема. С этим может быть связана и пониженная влажность почвы под некоторыми видами.

Кислотность (pH). Кислотность почвы под травами и кустарничками в целом значимо не отличается, но она выше в почве под карликовой березой и водяникой. При поселении брусники на альпийской лишайниковой пустоши почва также оказалась более кислой [7]. Такой результат вполне ожидаем, так как ЭРМ и ЭКМ грибы выделяют в почву много органических соединений, в том числе кислотной природы [35]. Кроме того, наземный и подземный опад вересковых кустарничков способствует формированию кислых продуктов при его трансформации [26, 30, 49].

Содержание минерального азота и фосфора и активности N-минерализации и нитрификации. В почве под луговой растительностью содержится примерно в два раза больше N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + },$ чем N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - }.$ Эти компоненты по-разному реагируют на присутствие растений с ЭРМ и ЭКМ в составе лугового фитоценоза. Хотя концентрация N–${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$ в почве под травами и кустарничками в целом значимо не отличается, тем не менее, она уменьшается под голубикой и брусникой. Гораздо более резко в присутствии кустарничков уменьшается концентрация N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$ (значимо во всех случаях, кроме черники). Такие изменения соответствуют заметному снижению активностей N-минерализации и нитрификации под всеми видами растений, кроме черники, по сравнению с контрольным участком. В изученной почве нитрификация обеспечивает полное окисление ${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + },$ образующегося в процессе лабораторной инкубации образцов, в ${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}.$ Поэтому она является процессом, отражающим одновременно и N-минерализацию, а аммонификация приобретает отрицательные значения.

Ранее мы предположили [7], что снижение нитрификации может быть связано с большей кислотностью почвы под растениями с ЭРМ, но на злаковом лугу в горной тундре Хибин кислотность повышается не сильно и не под всеми видами. Вероятно, микоризные грибы или опад растений с ЭРМ/ЭКМ могут снижать активность нитрифицирующих бактерий в почве.

Более низкое содержание N–${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{--}$ в почве под растениями с ЭРМ и ЭКМ, чем под злаковой растительностью, соответствует сложившемуся представлению о том, что почвы в экосистемах с преобладанием растений, образующих АРМ, характеризуются более высокими концентрациями неорганических форм азота и скоростями их трансформации [27, 37]. В частности, сравнение лесных почв, где древесные виды представлены симбионтами либо с АРМ, либо с ЭКМ показало, что концентрация неорганических соединений N и активности N-минерализации и нитрификации были всегда выше в почвах лесов с АРМ [28].

Высокая концентрация P_мин в почве, очевидно, связана со спецификой минералогического состава почвообразующих пород в Хибинах, содержащих большое количество апатита. Хотя значимое увеличение этого показателя характерно лишь для почвы под двумя видами (карликовая береза и водяника), для всех других почв под кустарничками прослеживается общая тенденция большей концентрации P_мин по сравнению с контролем.

Большее содержание P_мин в почве при наличии растений с ЭРМ и ЭКМ, чем в варианте с их отсутствием, может быть связано с повышением минерализации органических фосфатов под действием экзоферментов микоризы и с повышенной мобилизацией минеральных фосфатов при повышении кислотности. Роль микоризы в мобилизации фосфора и питании им растений хорошо известна, не только для АРМ, но и для ЭКМ, продуцирующей фосфатазы, активность которых не уступает активности фосфатаз сапротрофных грибов [20, 21]. В то же время известна и большая эффективность ЭКМ в выветривании минералов благодаря выделению в почву органических кислот [44]. Именно под карликовой березой и водяникой почва вместе с наибольшей концентрацией P_мин характеризуется наиболее кислой реакцией. Повышенное содержание Р_мин в почве альпийской лишайниковой пустоши в присутствии брусники также сопровождалось более кислой реакцией [7].

Углерод, азот и фосфор экстрагируемого органического вещества. Содержание С_орг в почве под травами и кустарничками в целом значимо не отличается. Но для двух видов отмечено разнонаправленное изменение – пониженная концентрация под черникой и повышенная под карликовой березой. Такое поведение С_орг в почве под растениями с ЭРМ и ЭКМ не вполне соотносится с гипотезой о влиянии этих типов микоризы на органическое вещество [21, 24, 37]. Хотя в целом считается, что ЭКМ растения выделяют в почву больше углерода через микоризу, чем АМ растения [35], в некоторых работах не выявлено значимого влияния ЭКМ на содержание лабильного органического вещества в почвах [28]. Эрикоидная же микориза рассматривается как обладающая наибольшей активностью экзофементов, способных трансформировать органическое вещество почв [39, 49, 50], и мы также ранее обнаружили повышение концентрации С_орг в почве под брусникой в условиях альпийской лишайниковой пустоши [7].

В отличие от С_орг содержание в почве N и P, входящих в состав лабильного органического вещества, значимо выше, как под всей совокупностью растений с ЭРМ и ЭКМ, так и под большинством индивидуальных видов. Отдельные исключения (черника для N и P, и брусника для P) также демонстрируют общую с другими растениями тенденцию. Это может свидетельствовать либо о деполимеризации крупных органических молекул и мобилизации органических азот- и фосфорсодержащих соединений в почве под действием экзоферментов микоризных грибов, образующих ЭРМ и ЭКМ, либо об уменьшении их минерализации. Как показано выше, N-минерализация в почве под кустарничками действительно снижается.

Соотношение С_орг/N_орг является показателем, по которому почва под растениями с ЭРМ и ЭКМ определенно отличается от контроля – характерно значимое его уменьшение в почве под всеми видами по сравнению с контрольным участком. Повышенная насыщенность экстрагируемого органического вещества азотом под кустарничками и кустарниками несколько неожиданна, поскольку, например, для лесных почв под растениями с ЭКМ характерно большее соотношение С/N и меньшее содержание лабильного азота в сравнении с АРМ растениями [28]. В случае поселения брусники на бедной почве альпийской лишайниковой пустоши также наблюдалась совершенно иная картина [7]. Здесь увеличение концентрации С_орг и тенденция к повышению N_орг свидетельствовали о возможном воздействии ферментов на высокомолекулярные компоненты органического вещества с продуцированием небольших, более биогеохимически подвижных (легкоэкстрагируемых) молекул. Уменьшение же соотношения С_орг/N_орг говорило о том, что экстрагируемое органическое вещество могло выступать в качестве важного источника азотного питания для микоризных грибов и других почвенных микроорганизмов [7]. В противоположность этому, на фоне высоких концентраций неорганических форм азота в почве злакового луга азотсодержащие органические соединения, вероятно, не поглощаются активно микоризными грибами и сапротрофными микроорганизмами.

Известно, что ЭКМ грибы демонстрируют отрицательную реакцию на азотные удобрения [25]. В частности, продукция ими протеазы подавляется при повышении концентраций ${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + }$ и ${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - },$ демонстрируя адаптацию продуцирования N-мобилизующих экзоферментов к доступности неорганических соединений N в почве [33]. На примере горно-тундровых экосистем Хибин мы ранее показали, что уменьшение фракционирования изотопов азота между корнями и листьями растений в условиях большей доступности азота, вероятно, является следствием уменьшения участия микоризы в их азотном питании [5]. Не исключено, что уменьшение соотношения С_орг/N_орг в присутствии вересковых кустарничков соответствует закреплению N в составе стабильного органического вещества и снижению его доступности для микроорганизмов и растений [18, 26, 28].

Соотношение С_орг/Р_экстр (как и С_орг/N_орг) значимо уменьшается под растениями с ЭРМ и ЭКМ в целом. Из индивидуальных видов значимое уменьшение характерно для черники, голубики и вороники, но общая тенденция характерна и для других видов (табл. 2). Возможно, что некоторый вклад в уменьшение соотношение С_орг/Р_экстр может вносить неорганический фосфор, присутствующий в экстракте 0.05 М K₂SO₄. Косвенно об этом может свидетельствовать одновременно самая большая концентрация Р_мин и наименьшее соотношение С_орг/Р_экстр в почве под водяникой. Однако такой вклад, определенно, не является критическим. Во-первых, концентрация неорганического ортофосфата в экстракте настолько низкая, что он не дает окрашивания с молибденово-кислым аммонием. Во-вторых, соотношения между концентрацией Р_мин и соотношением С_орг/Р_экстр в почвах под другими видами растений с ЭРМ и ЭКМ не связаны отрицательной зависимостью. Наконец, соотношение С_орг/Р_экстр в диапазоне 270–413 соответствует органическому веществу почв. Например, в органогенных горизонтах почв горной тундры соотношение между углеродом и фосфором органического вещества (Р_орг) варьирует от 125 до 328 [9], а субальпийских и альпийских болот – от 215 до 422 [6].

Обогащенность органического вещества почвы фосфором зависит от того, насколько общая минерализация органических соединений превышает минерализацию Р_орг. Согласно концепции “биохимической минерализации” [32], уровень аккумуляции фосфора в органическом веществе почвы контролируется доступностью минеральных фосфатов для питания микроорганизмов. При достаточном содержании в почве доступных минеральных фосфатов минерализация Р_орг невелика, и он накапливается в составе органического вещества. Наши результаты полностью соответствуют этому – при увеличении концентрации Р_мин в почвах под растениями с ЭРМ и ЭКМ соотношение С_орг/Р_экстр в экстрагируемом органическом веществе уменьшается. Подобно соотношению С_орг/N_орг, уменьшение соотношения С_орг/Р_экстр свидетельствует, что в условиях высоких концентраций Р_мин, мобилизуемые органические фосфаты в почве под растениями с ЭРМ и ЭКМ не подвергаются преимущественной минерализации и использованию для питания растений.

Углерод и азот микробной биомассы и структура микробного сообщества. Концентрации С_микр и N_микр значимо не различаются в почве под травами и всей совокупностью растений с ЭРМ и ЭКМ. Это подтверждается и сравнением почв под большинством индивидуальных видов растений. Так, значимо меньшая концентрация С_микр характерна только для почвы под брусникой, а N_микр – под брусникой и голубикой. Таким образом, повышение концентраций лабильных форм азота (как минеральных, так и органических) на фоне его общей высокой доступности не приводит к дополнительной аккумуляции элемента в микробной биомассе. При этом соотношение C/N в микробной биомассе в присутствии растений с ЭРМ и ЭКМ возрастает. Это отличает реакцию микробного сообщества почвы от обнаруженной нами при изучении влияния брусники на бедную доступными формами азота почву альпийской лишайниковой пустоши. В том случае повышение доступности азота в почве под брусникой также не приводило к увеличению суммарной микробной биомассы (C_микр), но вызывало рост концентрации N_микр и уменьшение соотношения C_микр/N_микр [7].

Можно предположить, что увеличение соотношения C_микр/N_микр связано с разной структурой микробного сообщества в почвах под разными растениями. При поступлении более трудноразлагаемого опада кустарничков в микробном сообществе могут быть в большей степени представлены относительно бедные азотом грибы, включая внешний мицелий микоризных грибов. Однако это не подтверждается результатом определения структуры микробного сообщества по данным анализа ЖК (рис. 1). Согласно последнему, в почве под злаками содержится меньше ЖК всех основных таксономических групп микроорганизмов, но соотношение между ЖК грибов и бактерий принципиально не меняется, составляя 0.08–0.10 в большинстве случаев. Лишь в почве под водяникой, которая характеризуется наибольшим содержанием ЖК всех рассмотренных групп микроорганизмов, оно возрастает до 0.16. Наибольшее содержание ЖК в этом случае (252 нмоль/г) соответствует максимальным концентрациям С_микр и N_микр, хотя они значимо не отличались от контроля из-за высокого варьирования. Повышенное содержание ЖК микроорганизмов в почвах под растениями с ЭРМ и ЭКМ (около 190 нмоль/г под всеми видами, кроме водяники) также не соответствует закономерности стабильной или даже пониженной (под брусникой) концентрации С_микр в присутствии кустарничков.

Рис. 1.

Концентрация жирных кислот (специфических биомаркеров основных таксономических групп микроорганизмов) в почве злакового луга под разными растениями.

Биологическая и ферментативная активность. Базальное дыхание, характеризующее скорость минерализации органического вещества в почвах под разными видами растений с ЭРМ и ЭКМ, разнонаправлено отличается от контроля. В почве под голубикой и брусникой БД меньше, а в почве под карликовой березой и водяникой больше, чем в почве под злаками. Таким образом, на примере БД наиболее контрастно проявляется видоспецифичность влияния кустарничков на почвенные свойства. Согласно литературным данным, большее почвенное и микробное дыхание обычно характерно для экосистем с доминированием растений с АРМ, как в умеренном, так и в субарктическом поясах [41, 45].

Поскольку микробная биомасса в целом стабильна в почвах под разными растениями, то qCO₂ в большой мере повторяет отличия, характерные для БД. Особенно выделяются повышенные значения этого показателя в почве под карликовой березой и водяникой. В первом случае qCO₂ превышает максимальное значение в 6.1–6.4 мкг С–СO₂/(мг C_микр ч), обнаруженное при изучении большого разнообразия почв [1]. Микробный метаболический коэффициент часто рассматривается в качестве показателя устойчивости микробного сообщества [1, 2, 11, 12], связь которого с содержанием органического вещества и микробной биомассы в почве неопределенна [1]. Предполагается, что повышенное значение qCO₂ может иллюстрировать большие затраты микроорганизмов на поддержание жизнедеятельности, но выявленные нами различия qCO₂ в почвах под разными растениями могут быть связаны с разной доступностью углерода для микроорганизмов и, соответственно, более эффективным его использованием (низкие потери на единицу биомассы) при низкой доступности. Об этом может свидетельствовать положительная корреляция между qCO₂ и C_орг в изученной совокупности почв (r = 0.86, P < 0.05).

Активности глюкозидазы, хитиназы и фосфатазы значимо выше в почве под всеми растениями с ЭРМ, тогда как под карликовой березой, образующей ЭКМ, они не отличаются от контроля. Эти результаты подтверждают мнение о том, что ЭРМ характеризуется набольшей активностью экзофементов, способных трансформировать органическое вещество почв [39, 49, 50]. В частности, в комплексе полевых экспериментов ЭРМ рододендрона (Rhododendron maximum) демонстрировала высокую активность экзоферментов, превосходящую активность ЭКМ и АРМ других видов растений [49, 50]. В то же время ЭКМ, как правило, характеризуется большей активностью ферментов в сравнении с АРМ в лесах умеренного пояса [16, 37, 51]. Большая способность грибов, образующих ЭКМ, и особенно ЭРМ, в продуцировании ферментов, трансформирующих углеводы, подтверждается их геномным анализом [46]. Характерно, что высокая активность ферментов ЭРМ грибов сохраняется в почве тундрового злакового луга при высоких концентрациях неорганических соединений азота и фосфора. В противоположность другим ферментам, лейцинаминопептидаза, катализирующая расщепление полипептидов с образованием свободных аминокислот, не проявляет повышенную активность в почве под растениями с ЭРМ и ЭКМ. Напротив, в почве под тремя вересковыми кустарничками она значимо ниже.

Результаты определения активности ферментов не вполне соответствуют показателям состояния лабильного (экстрагируемого) органического вещества. Повышенная активность глюкозидазы не сопровождается повышением концентрации C_орг, а ферменты, мобилизующие органические азотсодержащие соединения, хитиназа и лейцинаминопептидаза ведут себя противоположным образом – первая способствует повышению концентрации N_орг, но вторая – нет. Также и повышенная активность фосфатазы, с одной стороны, соответствует повышению концентрации P_мин, но экстрагируемое органическое вещество при этом относительно обогащено фосфором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Растения с ЭРМ и ЭКМ в составе фитоценоза злакового луга в горно-тундровом поясе Хибин оказывают влияние на свойства почвы, увеличивая содержание подвижного минерального и органического фосфора, экстрагируемого органического азота, соотношение С_микр/N_микр, и уменьшая содержание нитратов, активности N-минерализации и нитрификации, а также соотношения С/N и С/P в экстрагируемом органическом веществе. Выявленные различия в свойствах гумусового горизонта литозема в отсутствии и в присутствии вересковых кустарничков, образующих ЭРМ, и карликовой березы, образующей ЭКМ, свидетельствуют о специфическом влиянии экзоферментов микоризных грибов на органическое вещество почвы и на процессы трансформации азот- и фосфорсодержащих соединений даже при высокой доступности неорганических азота и фосфора. В частности, высокое содержание N_орг и более низкие активности N-минерализации и нитрификации в почве под растения с ЭРМ и ЭКМ в сравнении с почвой под злаковой растительностью подтверждают разные предпочтения в источниках азотного питания растений с разным типом микоризы.

Проведенное исследование ограничено изучением почвы одного злакового луга в горной тундре Хибин. Очевидно, что для уточнения выявленных закономерностей и понимания, насколько объективными являются некоторые несоответствия между ферментативной активностью почвы и характеристиками экстрагируемого органического вещества, необходимо изучение большего числа объектов.