Почвоведение, 2020, № 7, стр. 850-859

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия отмечается увеличение участия кустарничков и кустарников в составе фитоценозов арктической/субарктической тундры и альпийских лугов [12, 15, 28]. В частности, 40‑летние наблюдения за динамикой альпийских биогеоценозов в Тебердинском заповеднике выявили увеличение доли Vaccinium vitis-idaea L. в надземной биомассе альпийской лишайниковой пустоши (АЛП) [13].

Изменения в составе фитоценоза могут приводить к изменению почвенных свойств в связи с особенностями ассимиляции и диссимиляции элементов и соединений отдельными видами растений [24]. Например, растения, образующие разные типы микоризы, по-разному влияют на органическое вещество почвы и связанные с ним элементы минерального питания, воздействуя, таким образом, на ключевые параметры функционирования экосистем ‒ круговорот углерода и азота. Это обусловлено разной ферментативной активностью грибов, образующих эктомикоризу (ЭКМ) и эрикоидную микоризу (ЭРМ), с одной стороны, и арбускулярную микоризу (АРМ) – с другой. Грибы, образующие ЭКМ и ЭРМ, продуцируют окислительные и гидролитические ферменты, способные деполимеризовать органическое вещество почвы и мобилизовать входящие в его состав элементы минерального питания, тогда как АРМ грибы обладают гораздо меньшей продукцией и активностью ферментов [2, 16, 26, 33].

Вместе с тем, хотя результаты лабораторных экспериментов свидетельствуют об активном разложении комплексных органических соединений (лигнин, полифенолы) и мобилизации N из хитина и полифенол-белковых комплексов грибами, образующими ЭКМ и ЭРМ [8, 27, 29], вопрос об эффективности этих процессов в естественных экосистемах далек от количественного решения. В естественных условиях продукция экзоферментов микоризными грибами регулируется разными факторами, влияющими на активность обмена углерода растений на азот грибов ‒ это и физиологическое состояние обоих симбионтов, и почвенные условия [19, 22, 35]. Кроме того, микоризные грибы представляют несколько функциональных групп, некоторые из которых имеют ограниченную способность воздействовать на органическое вещество почв, тогда как другие могут активно мобилизовать из него элементы минерального питания [9, 32].

Ранее мы предположили, что повышение участия V. vitis-idaea, образующей ЭРМ, в составе фитоценоза АЛП может изменять почвенные свойства, связанные с мобилизацией органического вещества и элементов минерального питания под действием экзоферментов микоризных грибов. Для проверки этой гипотезы мы сравнили горно-луговую почву АЛП в присутствии и отсутствии кустарничка в составе фитоценоза. Повышение концентрации экстрагируемого углерода, азота микробной биомассы, подвижного фосфора, рост микробной активности при наличии V. vitis-idaea соответствовали представлениям о повышении доступности биогенных элементов для питания почвенных микроорганизмов и растений [4].

Одновременно оказалось, что почва в варианте с V. vitis-idaea была более влажной, что могло быть связано с особенностями водно-физических свойств почвы, определяющих поселение этого вида, и также могло повлиять на состав органического вещества и на функционирование микробного сообщества. В связи с наблюдающейся тенденцией уменьшения количества атмосферных осадков теплого периода и прогнозируемым ростом числа и интенсивности засух в горных регионах [14, 18] оценка значения фактора влажности почвы в изменении доступности элементов питания также становится актуальной.

С целью уточнения влияния факторов присутствия V. vitis-idaea и влажности почвы на процессы трансформации органического вещества и содержание лабильных форм углерода, азота и фосфора мы изучили свойства почвы АЛП в градиенте изменения влажности на разных участках склонов, но при одинаковой влажности в присутствии и отсутствии кустарничка.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования послужила легкосуглинистая горно-луговая почва (Umbric Leptosol) АЛП на высокогорном стационаре Малая Хатипара в Тебердинском государственном биосферном заповеднике (2800 м над ур. м.). В июле 2018 г. для исследования было выбрано два участка АЛП. Один располагался на крутом (15°) склоне юго-восточной экспозиции; второй – в верхней выположенной части склона восточной экспозиции. На участках были выбраны пятна растительности с участием V. vitis-idaea и без кустарничка, на которых отбирали образцы почвы.

Отбор проводили при контроле объемной влажности почвы до глубины 10 см датчиком TRIME-EZ (IMKO Micromodultechnic GMBH, Германия) так, чтобы она в двух вариантах (с кустарничком и без кустарничка) была примерно одинаковой. При этом на первом участке влажность почвы была значительно меньше (около 15%), а на втором образцы были отобраны при двух разных влажностях (около 21 и 27%). Таким образом, мы получили три пары вариантов контроль‒брусника при разной влажности: объект 1 – влажность около 15%, объект 2 – около 21%, объект 3 – около 27%.

С каждого варианта было отобрано по 10 образцов почвы с глубины 0–5 см. Образцы были заморожены и в таком виде доставлены в лабораторию для дальнейшего анализа.

После размораживания образцов в них определяли кислотность (рН водной суспензии), содержание подвижного неорганического фосфора (Р_мин) по методу Кирсанова (экстракция 0.2 M HCl), лабильные соединения С и N (экстракция 0.05 M K₂SO₄). В экстракте определяли концентрации C органических соединений (C_орг), аммонийного N (N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$), нитратного N (N–${\text{NO}}_{3}^{--}$) и общее содержание N (N_экстр). Концентрацию N органических соединений (N_орг) рассчитывали по разности между концентрациями N_экстр и неорганических форм N (N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ + N–${\text{NO}}_{3}^{--}$).

Из показателей, характеризующих биологические свойства почвы, определяли С и N микробной биомассы (С_микр и N_микр) методом фумигации-экстракции [10, 34]. Из фумигированных парами хлороформа образцов экстрагировали C и N с использованием 0.05 M K₂SO₄. Концентрации С_микр и N_микр вычисляли по разности концентраций 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 течение 20 суток при 22°С и полевой влажности (термостат SANYO MIR-153). Минерализацию рассчитывали, как разницу концентраций N неорганических соединений (N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ + N–${\text{NO}}_{3}^{--}$) в почве после и до инкубации, а нитрификацию – как разницу соответствующих концентраций N–${\text{NO}}_{3}^{--}.$

Базальное дыхание (БД) почвы определяли после инкубации образцов в течение 24 ч при 22°C. Скорость дыхания выражали в мг C–CО₂/кг в час. На основании определения БД и С_микр рассчитывали микробный метаболический коэффициент (qСО₂) как отношение БД к С_микр [1].

Активность гидролитических ферментов определяли методом флюорогенно-меченых субстратов [21]. Принцип метода состоит в том, что фермент-селективные субстраты с присоединенным к ним флуоресцентным соединением метилумбеллифероном (MUF) или 7-амино-4-метилкумарином (AMC), при взаимодействии с почвенным экстрактом подвергаются гидролизу. При этом происходит высвобождение флуоресцентного соединения и его количество определяется флюорометрически. Субстраты, меченные MUF, использовали для определения активностей β-D-глюкозидазы (MUF-β-D-glucopyranoside), хитиназы (MUF-N-acetil-β-D-glucosaminide) и фосфатазы (MUF-phosphate). Субстрат, меченный AMC, применяли для оценки активности лейцинаминопептидазы (L-leucine-7-amino-4-methylcoumarin). Количества 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 MUF(AMC)/г в час.

Концентрации 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–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ использовали салицилат-нитропрусидный метод, N–${\text{NO}}_{3}^{--}$ определяли после восстановления ${\text{NO}}_{3}^{--}$ до ${\text{NO}}_{2}^{--}$ на кадмиевой колонке с последующей реакцией с сульфаниламином и N-(1-нафтил)-этилендиамин-дигидрохлоридом, Р_мин ‒ восстановлением молибдена фосфорномолибденовой кислоты аскорбиновой кислотой по Мэрфи и Райли в модификации Ватанабе-Олсена. Концентрацию СО₂ определяли на газовом хроматографе Кристалл-2000.

Статистический анализ данных был проведен в программе STATISTICA 8.0. Данные были проверены на нормальность распределения (критерий Шапиро-Уилка) и равенство дисперсий (тройной тест Кохрана, Хартли и Бартлетта). Свойства, отклоняющиеся от нормального распределения и не имеющие равных дисперсий, были log-трансформированы. Далее был проведен двухфакторный дисперсионный анализ для оценки влияния на изученные свойства влажности почвы (3 варианта), наличия/отсутствия V. vitis-idaea (2 варианта) и взаимодействия этих факторов. Влияние факторов и их сочетания считалось значимым при P < 0.05. Если влияние фактора или сочетания факторов было значимым, использовали тест Фишера для оценки значимости воздействия присутствия или отсутствия V. vitis-idaea на почвенные свойства для каждого объекта. Аналогично оценивали влияние изменения влажности почвы в вариантах контроль и брусника.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Горно-луговая почва АЛП характеризуется кислой реакцией среды, высоким содержанием C_микр, N_микр и C_орг, преобладанием органических соединений в составе N_экстр и преобладанием N‒${\text{NH}}_{4}^{ + }$ в составе неорганических соединений азота, низким содержанием P_мин. Эти свойства почвы исследованных участков являются типичными для АЛП [4, 7].

Большинство изученных свойств почвы испытывают значимое влияние присутствия V. vitis-idaea, изменяющейся влажности и сочетания этих факторов (табл. 1).

Кислотность почвы. Это единственное из изученных свойств, которое значимо изменяется при наличии V. vitis-idaea в составе фитоценоза вне зависимости от влажности (рис. 1). Повышение кислотности в почве под брусникой соответствует результату нашего предыдущего исследования [4] и представлению о том, что наземный и подземный опад вересковых кустарничков способствует формированию кислых продуктов при его трансформации [17]. Кроме того, ЭРМ грибы выделяют в почву органические соединения кислотной природы [25]. При этом изменение влажности почвы в вариантах “контроль” и “брусника” не оказывает влияние кислотность.

Рис. 1.

Свойства горно-луговой почвы альпийской лишайниковой пустоши (среднее и стандартное отклонение). Здесь и на рис. 2: черный кружок, сплошная линия тренда ‒ при отсутствии Vaccinium vitis-idaea в составе фитоценоза; белый кружок, пунктирная линия тренда ‒ при наличии V. vitis-idaea (1, 2 и 3 – объекты с влажностью почвы 15, 21 и 27% соответственно). Символ * показывает значимое различие между вариантами контроль и брусника при фиксированной влажности. Одинаковые буквенные индексы показывают отсутствие значимых различий при разной влажности почвы в варианте контроль (прописные) и брусника (строчные).

Содержание неорганических форм азота и фосфора и активности N-минерализации и нитрификации. Концентрации N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и N–${\text{NO}}_{3}^{--},$ несмотря на то, что различаются в почве АЛП на порядок [5], демонстрируют схожие закономерности изменения под влиянием V. vitis-idaea и влажности. При низкой влажности они не отличаются в почве вариантов “контроль” и “брусника”, но при ее повышении оказываются значимо меньшими в присутствии брусники. Определяется такая динамика отсутствием влияния влажности на содержание N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и N–${\text{NO}}_{3}^{--}$ в почве при наличии V. vitis-idaea и повышением их концентраций в почве контрольного варианта с ростом влажности (рис. 1).

Такая же закономерность характерна для активностей N-минерализации и нитрификации. В целом, при очень низких показателях (вплоть до отрицательных значений N-минерализации) наблюдается их повышение в почве контрольного варианта и значимое превышение над вариантом брусника при высокой влажности (рис. 2). Известно, что растения, образующие АРМ, произрастают на почвах, более обеспеченных неорганическими соединениями азота [3, 20]. Такая закономерность интерпретируется как преимущественная специализация АРМ грибов на поглощении N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и N–${\text{NO}}_{3}^{--}$ [30] или же свидетельствует о незначительном вкладе АРМ симбиоза в азотное питание растений [8, 31]. Одновременно показано, что АРМ грибы могут косвенно влиять на процессы трансформации органического вещества и азотсодержащих соединений, воздействуя на комплекс свободноживущих микроорганизмов [23]. Однако оказывается, что трансформация соединений азота (особенно нитрификация) изменяется при разной увлажненности почвы АЛП под АРМ растениями, тогда как при наличии V. vitis-idaea эти показатели демонстрируют устойчивость. Такой результат соответствует данным о том, что биологическая активность почв (дыхание) под АРМ растениями в большей степени реагирует на изменение влажности, тогда как под ЭКМ растениями (больше соответствуют ЭРМ по активности экзоферментов) температура оказывается более важным фактором [35].

Рис. 2.

Биологические свойства и биологическая активность горно-луговой почвы альпийской лишайниковой пустоши.

Концентрация P_мин в почве низкая, что характерно для почвы АЛП, и не показала значимой реакции на присутствие V. vitis-idaea в составе фитоценоза или на изменение влажности. Тенденция к появлению разницы между вариантами “контроль” и “брусника” (больше P_мин в почве под V. vitis-idaea) отмечена только при снижении влажности почвы (рис. 1). Ранее была показана более выраженная мобилизация P_мин в почве под растениями с ЭРМ и ЭКМ, что соответствовало большей кислотности почвы и активности фосфатазы [4, 6].

Углерод и азот экстрагируемого органического вещества. Концентрации C_орг и N_орг в присутствие V. vitis-idaea не изменяются при изменении влажности, тогда как в почве контрольного варианта они уменьшаются с повышением влажности. В результате при низкой влажности они также, как и в случае неорганических форм азота, не отличаются в почве вариантов контроль и брусника, но с увеличением влажности концентрации C_орг и N_орг под V. vitis-idaea становятся значимо бóльшими. В противоположность этому, в тепличном эксперименте было показано, что повышенное выделение в почву экссудатов при снижении влажности почвы было характерно для растений с ЭКМ микоризой, но не для АРМ [19].

Концентрация элементов экстрагируемого органического вещества в почве регулируется многими факторами, включая влияние микоризных грибов. В теории такое влияние может проявляться как в повышении концентрации C_орг и N_орг в почве с ЭКМ и ЭРМ растениями за счет деполимеризации органического вещества под действием гидролитических ферментов [16, 36] или выделения большего количества органического вещества через микоризу [25], так и, напротив, в закреплении C и N в составе стабильного органического вещества за счет продуцирования большого количества полифенолов и формирования полифенол-белковых комплексов [11, 17, 20]. В экспериментальных исследованиях также было показано, как наличие эффекта мобилизации органического вещества под влиянием растений с ЭКМ и ЭРМ [4, 6], так и его отсутствие или даже уменьшение концентрации С_орг [6, 20].

Микробная биомасса и биологическая активность. Концентрации С_микр и N_микр в почве являются достаточно устойчивыми показателями, которые согласно результату двухфакторного дисперсионного анализа в наименьшей степени реагируют на появление ЭРМ-симбиоза на АЛП или на изменение влажности почвы. Ранее мы показали на примере почвы АЛП [4] и почвы тундрового луга в Хибинах [6], что концентрация С_микр под травами и вересковыми кустарничками не отличалась, но N_микр и соотношение С/N в микробной биомассе двух изученных почв демонстрировали разнонаправленные изменения. Соотношение С_микр/N_микр – это один из немногих показателей, который изменяется в почве под V. vitis-idaea в большей степени, чем в отсутствие кустарничка. Его увеличение при повышении влажности приводит к значимому превышению над соответствующим соотношением в почве контрольного варианта (рис. 2), но причина такого различия пока не очевидна. Большее соотношение C/N в микробной биомассе в присутствии растений с ЭРМ и ЭКМ было получено нами и для почвы тундрового луга в Хибинах, где мы предположительно связали это с изменением структуры микробного сообщества [6].

Базальное дыхание, подобно микробной биомассе, демонстрирует стабильность при изменении влажности в почве под V. vitis-idaea и повышается с ростом влажности почвы контрольного варианта. Результатом такой динамики является значимое превышение БД и qСО₂ в почве с V. vitis-idaea при низкой влажности.

Таким образом, для С_микр и N_микр, как и для других свойств почвы, характеризующих биологическую активность, связанную с функционированием живых клеток (N-минерализация, нитрификация, базальное дыхание), и результат такой активности (концентрации N–${\text{NH}}_{4}^{ + }$ и N–${\text{NO}}_{3}^{--}$), характерно постоянство при изменении влажности в варианте с V. vitis-idaea и увеличение при повышении влажности почвы в контрольном варианте. Этот результат свидетельствует о большей чувствительности микробного сообщества почвы под АРМ растениями к доступности воды и соответствует ранее полученным данным по реакции биологической активности почв биогеоценозов с доминированием растений, образующих АРМ, на количество атмосферных осадков [35].

Ферментативная активность. Активности всех изученных ферментов демонстрируют схожие закономерности. Они достаточно стабильны при изменении влажности почвы в варианте брусника (лишь активность глюкозидазы возрастает с увеличением влажности) и уменьшаются с ростом влажности при отсутствии V. vitis-idaea в составе фитоценоза (рис. 2). В результате активности глюкозидазы, хитиназы и фосфатазы значимо выше в почве с V. vitis-idaea при высокой влажности. Это соответствует значимому росту концентраций C_орг и N_орг, вероятно, в результате воздействия ферментов (глюкозидазы и хитиназы) на высокомолекулярные компоненты органического вещества с продуцированием небольших, более биогеохимически подвижных (легкоэкстрагируемых) молекул [4]. В то же время, хотя наблюдается общая тенденция изменения в почве контрольного варианта при разной влажности активностей глюкозидазы, хитиназы и лейцинаминопептидазы, с одной стороны, и концентраций C_орг и N_орг, с другой, повышение активностей этих ферментов при низкой влажности не сопровождается ростом концентраций C_орг и N_орг. Также и динамика активности фосфатазы не соответствует динамике P_мин в почве. Ранее нами было обнаружено повышение концентрации P_мин в почвах под кустарничками, образующими ЭРМ [4, 6], но это не сопровождалось увеличением соотношения C/P в экстрагируемом органическом веществе при росте фосфатазной активности [6]. Возможно, подобные несоответствия связаны с некорректностью прямого сопоставления динамики изученных минеральных и органических фракций фосфора в силу их разной биогеохимической лабильности.

Таким образом, результаты исследования лишь частично подтверждают мнение о большей активности экзоферментов ЭРМ, которая проявляется только при повышенном увлажнении почвы АЛП, но происходит это скорее в результате уменьшения активности соответствующих ферментов в почве в отсутствие V. vitis-idaea. При снижении влажности почвы активность ферментов под травяной растительностью, напротив, возрастает. Реакция ферментной системы микоризы на изменение влажности почвы может быть следствием адаптации для обеспечения микробной активности и питания растений в неблагоприятных засушливых условиях. Однако в противоположность нашему результату, данные, полученные в условиях тепличного эксперимента, демонстрировали, что снижение влажности почвы сопровождалось меньшим откликом продукции экссудатов растениями, образующими АРМ [19]. Примечательным фактом явилось то, что биологические (микробная биомасса, трансформация соединений азота, дыхание) и биохимические (активность экзоферментов) свойства почвы меняются разнонаправлено при изменении влажности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кислотность почвы АЛП повышается в присутствии V. vitis-idaea в составе фитоценоза. Динамика других изученных свойств более сложна и определяется как наличием V. vitis-idaea, так и влажностью почвы. Более стабильные показатели содержания лабильных форм C и N, биологической и ферментативной активности в почве под V. vitis-idaea при изменении влажности свидетельствуют о меньшей чувствительности ЭРМ грибов и ассоциированного с ЭРМ сапротрофного микробного сообщества к доступности почвенной влаги. Меньшие концентрации N–${\text{NH}}_{4}^{ + },$ N–${\text{NO}}_{3}^{--}$ и меньшие активности N-минерализации и нитрификации в почве под V. vitis-idaea при высокой влажности демонстрирует меньшую зависимость растения от минеральных соединений в азотном питании. Под травяной растительностью при уменьшении влажности почвы снижаются концентрации неорганических соединений азота и активности процессов N-минерализации и нитрификации, а также микробная биомасса и базальное дыхание почвы. Одновременно концентрации лабильных органических соединений углерода, азота и активности экзоферментов повышаются, свидетельствуя о сдвиге трансформации органического вещества от минерализации к деполимеризации, больше характерной для экосистем с доминированием ЭКМ и ЭРМ. Это обстоятельство следует принимать во внимание при прогнозе изменения функционирования альпийских экосистем в связи с наблюдающейся тенденцией повышения участия кустарничков и кустарников в составе фитоценозов альпийских лугов и уменьшения количества атмосферных осадков теплого периода при прогнозируемом росте числа и интенсивности засух в горных регионах.