Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Азот в почвах и растениях экосистем холодного климата
1.1. Особенности процессов трансформации соединений азота в экосистемах холодного климата 11
1.1.1. Азотфиксация 12
1.1.2. Аммонификация и нитрификация 15
1.1.3. Денитрификация 20
1.2. Особенности растений альпийских фитоценозов... 22
1.2.1. Приспособленность альпийских растений к условиям существования 22
1.2.2. Азот в растительных тканях 27
Глава 2. Естественное содержание изотопа 15N в почвах и растениях
2.1. Изотопный состав природных объектов; способы его выражения и методы определения 31
2.2. Изотопы азота 34
2.2.1. Изотопный состав азота почв 37
2.2.1.1. Общий азот почвы 37
2.2.1.2. Азот неорганических соединений почвы... 40
2.2.1.3. Азот микробной биомассы 43
2.2.1.4. Влияние удобрений на естественный изотопный состав азота почв 44
2.2.1.5. Изотопный состав азота и активность процессов азотного цикла 45
2.2.2. Изотопный состав азота растений 47
Глава 3. Объекты и методы исследования
3.1. Общая характеристика района исследования 55
3.1.1. Географическое положение. Рельеф 55
3.1.2. Климат 56
3.2. Объекты исследования 58
3.2.1. Растительные сообщества 58
3.2.2. Почвы 65
3.3. Методы исследования 72
3.3.1. Подвижный азот в альпийских почвах 72
3.3.2. Процессы минерализации органических соединений азота и нитрификации 73
3.3.3. Изотопный состав азота почв 74
3.3.4. Азот в надземной фитомассе альпийских сообществ 76
3.3.5. Азот и его изотопный состав в листьях альпийских растений 77
3.3.5.1. Взаимосвязь между концентрацией азота в листьях и его изотопным составом... 77
3.3.5.2. Зависимость изотопного состава азота листьев растений от источника питания 78
3.3.5.2.1. Полевой эксперимент 78
3.3.5.2.2. Лабораторный вегетационный эксперимент 79
Глава 4. Результаты и обсуждение
4.1. Азот и процессы его трансформации в горно луговых альпийских почвах 83
4.1.1. Подвижный азот в горно-луговых альпийских почвах 83
4.1.2. Сезонная динамика содержания минеральных форм азота 87
4.1.3. Минерализация органических соединений азота и нитрификация 93
4.1.4. Сезонная динамика минерализации органических соединений азота и нитрификации... 96
4.2. Изотопный состав азота в горно-луговых альпийских почвах 105
4.2.1. Изотопный состав азота разных соединений почвы 105
4.2.2. Изменение изотопного состава при инкубации почв 108
4.3. Азот и его изотопный состав в альпийских растениях 112
4.3.1. Аккумуляция азота надземной фитомассой альпийских фитоценозов 112
4.3.2. Реакция альпийских фитоценозов на изменение условий питания 117
4.3.3. Динамика содержания азота и величины 8bN
в листьях альпийских растений 125
4.3.4. Концентрации азота величины 8 5N в листьях альпийских растений при дополнительном внесении разных минеральных форм азота в почву. 130
4.3.5. Фракционирование изотопов азота альпийскими растениями 136
Выводы 141
Список литературы 144
- Приспособленность альпийских растений к условиям существования
- Изотопный состав азота и активность процессов азотного цикла
- Процессы минерализации органических соединений азота и нитрификации
- Изотопный состав азота в горно-луговых альпийских почвах
Введение к работе
Актуальность темы
Из-за труднодоступности высокогорных районов альпийские экосистемы остаются относительно мало изученными, хотя ученые разных стран проявляют все возрастающий интерес к их исследованию (Владыченский, 1990; Гришина и др., 1993; Онипченко, 1995; Макаров и др., 1999; Глазовская М.А., 2005; Meurk, 1978; Marijnne, Bliss, 1980; Bowman et al., 1996; Brooks et al, 1996; Jacot et al, 2000; Bowman, Fisk, 2001; Freppaz et al., 2007 и др.). С одной стороны, такой интерес связан с тем, что высокогорные экосистемы остаются слабо подверженными локальному и региональному антропогенному влиянию, что предоставляет возможность изучать естественные природные процессы в условиях катастрофического сокращения распространения естественных экосистем. С другой стороны, изучение экосистем холодного климата, к которым относятся альпийские экосистемы, становится актуальным в связи с глобальными изменениями в биосфере, поскольку в таких экосистемах изменения в структуре и закономерностях функционирования проявляются наиболее резко (Шатворян, 1989; Bowman et al, 1995; Chapin et al, 1995; Fisk., Schmidt, 1996).
В прошлом веке начало стремительно меняться существовавшее длительное время динамическое равновесие в биосферном цикле азота (Умаров и др., 2007). Для изучения процессов азотного цикла в наши дни все более активно применяется метод естественных концентраций изотопа N. Опубликован ряд работ, касающихся характеристики изотопного состава азота разных компонентов естественных экосистем (Кореньков и др., 1989; Муравин и др., 2001; Ме-няйло, Хангейт, 2006; Feigin et al., 1974; Garten, 1993; Handley, Raven, 1992; Gebauer, Teylor, 1999; Gebauer, Meyer, 2003; Hobbie, Hobbie, 2008 и др.). Однако интерпретация результатов анализа изотопного состава природных объектов все еще представляет определенную сложность, поскольку он определяется совокупным действием разнонаправленных процессов фракционирования изотопов.
Цель работы
Изучение особенностей состояния азота в системе почва-растение и оценка применимости метода естественной концентрации изотопа N для характеристики процессов трансформации соединений азота в альпийских экосистемах Северо-Западного Кавказа.
Задачи исследования
Изучить содержание и сезонную динамику подвижных форм азота в горно-луговых почвах.
Изучить активности процессов минерализации органических соединений азота и нитрификации и их сезонную динамику.
Определить изотопный состав азота разных азотосодержащих соединений почвы и оценить его связь с процессами минерализации и нитрификации.
Оценить содержание азота в разных компонентах надземной фитомассы альпийских сообществ в зависимости от его доступности.
Исследовать взаимосвязь между изотопным составом азота листьев растений альпийских сообществ и источником азотного питания.
Научная новизна
Проведенные исследования характеризуют особенности состояния азота в системе почва-растение в четырех биогеоценозах альпийского пояса Тебер-динского государственного биосферного заповедника, занимающих около 80% его площади. Почвы детально охарактеризованы по содержанию и динамике подвижных форм азота, активностям процессов минерализации органических соединений азота и нитрификации и их динамике. Впервые в горно-луговых альпийских почвах Северо-Западного Кавказа определен изотопный состав отдельных фракций азота. Проанализирована связь между содержанием подвижных форм азота, процессами минерализации и нитрификации и концентрацией изотопа N в почвенном азоте и его отдельных фракциях. Показано, что содержание изотопа N в почвах является интегральной характеристикой интенсивности круговорота азота, а соотношение изотопов азота в разных компонентах экосистемы дает представление об интенсивности отдельных микробиологических процессов трансформации его соединений. Проанализирована связь между содержанием азота в листьях альпийских растений, величиной 8 N и изменением этих величин при изменении условий азотного питания. Показано, что изотопный состав листьев растений альпийского пояса в целом отражает изотопный состав источника азотного питания. Полученные результаты свидетельствуют о высоком потенциале метода естественных концентраций изотопа N для получения новых знаний о функционировании высокогорных экосистем.
Практическая значимость диссертации
Полученные результаты пополняют имеющиеся знания о состоянии азота в альпийских экосистемах, необходимые для понимания механизмов процессов, протекающих в естественных условиях. Данные о динамике содержания азота разных фракций и интенсивностях процессов трансформации азота в почве могут быть использованы для построения моделей и прогнозирования возможных изменений в экосистемах холодного климата при изменении внешних условий, что актуально в условиях постоянно растущей антропогенной нагрузки и глобального изменения климата.
Апробация диссертации
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI, XIII и XVI Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004, 2006, 2009» (Москва, 2004, 2006, 2009), IX и XII Докучаевских молодежных чтениях (Санкт-Петербург, 2006, 2009), II Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2009) и XVI школе «Экология и почвы. Роль абиотических факторов в почвообразовании» (Пущино, 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 статьи (из них 2 в рецензируемых журналах) и 6 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 163 страницах, включает 23 таблицы, 13 рисунков; состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 197 наименований (из них 144 на иностранных языках).
Автор выражает благодарность научному руководителю М.И. Макарову и коллективу кафедры общего почвоведения за оказанные внимание, поддержку и неоценимую помощь в работе, а также профессору кафедры геоботаники биологического факультета МГУ В.Г. Онипченко за предоставленную возможность работать на участках длительного эксперимента на высокогорном стационаре МГУ «Малая Хатипара».
Приспособленность альпийских растений к условиям существования
Альпийские растения произрастают в суровых условиях, среди которых можно назвать небольшую продолжительность вегетационного периода, резкие колебания температуры, низкое атмосферное давление, высокую инсоляцию в солнечные дни, низкую доступность элементов минерального питания и др. Возможность существования в экстремальных условиях внешней среды может достигаться тремя путями: за счет эволюционной адаптации, онтогенетических модификаций и приспособления или модуляции. Занимая свою экологическую нишу, растения альпийских фитоценозов имеют ряд адаптивных особенностей. Такими особенностями является относительно большой запас подземной биомассы, расположение корней, максимально эффективное потребление элементов минерального питания, наличие микоризы и т.д. (Кбгпег, 1999).
Большое количество корней, во-первых, увеличивает потенциальную возможность поглощения питательных веществ из почвы, во-вторых, является резервуаром питательных элементов, в-третьих, может обеспечивать вегетативное размножение растений. Основная масса корней растений, произрастающих в высокогорьях, располагается не глубже 10 см, т. е. в наиболее благоприятных условиях, где почва прогревается наилучшим образом. При этом такое распределение корней связано не с видовыми особенностями растений, а с условиями произрастания (Holch et al., 1941).
Эффективное потребление элементов включает в себя три компонента: эффективное использование при фотосинтезе (определяется по отношению интенсивности фотосинтеза к содержанию элементов минерального питания в листьях); многократное использование элементов; большая продолжительность жизни листьев (Berendse, Aerts, 1987). Наибольшее значение в жизни альпийских растений должны иметь первые два компонента, поскольку продолжительность жизни листьев растений в высокогорье редко превышает 2-2,5 месяца.
Концентрация азота в тканях альпийских растений по сравнению с равнинными сравнительно высокая (Кбгпег, 1989; Bowman et al., 1993), а фотосинтетическая активность равнинных и горных видов приблизительно одинакова. Таким образом, эффективность фотосинтеза в высокогорных фитоценозах оценивается как относительно низкая. Вероятно, поддержание высокой концентрации азота, равно как и фосфора, в листьях альпийских растений связано с необходимостью поддержания высокой активности участвующих в фотосинтезе ферментов, что и обеспечивает увеличение поступления С02 в листья при его низком парциальном давлении (Monson et. al., 2001).
Альпийские растения характеризуются достаточно высокой реутилизацией элементов минерального питания. Например, показано, что от 40 до 75% азота биомассы текущего сезона потенциально доступно для поддержания роста в течение следующего сезона (Bowman et al., 1995).
При низкой доступности азота и других элементов минерального питания важна роль микоризы. До 20% элементов минерального питания и азота, сосредотачиваемых в годовой продукции, могут поступать в растения через микоризу. Большинство видов альпийских растений образуют как минимум один тип микоризы (Monson et. al ., 2001). Например, в альпийском поясе Северо-Западного Кавказа микоризу образуют около 75% растений (Onipchenko, Zobel, 2000). С ее помощью растения могут усваивать аминокислоты, аминосахара, белки и даже хитин. Непосредственно крупные азотсодержащие полимеры не могут усваиваться ни корнями растений, ни грибами, однако многие микоризные грибы способны выделять разлагающие их компоненты (Hobbie, Hobbie, 2008). Общеизвестно, что питание растений осуществляется в основном за счет нитратов и аммония почвы с использованием различных ферментов его ассимиляции (Глянько, 1991). Однако в последнее время появляется все больше работ, указывающих на то, что в условиях дефицита доступных минеральных форм азота, значительную роль в питании растений экосистем холодного климата играет потребление низкомолекулярных органических соединений азота (Evans, 2001; Schmidt et al., 2002).
В альпийских экосистемах, как и в любых естественных экосистемах, существует баланс между потребностью и запасами элементов минерального питания. В условиях низкой доступности элементов минерального питания такой баланс поддерживается за счет жесткого контроля над активностью протекания процессов в меристематических тканях растений, поэтому многие растения высокогорий имеют карликовые формы. Многие альпийские растения формируют запас элементов минерального питания, который сосредоточен в подземных органах растения. Запас питательных элементов определяется как резерв, создаваемый с целью восполнения нехватки элементов, и формируется за счет поглощения питательных элементов из почвы или при их транслокации из отмирающих органов (Chapin et al., 1990). Существует две гипотезы, касающиеся целей формирования запаса элементов минерального питания. Одна из них объясняет его формирования необходимостью инициации роста в начале вегетационного сезона, когда почва еще недостаточно прогрета. Другая говорит о том, что ранней весной возникает жесткая конкуренция за почвенные ресурсы между высшими растениями и микроорганизмами. В связи с этим, растения в начале вегетационного периода используют преимущественно запасы элементов прошлого года, а их поглощение из почвы более активно происходит в середине вегетационного периода. Для проверки этих гипотез был проведен эксперимент, показавший, что микробная активность горных почв низкая и потребление ими азота составляет не более 4-7% от количества, запасаемого растениями (Jaeger et. al., 1999). Однако столь низкая иммобилизация азота микроорганизмами в почвах высокогорий весьма сомнительна. Например, в почвах альпийского пояса Тебердинского заповедника содержание N микробной биомассы составляет 64—85 мг/кг (Makarov et al., 2003), что в несколько раз превышает содержание в них обменного N-NH4 . В почвах горной тундры Швеции содержится от 2,3 до 5,4 г/м" N микробной биомассы, что в 10-13 раз больше содержания неорганических соединений N (Schmidt et al., 1999; Schmidt et al., 2002), а в тундровых почвах Скалистых гор Колорадо в период вегетации количество N микробной биомассы может достигать 5,9 г/м , что также сравнимо с содержанием минеральных форм N (Brooks, Williams, 1999). Большие запасы микробного N по сравнению с азотом фитоценоза отмечены и в арктических почвах (Jonasson et al., 1999).
Несмотря на все адаптивные механизмы, в некоторых работах говорится о лимитировании продуктивности высокогорных сообществ низкой доступностью элементов минерального питания (Шатворян, 1989; Bowman et al., 1993). В первую очередь, продуктивность альпийских сообществ лимитируется доступностью азота, а во вторую — доступностью фосфора (Bowman, Fisk 2001). Фактором, лимитирующим развитие альпийских фитоценозов, может являться скорость минерализации растительного опада, определяющая поступление доступных форм элементов минерального питания в почву (Онипченко, 1995).
Изотопный состав азота и активность процессов азотного цикла
Обогащенность изотопом 15N общего азота почвы и его отдельных фракций зависят от завершенности и интенсивности протекания процессов каждого звена азотного цикла, в ходе которых происходит фракционирование изотопов. Это позволяет использовать явление изотопного эффекта для оценки интенсивности и направленности процессов трансформации соединений азота, а величина 815N может служить интегральной характеристикой процессов, протекающих в естественных и агроэкосистемах (Кореньков и др., 1989).
Почвы экосистем с открытым азотным циклом, характеризующиеся высоким содержанием доступных форм азота, имеют относительно большие величины 815N, тогда как почвы экосистем с замедленным круговоротом элемента и с низким содержанием доступных форм азота характеризуются меньшими показателями. Это связано с тем, что в случае больших потерь азота (выщелачивание нитратов, газообразные потери и т.д.) происходит остаточное накопление тяжелого изотопа 15N. В частности высокая обогащенность почвы N ти пична для тропических лесов, где 81: N достигает 20%о, а ниже 10%о почти никогда не опускается. Средняя разница с почвами лесов умеренного климата составляет около 8%о. (Martinelli et al., 1999), а с почвами экосистем холодного климата еще выше (Меняйло, Хангейт, 2006).
Также обогащение азота почв изотопом 15N происходит в процессе гумификации; чем больше гумификация, тем больше величина SbN (Martinelli et al., 1999; Kramer et al., 2003). Величина 515N изменяется и при эволюционном развитии почв. Показано, что она ниже для почв и растительной биомассы экосистем, находящихся на ранней стадии сукцессионного развития, что, очевидно, связано с незавершенностью процессов гумификации (Iiobbie, Hobbie, 2008).
Изотопный состав азота растений начали изучать с 1955 г. Как правило, он отличается от изотопного состава азота почв, причем концентрация изотопа bN в растительных тканях ниже, чем в почве. Это связано с дискриминацией тяжелого изотопа в процессе азотного питания. Однако в рамках одного сообщества отдельные виды по величине 515N могут отличаться достаточно существенно, хотя эта разница редко превышает 10%о (Handley, Scrimgeour, 1997; Evans, 2001). Такие различия свидетельствует о том, что изотопный состав растительных тканей в значительной степени определяется биологическими особенностями вида. Основными факторами, влияющими на содержание изотопа 15N в растении, являются различия в источнике азотного питания (предпочтительное поглощение нитратов, аммония, азота органических соединений, поступление азота в результате азотфиксации), фракционирование изотопов в процессе поглощения и ассимиляции и микоризный статус растения (Hogberg, 1997; Emmerton et al., 2001).
Различия в величине 815N источника питания для видов одного сообщества могут быть связаны с разной глубиной залегания корней, поскольку с глубиной меняется изотопный состав азота почвы (Nadelhoffer ef al., 1996). Однако в настоящее время нет убедительных экспериментальных данных, подтверждающих зависимость изотопного состава растений от глубины проникновения корневой системы (Макаров, 2009).
Разные растительные формы отличаются по среднему содержанию изотопа bN, располагаясь в следующей последовательности: однолетние травы многолетние травы кустарники деревья (Кореньков, Безвершенко, 1988). В этом же ряду уменьшается и концентрация азота. Также содержание l3N уменьшается с возрастом растений в целом или с возрастом листьев (Evans, 2001; Teixeira et al., 2006). С возрастом растений обычно уменьшается и концентрация азота в их тканях. На прямую зависимость между концентрацией азота и содержанием i:)N, указывают и другие исследователи, т.е., чем выше концентрация азота в листьях, тем больше величина 8 N. Такая зависимость связывается с тем, что при более высоких концентрациях азота потребляется большая доля его доступных соединений и фракционирование изотопов выражено в меньшей степени, тогда как при меньшей концентрации потребляется меньшая доля и фракционирование изотопов более значительно (Martinelli et al., 1999).
Различаться по концентрации 15N могут и отдельные органы одного растения, хотя эти различия невелики и обычно не превышают 2-3%о. Содержание тяжелого изотопа в листьях обычно оказывается выше, чем в корнях. Эти различия неодинаковы для видов разных местообитаний. Максимальные различия (до 7%о) характерны для пустынных видов. Различия в содержании изотопа I5N в разных частях растения связаны с особенностями накапливаемых азотосодержащих веществ (Evans, 2001). В некоторых случаях корни могут быть несколько обогащены изотопом bN в сравнении с листьями. Например, у Cratylia mollis разница между 515N корней и стеблей в отдельных случаях достигала 2%о (Teixeira et al., 2006). Однако максимальное обогащение корней изотопом l5N характерно для растений с экто- и эрикоидной микоризой (см. ниже).
Процессы минерализации органических соединений азота и нитрификации
Определение интенсивности процессов минерализации органических соединений азота и нитрификации проводилось путем инкубировании почв в естественных условиях. Смешанные образцы из верхнего горизонта (0-10 см) просеивались через сито с диаметром отверстий 7 мм, помещались в пластиковые контейнеры (10x5x12 см), на дне которых находились ионообменные смолы (катионит КУ-2 и анионит АВ-17) для улавливания выщелачиваемых из почвы N-NH4+ и N-NO3 . Эксперимент проводился в пяти повторностях. Инкубация проводилась в годовом цикле с августа 2002 г. по август 2003 г., а для изучения сезонной динамики процессов трансформации азота почва инкубировалась в разное время в годовом цикле 2005-2006 гг. Всего за 2005-2006 гг. инкубационный эксперимент закладывался 4 раза: с 23 мая до 6 июля 2005 г. (только почвы АЛП), с 7 июля до 22 августа 2005 г., с 23 августа до 23 сентября 2005 г., с 24 сентября 2005 г. по 25 мая 2006 г. (только почвы АЛЛ), с 24 сентября 2005 г. по 5 июля 2006 г. (почвы ПЛ, ГКЛ, АК)).
Минерализация органических соединений азота рассчитывалась как разница в концентрации N неорганических соединений (N-NH4+ + N— N03 .) в почве после инкубации (суммарно в почве и смолах) и до инкубации, а нитрификация - как соответствующая разница концентраций N-N03 . Таким образом, определялась так называемая нетто минерализация органических соединений и нетто-нитрификация, т.е. не учитывалась иммобилизация неорганических форм азота микроорганизмами и растениями. Из смол N-NH4+ и N-NO3 экстрагировались ЇМ КС1 при соотношении смола : раствор 1:20 после часового взбалтывания на ротаторе. Определение проводилось теми же методами, что и в почвенных экстрактах. Кроме того, в почве после инкубации определялось содержание N-РОС. Изотопный состав азота определялся для общего азота почвы и его подвижных соединений (N-NH4+, N-N03", N-POC). Изотопный состав N-NH/ определялся образцах 2002 г. и четыре раза при изучении динамики содержания подвижных соединений азота в 2005 г. (в мае, июле, августе и сентябре 2005). Также изотопный состав N-NH4+ определялся в почве и смолах после инкубации 2002-2003 гг. и в почве и смолах после инкубации в июле-августе и августе-сентябре 2006 г. Изотопный состав N-NCV в почвах не определялся из-за крайне низкого содержания этой формы азота. Определение проводилось только в смолах после инкубирования почв в 2002-2003 гг. Для определения изотопного состава азота его минеральных соединений (N-NH/ почв и со смол и N-N03" со смол) их предварительно концентрировали модифицированным методом диффузии аммиака (Holmes et al., 1997; Holmes et al., 1998). Для этого от 5 до 50 мл экстракта, содержащих около 80 мкг N, инкубировались в полиэтиленовых пузырьках в течение 7 дней при 30 С (при аликвоте менее 50 мл проба доводилась до 50 мл ЇМ КС1). В процессе инкубации для перехода NH4+ в NH3 добавлялись 150 мг MgO, а для перехода N03" в NH4+ 5 мг сплава Деварда (50%) Си, 45% А1 и 5% Zn). Образующийся аммоний поглощался на стеклянных фильтрах диаметром 9 мм, подкисленных KHSО 4 и помещенных между двумя слоями тефлоновой ленты.
После инкубирования фильтры в тефлоновой упаковке высушивались в эксикаторе в присутствии HoSO oim и излекались из тефлона для анализа. Изотопный состав N-POC определялся в образцах 2002 г. и в почвах после инкубирования 2002-2003 гг. Концентрирование N-POC проводилось методом лиофилизации. Изотопный состав азота во всех образцах определялся в пяти повторностях на масс-спектрометре Deltaplus Conflo II Interace последовательно соединенном с анализатором Carbo Erba NC 2500 (Thermo Finnigan, Bremen, Germany). Значения 8I5N выражались в промилле и рассчитывались следующим образом (в качестве стандарта использовался N2 воздуха): Для оценки аккумуляции азота альпийскими фитоценозами и определения роли азота в развитии альпийских растений в 1998 г. был заложен эксперимент с искусственным увеличением доступности азота в почве. Для этого в пределах каждого фитоценоза (АЛЛ, ПЛ, ГКЛ, АК) были выделены площадки 1,5x1,5 м, куда на протяжении четырех лет в начале вегетационного сезона вносили азот в виде мочевины из расчета 90 кг N на га (что составляло 9 г азота или 19,5 г мочевины на 1 м2 или 44 г мочевины в пересчете на экспериментальную площадку. В 2002 году сотрудниками кафедры геоботаники Биологического факультета МГУ с экспериментальных и контрольных площадок были отобраны укосы растений с участков 25x25 см, которые затем были высушены, разобраны по видам и взвешены. Всего было отобрано по восемь укосов с каждого растительного сообщества (АЛЛ, ПЛ, ГКЛ, АК). В пределах каждого сообщества для определения концентрации азота были отобраны виды по двум критериям: 1) наличие вида в 5 или более из 8 укосов, т. к. химический анализ надземных вегетативных органов индивидуальных видов проводился в пяти повторностях; 2) масса образца надземных вегетативных органов вида с укосной площадки более 100 мг, т. к. масса навески для анализа составляла 100-200 мг. На АЛП были- выбраны 9 следующих видов высших растений: Anemone speciosa, Antennaria dioica, Campanula tridentata, Carex umbrosa, Carum caucasicum, Festuca ovina, Helictotrichon versicolor, Trifolium polyphyllum, Vaccinium vitis-idaea. На ПЛ выбраны 3 вида: Festuca ovina, Festuca varia, Nardus stricta. На ГКЛ для анализа были взяты 6 видов высших растений: Anthoxanthum odoratum, Carex atrata, Geranium gymnocaulon, Festuca brmmescens, Hedysarum caucasicum, Nardus stricta. Ha AK выделено 5 видов высших растений: Catabrosella variegata, Minuartia aizoides, Nardus stricta, Sibbaldiaprocumbens, Taraxacum Stevenii. Кроме вышеуказанных видов, на АЛЛ отдельно проанализирована суммарная биомасса лишайников в пяти повторностях. Ветошь во всех сообществах по каждому варианту опыта также анализировалась отдельно в пяти повторностях. Из надземной биомассы остальных видов и генеративных органов индивидуальных видов были составлены смешанные образцы, анализ которых проводился в трех повторностях. Во всех образцах определялось содержание азота методом мокрого озоления с колориметрическим окончанием (Аринушкина, 1970; Kandeler, 1996). Такой подход позволил определить как роль всей надземной фитомассы в аккумуляции почвенного азота, так и реакцию отдельных видов на изменение условий питания.
Изотопный состав азота в горно-луговых альпийских почвах
Естественное содержание изотопа 5N в изученных альпийских почвах отличается как между разными азотсодержащими соединениями в пределах одной почвы, так и между одинаковыми формами N разных почв (табл. 15). Величина 515No6lli положительна во всех почвах и варьирует в пределах от 3,2 до 5,0%о. Она увеличивается вниз по склону от почвы АЛЛ к почве ГКЛ, где достигает максимума, а в почве АК снова немного снижается. Близкие значения 5 Ыобщ ок оло 5%о приводятся и для почв сухих альпийских лугов в горах Колорадо (Miller, Bowman, 2002). В целом почвы экосистем холодного климата характеризуются более низкими значениями 515No6ui по сравнению с почвами более теплых регионов, а для органогенных горизонтов почв тундровых экосистем часто приводятся отрицательные значения (Cheng et al., 1964; Hogberg et al., 1996; Nadelhoffer et al., 1996; Koopmans et al., 1997). Величина 515]Чобщ положительно коррелирует с активностями процессов минерализации органических соединений азота (г=0,59, Р 0,01) и нитрификации (г=0.63, Р 0,01). Таким образом, 815г\Г0бщ выше в тех почвах, где выше активность микробиологических процессов трансформации азота, следовательно, она может служить интегральной характеристикой микробиологической активности почв. Величина 815N-NH4+ ниже по сравнению с 51эТЧобщ и варьирует в пределах от -2,6 до 2,0%о (табл. 15). Закономерность ее изменения аналогична изменению величины 5 3N06m, т. е. вниз по склону от почвы АЛЛ к ГКЛ происходит ее увеличение с -2,6 до 2%о, а в почвах АК она снова снижается до 0,3%о. Обнаружена положительная корреляционная связь между 515N-NH4+H 5l5N0Gm с (г=0,88, Р 0,001). При изучении динамики процессов трансформации соединений азота и его изотопного состава в 2005 г. значения S15N-NH4+ во всех почвах оказались заметно меньшими. Но и по этим данным, более низкие значениями 5bN-NH4+ также характерны для почвы АЛЛ, тогда как достоверных различий для других почв не обнаружено (табл. 16). По сезонам достоверных различий между значениями 5 5N-NH4+ также не обнаружено, за исключением достоверно меньшего значения 815N-NH4+ в почве АЛЛ в мае. В почвах естественных экосистем основным источником N-NH/ является азот органического вещества почвы.
При слабой интенсивности нитрификации в почвах экосистем холодного климата величина 815N-NH4+ должна определяться фракционированием изотопов в ходе минерализации, поскольку считается, что фракционирования изотопов при ассимиляции азота микроорганизмами и растениями в условиях его дефицита практически не происходит (Evans, 2001; Hobble, Hobbie, 2008). Таким образом, величина SbN-NH4+ должна быть несколько ниже 515N06m, что и подтверждают полученные нами данные. В почвах сухих лугов альпийского пояса Скалистых гор Колорадо N-NH4+ также обеднен изотопом 15N по сравнению с No6lu, но разница между 5l3N-NH4+ и SbNo6lu в этих почвах меньше (Miller, Bowman, 2002). Величина 5bN-NH4+ также меньше по отношению к S15No6ul в лесных почвах Японии (Koba et al., 1998). SbN-POC во всех почвах имеет положительные значения и изменяется в пределах от 7,3 до 10,0%о. Минимальное значение 815N-POC также обнаружено в почве АЛП, максимальное - в почве АК. Следует отметить, что 8 3N-POC имеет наибольшие значения среди изученных соединений азота. Другие авторы также демонстрируют высокую обогащенность этой фракции азота изотопом N, а высокие величины 8bN-POC свидетельствуют о тесной связи этой фракции азота с азотом микробной биомассы (Portl et al., 2007). Величина 515N-POC положительно коррелирует с 815No6iu (г=0,46, Р 0,01). Таким образом, величина 815N возрастает в ряду Sl3N-NH4+ - 815NoGllI -815N-POC. Величина S15N-N03" в естественных почвах не определялась из-за очень низких концентраций N-NO3". Однако, основываясь на литературных данных, можно предположить, что SI5N-NCV будет несколько ниже в сравнении с SlDN-NH4+, поскольку нитрификация характеризуется выраженной дискриминацией тяжелого изотопа азота (Koba et al., 1998; Kramer et al., 2003). Обедненность N-NCV изотопом 15N по сравнению с остальными азотсодержащими соединениями почвы отмечена для почв ряда других экосистем, среди которых можно назвать леса Японии и штата Теннеси и сухие альпийские луга в горах Колорадо (Garten, 1993; Koba et al., 1998; Miller, Bowman, 2002). В результате инкубации почв N-NH/ оказывается заметно обогащен изотопом 15N. После инкубирования почв в течение года (2002-2003 гг.) увеличение 515N-NH4+ составило 8-16%о. В инкубированных почвах 515N-NH4+ варьирует от 6,6 до 15,7%о (табл. 15). При инкубировании почв по сезонам также произошло увеличение 8 N-NH4+, однако оно меньше по сравнению с годовым экспериментом и не превышает 10%о (табл. 16). Наиболее высокими величины 815N-NH4+ после инкубации оказались в почвах луговых сообществ (ПЛ и ГКЛ), где наиболее активно протекали процессы нитрификации (табл. 15 и 16). 515N-N03" в почвах после инкубации имеет отрицательные значения, варьирующие в пределах от -4,2 до -14,1%о, причем минимальное значение обнаружено в почве ПЛ, а максимальное в почве ГКЛ (табл. 15). Активность нитрификации положительно коррелирует с 515N-NC 3 (г=0,64, Р 0,001) и 515N-POC 0=0,71, Р 0,001) инкубированных почв, хотя, вероятнее всего, эти коррелятивные связи являются опосредованными. Значения 515N-POC в почвах ПЛ и АК после инкубации не отличались от соответствующих значений в естественных почвах, а в почвах АЛП и ГКЛ они немного повысились (табл. 15).
