Содержание к диссертации
Введение
CLASS ГЛАВА I. Физико-географические условия района работ и описание объектов исследования CLASS 7
1.1. Географическое положение и рельеф 7
1.2. Климат .' 10
1.3. Геология и почвы 11
1.4. Классификация высокогорной растительности 15
1.4.1. Выделение поясов 15
1.4.2. Основные типы растительности альпийского пояса 16
1.4.3. Альпийские лишайниковые пустоши 17
1.4.4. Пестроовсяницевые луга 17
1.4.5. Гераниево-копеечниковые луга 18
1.4.6. Альпийские ковры 19
ГЛАВА II. Микробные процессы образования и поглощения парниковых газов в почвах 21
2.1. Дыхание почвы 21
2.2. Процесс денитрификации 22
2.3. Образование метана 25
ГЛАВА III. Циклы азота и углерода в альпийских сообществах 27
3.1. Фиксация молекулярного азота ; 27
3.2 Влияние температуры на процесс фиксации азота 31
3.3 Минерализация соединений азота 32
3.4 СОг и минерализация соединений азота 35
3.5 Влияние температуры на процесс минерализации азота 39
3.6 Влияние снежного покрова на процесс минерализации азота 40
3.7 Денитрификация и минерализация 42
ГЛАВА IV. Объекты и методы исследования 43
4.1. Общая характеристика образцов почв 43
4.2. Методы учета общей численности микроорганизмов 43
4.3 Методы определения биологической активности почвы 45
4.3.1 Полевые методы определения эмиссии парниковых газов 45
4,3.2. Определение потенциальной эмиссии парниковых газов 47
ГЛАВА V. Актуальная эмиссия парниковых газов из горно-луговой альпийской почвы 51
5.1. Температура 51
5.2. Эмиссия углекислого газа ; 54
5.3. Эмиссия метана '. 58
5.4. Фиксация молекулярного азота 62
5.5. Денитрификация 68
5.6 Сравнение результатов 71
ГЛАВА VI. Потенциальная биологическая активность горно-луговой альпийской почвы 72
6.1. Микробное дыхание 72
6.2. Эмиссия метана '. 76
6.3. Фиксация молекулярного азота 80
6.4. Денитрификация 85
6.5. Численность микроорганизмов 89
6.6. Схема перераспределения азота и углерода по катене 91
6.7. Сравнение результатов 93
Выводы 94
Литература 95
Приложения 109
- Географическое положение и рельеф
- Дыхание почвы
- Влияние температуры на процесс фиксации азота
- Методы учета общей численности микроорганизмов
Введение к работе
Актуальность темы: В настоящее время накоплен большой материал, характеризующий круговорот азота и углерода в тундровых, лесных, степных и пустынных экосистемах. В гораздо меньшей степени изучены особенности циклов этих элементов в горно-луговых сообществах (Онипченко, 1995).
Разнообразие растительного покрова в зоне высокогорных лугов связано с резкими различиями в экологических факторах, обусловленными мезорельефом территории. Сочетание гребней, склонов разной крутизны и экспозиции, западин на склонах и выположенных участков у их подножий определяет, прежде всего, неравномерное распределение атмосферных осадков между этими элементами рельефа и интенсивную геохимическую миграцию продуктов выветривания и почвообразования. Особое значение имеет разная интенсивность аккумуляции снежного покрова, которая не только контролирует условия влагообеспеченности, но и определяет различия в длительности вегетационного периода. Особенно резко эти различия проявляются в альпийском поясе, где на наветренных склонах снежный покров может полностью отсутствовать, а в цирках у подножия склонов его мощность может достигать 5 м и более. В бесснежных и малоснежных местообитаниях вегетация растений начинается уже в мае, тогда как в местах наибольшей аккумуляции снежный покров сходит только в июле, а вегетационный период не превышает двух месяцев (Вертелина с соавт., 1996).
Отличительной особенностью высокогорных почв является аккумуляция большого количества углерода и азота в составе относительно слабогумифицированного органического вещества. Основная причина, определяющая эту особенность горно-луговых почв, заключается в том, что активность микробных процессов в экстремальных условиях высокогорий невысока (резкие колебания температуры, короткий вегетационный период и высокая кислотность почвы определяют медленную минерализацию органических соединений и лимитируют нитрификацию). Некоторые исследователи (Павлов, 1990) считают что, несмотря на большое содержание органического вещества, именно азот играет ярко выраженную определяющую роль в обеспечении продуктивности альпийских фитоценозов. Считается, что активность азотфиксации в альпийских почвах не может быть высокой из-за обычного отсутствия в альпийских фитоценозах симбиотических азотфиксаторов, например, ольхи, облепихи, характерных для лесных почв или бобовых растений (Онипченко, 2005). В этой связи возникает вопрос о том, за счет чего обеспечивается высокое разнообразие и продуктивность альпийских растительных сообществ, каков механизм, покрывающий дефицит азота в альпийских почвах. В этой связи особый интерес представляют исследования эталонных горно-луговых почв Тебердинского государственного заповедника. Следует отметить, что последнее исследование микробной трансформации азота и углерода в альпийских почвах хребта Малая Хатипара проводилось в 1989 г, что дает дополнительную возможность проследить за динамикой развития микробных сообществ в горно-луговых альпийских сообществах за последние 15 лет.
Целью диссертационной работы является изучение особенностей микробной трансформации азота и углерода в горио-луговой альпийской почве хребта Малая Хатипара на территории Тебердинского государственного заповедника под различными фитоценозами.
В задачи исследования входило:
Сравнить интенсивность трансформации органического вещества аэробными и анаэробными сообществами почвенных микроорганизмов (эмиссии С02 и метана) в горно-луговой альпийской почве под различными фитоценозами хребта Малая Хатипара.
Исследовать активность процессов азотфиксации и денитрификации в тех же фитоценозах.
3. Определить общую численность микроорганизмов, численность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий.
Научная новизна. Обнаружена повышенная активность фиксации молекулярного азота из атмосферы в альпийских лишайниковых пустошах, расположенных в верхней части склона хребта Малая Хатипара, за счет азотфиксирующего симбионта лишайников и высокого уровня симбиотической азотфиксации, благодаря развитию на этой территории особого вида клевера (Trifolium polyphyllum), встречающегося исключительно в альпийских сообществах. Впервые показано, что альпийские лишайниковые пустоши играют определяющую роль в обеспечении азотом остальных альпийских сообществ, расположенных ниже в геохимической катене. В альпийских коврах, аккумулирующих влагу и минеральный азот была отмечена наибольшая активность денитрификации и метано образования. Сделан вывод о том, что наиболее важным фактором, определяющим процессы микробной трансформации азота и углерода в горно-луговых почвах является тип растительного сообщества и его положение в биогеохимической катене.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть взяты за основу при разработке систем рационального использования и устойчивого развития альпийских экосистем. Обнаруженные особенности круговорота азота и углерода в альпийских сообществах применимы для оценки циклов азота и углерода в других экстремальных экосистемах, например, в тундрах, арктических и антарктических зонах. Полученные данные включены в курсы лекций, читаемые на факультете почвоведения Московского государственного университета. б Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. А.Л. Степанову, сотруднику кафедры геоботаники биологического факультета Московского университета д.б.н. В.Г. Онипченко, сотруднику кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ М.И. Макарову, профессорам Д.Г. Звягинцеву и М.М. Умарову, сотрудникам кафедры биологии почв.
Географическое положение и рельеф
Стационарные участки альпийских фитоценозов, на которых проводился основной комплекс исследований, располагались на северо-восточных отрогах хребта Малая Хатипара в Тебердинском Государственном заповеднике (Карачаевский район Карачаево-Черкесской республики). Географические координаты 4727 с.ш., 4141 в.д..
Хребет Хатипара принадлежит к северным отрогам Бокового хребта в системе Большого Кавказа. Стационарные участки удалены от Главного хребта на 22 км.
Расположенные в северной части заповедника хребты практически лишены современного оледенения, их верхние части выположены покровным плейстоценовым оледенением. На склонах хребтов обычны кары, свидетельствующие о существовании мелких висячих ледников в недалеком прошлом (Тушинский, 1957). Многие склоны изрезаны современными лавииостоками и ручьями, однако, эрозионные процессы в районе исследований мало развиты в связи с хорошим развитием сомкнутых альпийских фитоценозов.
Стационарные площадки располагались на различных элементах мезорельефа в пределах днища и склонов цирка, возможно представляющего собой реликтовое образование карового ледника, в интервале абсолютных высот 2650-2800 м. На рис. 1 представлена схема расположения основных типов альпийских сообществ по элементам мезорельефа, а в таблице 1 даны некоторые характеристики стационарных площадок.
При геоботаническом районировании территории Кавказа, как и других горных стран, большинство исследователей, придерживается секторального принципа, когда районирование проводится с учетом всей высотной колонки поясов растительности (Сохадзе, 1979; Огуреева, 1980). Район наших работ Е.В. Шифферс (1953) относит к Эльбрусской подпровинции Северо-Кавказской провинции. Т.И. Исаченко и Е.М. Лавренко (1980) рассматривают Северный Кавказ в качестве подпровинции в пределах Евксинской провинции, относящейся к Европейской широколиственной лесной области. Наиболее подробное геоботаническое районирование предложено И.И. Тумаджановым (1963). По его схеме район наших работ располагается на границе Тебердинского и Джамагато-Мухинского районов Лабинско-Тебердинского округа. Ряд авторов рассматривают высокогорные области в качестве самостоятельных единиц районирования. Так, А.Г. Долуханов (1966) выделяет провинцию большого Кавказа в области высокогорной растительности Западной Евразии, а А.Л. Харадзе (1966) разделяет высокогорную провинцию Большого Кавказа на пять подпровинций. По ее схеме район наших работ относится к Западно-Кавказскому округу высокогорной подпровинций осевой части Большого Кавказа.
Климат альпийского пояса характеризовали двумя способами: используя данные ближайшей метеостанции Гидрометслужбы (станция «Теберда» расположена на 1328 м абсолютной высоты, в 5 километрах к востоку от исследуемых участков), а также данные метеопункта Тебердинского заповедника «Луг 5» (метеопункт расположен на высоте 2750 м на соседнем, восточном, гребне хребта Малая Хатипара приблизительно в километре от площадок), где в течение 17ти лет велись замеры температуры воздуха (в период с июня по сентябрь) и количества осадков. Наблюдения проводились в стационарных метеобудках на высоте двух метров.
Альпийский пояс хребта Малая Хатипара характеризуется низкими температурами (среднегодовая температура -1,2 С) и большим количеством осадков (за год выпадает около 1400 мм), что позволяет отнести его климат к горному климату умеренной зоны. Похожие типы климата указываются для высокогорных станций в Альпах - Сантис (2500 м), Цугшпитце (2962 м) и Вайсфлуях (2667 м) (Walter et al., 1975), а также для пика Вашингтон (1917 м) вблизи Атлантического побережья США.
Несмотря на довольно значительное увлажнение (осадки превышают испаряемость, индекс увлажнения Высоцкого-Иванова больше единицы), застоя воды обычно не наблюдается в связи с хорошим дренажом и высокой испаряемостью, обусловленной низким атмосферным давлением, сильными ветрами и высокой инсоляцией. Боковой сток обычно происходит на глубине, превышающей мощность почвенного профиля. Наиболее теплые месяцы - июль и август, средние температуры воздуха для которых составляют соответственно +7,90 и +8,3С.
Дыхание почвы
Интенсивность эмиссии углекислого газа из почвы является одним из важнейших показателей ее биологической активности.
Эмиссия С02 почвой определяется дыханием почвенных микроорганизмов, животных и корней растений. Деятельность гетеротрофных микроорганизмов, минерализующих почвенное органическое вещество, привносит около 70% эмиссии С02 почвы. Общий поток СОг из почвы главным образом зависит от ее биологический активности и состоит из нескольких составляющих (рис. 2): 1. микробного разложения корневых выделений и остатков корней; 2. корневого дыхания растений; 3. микробного разложения гумусовых веществ; 4. дополнительного микробного разложения гумуса за счет повышенной активности микроорганизмов в ризосфере.
Корневые выделения, остатки корней и, собственно, растений разлагаются широким спектром микроорганизмов - почвенными грибами и бактериями. В верхних слоях почвы, где достаточно кислорода, процесс разложения растительных остатков в первую очередь осуществляется микроорганизмами, обладающими гидролитическими ферментами. Микробные превращения полимеров проходят до стадии образования углекислого газа, который в дальнейшем поступает в атмосферу. То немногое, что остается после гидролитиков, поступает в распоряжение олиготрофных микроорганизмов, собирающих полимеры из среды и завершающих их переработку (Chapin, 1975). В анаэробных условиях главными продуктами переработки остатков растений становятся жирные кислоты и молекулярный водород, который далее вовлекается различными бактериями в их метаболические пути, например, метаногены используют его для восстановления диоксида углерода до метана.
Что касается жирных кислот, то эти соединения используются вторичными анаэробами как источники углерода и энергии при восстановлении неорганических акцепторов электрона, в результате чего в атмосферы поступают такие газы как метан, углекислый газ, водород, сероводород, закись азота и другие.
Денитрификация - это последнее звено в цикле азота, в котором связанный азот возвращается в атмосферу в виде молекулярного азота N2. Многие микроорганизмы могут использовать Ж)з в качестве основного акцептора электронов для получения энергии при разложении органического вещества, когда низкая концентрация 02 ограничивает их аэробный метаболизм (гетеротрофная денитрификация): 5(CH20) + 4N03" + 4ЇҐ - 5С02 + 7Н20 + 2N2 + энергия
Некоторые микроорганизмы получают энергию используя N03 для окисления неорганических соединений, например S2", Fe""1 (автотрофная денитрификация). Это происходит, когда N03 проникает в зоны с высоким содержанием FeS, например при седиментации в поверхностном стоке (Zumft 1997). Однако, гетеротрофная денитрификация наиболее важна как источник N2O: N03"- NO2" -»- NO - N20 - N2
Высказывались некоторые сомнения по поводу того, является NO промежуточным или побочным продуктом (Amundson & Davison 1990), но позже была открыта бактериальная редуктаза окиси азота: Pseudomonas stutzeri теряла способность к денитрификации, когда блокировали гены отвечающие за синтез этого фермента (Braun & Zumft 1991). Участие N20 в денитрификации было подтверждено множеством работ (Zumft & Kroneck 1990; Rosch et al. 2002). N20 восстанавливается в N2 при участии фермента редуктазы закиси азота (Stouthamer 1988).
В зависимости от условий, промежуточные продукты денитрификации могут аккумулироваться или удаляться. Большинство почвенных бактерий обладают способностью к денитрификации, однако денитрифицирующие бактерии осуществляют ряд неполных путей восстановления: некоторые бактерии продуцируют только N2, в то время как другие выделяют смесь N20 и N2, а третьи - только N20 (Zumft 1997; Ren et al 2000; Rosch et al. 2002). Скорость денитрификации обычно довольно низка в условиях с преимущественным образованием N20 по отношению к N2 (например, при низкой температуре, низком рН, присутствии 02). Таким образом, N20 является основным продуктом реакции в условиях неблагоприятных для денитрификации. Но это вовсе не означает, что эмиссия увеличивается в этих условиях, наоборот, общее количество продукта может быть меньше.
Несмотря на то, что большинство денитрификаторов образуют закись азота (N20) в анаэробных условиях, в последнее время были выделены денитрификаторы, образующие N20 аэробно (Takaya et al., 2003). Штаммы бактерий Pseudomonas stutzeri и Paracoccus denitrificans восстанавливали нитрат (N03") в N2 со скоростью 0,9 и 0,03 мкмоль мин"1, при этом молекулярного азота не выделялось.
Некоторые микроорганизмы восстанавливают N03 в NH4h- Они используют N для наращивания биомассы (ассимиляционная редукция), но этот процесс может также служить другим целям (диссимиляционная редукция), например как источник энергии или для детоксикации N02 При протекании этого процесса может выделяться N2O (Zumft 1997; Ren et al 2000; Rosch et al. 2002).
Влияние температуры на процесс фиксации азота
Исследователи Render и Schafer (1978) показали на кислых почвах альпийской зоны, что скорость минерализации азота небольшая. Исследователи пришли к выводу, что основным фактором, оказывающим влияние на несимбиотическую азотфиксацию, является температура почвы, так как: скорость процесса увеличилась при переносе изучаемых образцов из поля в лабораторию.
Некоторые исследователи полагают, что помимо температуры, главнейшими абиотическими факторами, оказывающими влияние на скорость азотфиксации in situ являются влажность и солнечная радиация (Alexander et aL, 1978). В альпийских тундровых системах на Аляске активность процесса была максимальной в низменных влажных районах, таких как полигонные равнины и марши с травами и мхами в качестве преобладающей растительности. В сухих районах, таких, как приподнятые полигоны с доминированием трав и лишайников, обычно отмечалась наименьшая скорость фиксации азота (Alexander et а!., 1978).
Австрийские исследователи также полагают, что в альпийских сообществах с доминирующим растением Carex curvula главным фактором, лимитирующим несимбиотическую нитрогеназную активность, является почвенная температура (Henry, Svoboda, 1986). Свои результаты они объясняют тем, что скорость восстановления ацетилена в лабораторных условиях была выше, чем при полевых измерениях. Такие же результаты были получены Базилье (Basillier, Granhall, 1978) для субарктических болот.
Нижний температурный предел, при котором микроорганизмы тундры способны осуществлять фиксацию азота находится между +5 и 0 по Цельсию, а максимальной скорости фиксация молекулярного азота достигает в температурном диапазоне 15-20С (Alexander, 1974). Knowles и Denike (1974) показали, что нитрогеназа очень чувствительна к присутствию в неокультуреннои почве даже незначительных количеств неорганического азота (аммония и нитратов).
Чистая минерализация азота представляет собой равновесие между ключевыми процессами полной минерализации и поглощения аммония почвой и иммобилизацией его в биомассе деструкторов. В большинстве арктических систем самая распространенная форма минерального азота это аммоний, но в почвах высокоширотных арктических сообществ с нейтральным/щелочным рН азот может находиться в форме нитратов. Для цикла азота в тундрах также очень важны простые органические формы азота, такие как аминокислоты. Минерализация азота четко регулируется низкой температурой почвы, высокой или низкой влажностью почвы и качеством органического вещества (трудно разлагаемо). Поток азота из почв арктических систем широко варьируется, несмотря на меньшую скорость минерализации по сравнению с умеренными зонами (Nadelhoffer et al, 1992). Сезонные вариации доступности азота тоже очевидны. Экстрагируемый аммоний в органических почвах был выше сразу после оттаивания почвы и прямо перед замерзанием почвы осенью, чем в межсезонье. Несмотря на присутствие большого количества неорганического азота в почвенном растворе при оттаивании почвы, минерализация соединений азота в арктических системах зимой может играть большую роль в годовой минерализации азота, чем считалось ранее, так как Kielland and Schimel (Schimel, Kielland, 1995) показали в лаборатории, что минерализация соединений азота в почвах тундры и тайги идет при -2 и при-5С. В некоторых арктических системах, особенно в почвах с высоким рН, протекает процесс нитрификации, хотя аммоний является наиболее распространенным неорганическим соединением азота в холодных и влажных почвах тундры.
Методы учета общей численности микроорганизмов
Измеряя скорость процесса денитрификации в альпийских сообществах, Браун с соавторами (1990) отметил, что максимальная скорость процесса наблюдалась непосредственно после дождя. То есть в июле, когда почва была сухая, и в мае, когда почва еще не оттаяла, активность денитрификации была наименьшей. Брукс и Вильяме (1995) показали, что эмиссия закиси азота под снежным сезонным покровом в альпийских сообществах может равняться и даже превосходить эмиссию закиси азота в течение бесснежного сезона. Вильяме (1993) предположил, что альпийские бассейны могут служить индикаторами насыщения азотом для расположенных ниже лесных бассейнов. Определение "насыщения азотом" было дано Стоддартом (1994) - ситуация, когда приток азотистых компонентов из атмосферы превышает потребность в этих компонентах со стороны растений. В альпийских системах, возможно, из-за комбинации пульсирующего снеготаяния, короткого вегетационного периода и редкой растительности, никогда не будет достаточного потребления азота, чтобы предотвратить появление азота в водных экосистемах.
При сравнении почв лесных альпийских пастбищ и почв открытых альпийских пастбищ выяснилось, что в почвах открытых пастбищ микробной биомассы больше и потенциальная минерализация проходит быстрее, но полевые измерения показали, что минерализация проходит медленнее. Самые значительные потери азота через денитрификацию были отмечены в почвах лесных пастбищ. Скорость денитрификации в почвах открытых альпийских пастбищ была меньше по сравнению с пастбищами на равнинах. В почвах новых пастбищ скорость микробной трансформации азота была сопоставима со скоростью трансформации в устоявшихся пастбищах, что показывает способность почв быстро восстанавливать свой внутренний азотный цикл после сведения лесов.
Сведение лесов (и, скорее всего, любой растительности) может привести к увеличению потерь азота посредством денитрификации и вымывания нитратов. Выброс закиси азота в атмосферу вносит свой вклад - как в глобальное потепление климата, так и разрушение озонового слоя в стратосфере. В альпийских системах, находящихся в понижениях рельефа, могут наблюдаться существенные потери азота, размеры которых зависят от содержания влаги в почве, доступности органического вещества и нитратов, а также от применения удобрений. Почвы альпийских систем на открытых участках обычно хорошо насыщены водой, в них создаются условия, благоприятные для денитрификации и выноса растворимых соединений азота. Также в открытых системах важным фактором влияния на азотный баланс является потребление соединений азота растительностью и микроорганизмами, так как такие альпийские почвы обычно содержат много корней, и микробная биомасса в них также высока.
Если сравнивать лесные пастбища и открытые альпийские пастбища, то процесс денитрификации интенсивнее идет в почве под лесом. Измерения нитрификации показали, что этот процесс играет очень незначительную роль в поступлении закиси азота в атмосферу (Hackl et al, 2000). В почвах открытых систем скорость денитрификации была ниже, чем в почвах под травянистыми экосистемами.
По данным Brooks et al (1996), почвенное дыхание было зафиксировано в альпийских почвах сразу после начала оттаивания почв под сезонным снежным покровом, несмотря на то, что температура почв была ниже 0. Эти же исследователи показали нестабильность поступления в почвы неорганического азота и предположили наличие в почве его потенциально подвижных запасов, а также сделали вывод, что любое подавление денитрификации в альпийских почвах хребта Niwot Ridge частично перекрывается высокой доступностью субстрата. Активность денитрификации была зафиксирована при температурах около -А0С.
