1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 12, 2023

Почвоведение, 2023, № 12, стр. 1628-1643

Содержание органического вещества и скорость разложения стандартного материала в почвах высокогорных фитоценозов Тебердинского национального парка

Т. Г. Елумеева a, *, М. И. Макаров a, М. С. Кадулин a, К. Н. Замалетдинова a, Т. И. Малышева a, Д. М. Гулов b, А. А. Ахметжанова a, М. А. Чепурнова a, В. Г. Онипченко a, c

a МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, Россия

b Башкирский государственный университет
450076 Уфа, ул. Валиди, 32, Россия

c Тебердинский национальный парк
369210 Теберда, Бадукский пер., 1, Россия

* E-mail: elumeeva@mail.ru

Поступила в редакцию 11.04.2023
После доработки 08.06.2023
Принята к публикации 21.06.2023

Аннотация

Высокогорные почвы очень разнообразны по содержанию органического вещества (ПОВ), но факторы, определяющие такое разнообразие, все еще полностью не выявлены. В 16 субальпийских, альпийских и субнивальных фитоценозах Тебердинского национального парка (северо-западный Кавказ) исследовали физико-химические и микробиологические характеристики почв, а также оценили параметры разложения стандартного материала на основе “индекса чайных пакетиков” (tea bag index, TBI): показатель стабилизации (STBI) и константу скорости разложения (kTBI). Проверяли следующие гипотезы: (1) ПОВ – один из предикторов STBI и kTBI в высокогорьях наряду с другими физико-химическими свойствами почвы; (2) больше ПОВ содержится при высоких значениях STBI и низких kTBI; (3) содержание ПОВ скоррелировано с подземной продукцией растений. Ведущими градиентами в изученных почвах являются: содержание влаги (автоморфные–гидроморфные почвы) и сопутствующее накопление ПОВ, а также высотный градиент, вверх по которому снижалось базальное дыхание почвы. Степень насыщения азотом (т.е. качество ПОВ) экстрагируемой фракции оказалась лучшим предиктором скорости разложения. Показатель STBI снижался при увеличении содержания общего углерода и потерь при прокаливании, а положительная связь kTBI с ПОВ отмечена только на автоморфных почвах. Таким образом, для богатых органическим веществом почв характерны низкий показатель стабилизации и относительно высокая скорость разложения. В фитоценозах с травянистыми доминантами содержание ПОВ было положительно скоррелировано с продукцией тонких корней, что подчеркивает важную роль продуктивности в накоплении органического вещества.

Ключевые слова: разложение органического вещества, стабилизация органического вещества, литозем, петрозем, продуктивность корней, tea bag index

Список литературы

  1. Вертелина О.С., Онипченко В.Г., Макаров М.И. Первичные минералы и процессы выветривания в высокогорных почвах Тебердинского заповедника // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 1996. № 1. С. 3–10.

  2. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

  3. Макаров М.И., Волков А.В., Малышева Т.И., Онипченко В.Г. Фосфор, азот и углерод в почвах субальпийского и альпийского поясов Тебердинского заповедника // Почвоведение. 2001. № 1. С. 62–71.

  4. Семенов В.М., Тулина А.С., Семенова Н.А., Иванникова Л.А. Гумификационные и негумификационные пути стабилизации органического вещества в почве (обзор) // Почвоведение. 2013. № 4. С. 393–407. https://doi.org/10.7868/S0032180X13040114

  5. Bartoń K. MuMIn: Multi-Model Inference. R package version 1.40.0. 2017. https://CRAN.R-project.org/package=MuMIn

  6. Basile-Doelsch I., Balesdent J., Pellerin S. The mechanisms underlying carbon storage in soil // Biogeosciences. 2020. V. 17. P. 5223–5242. https://doi.org/10.5194/bg-17-5223-2020

  7. Blume-Werry G., Di Maurizio V., Beil I., Lett S., Schwieger S., Kreyling J. Don’t drink it, bury it: comparing decomposition rates with the tea bag index is possible without prior leaching // Plant and Soil. 2021. V. 465. P. 613–621. https://doi.org/10.1007/s11104-021-04968-z

  8. Bohner A., Karrer J., Walcher R., Brandl D., Michel K., Arnberger A., Frank T., Zaller J.G. Ecological responses of semi-natural grasslands to abandonment: case studies in three mountain regions in the Eastern Alps // Folia Geobotanica. 2019. V. 54. P. 211–225. https://doi.org/10.1007/s12224-019-09355-2

  9. Chen L.-F., He Z.-B., Du J., Yang J.-J., Zhu X. Patterns and environmental controls of soil organic carbon and total nitrogen in alpine ecosystems of northwestern China // Catena. 2016. V. 137. P. 37–43. https://doi.org/10.1016/j.catena.2015.08.017

  10. Cheng L., Chen W., Adams T., Wei X., Li L., Mccormack M.L., Deforest J.L., Koide R.T., Eissenstat D.M. Mycorrhizal fungi and roots are complementary in foraging within nutrient patches // Ecology. 2016. V. 97. P. 2815–2823. https://doi.org/10.1002/ecy.1514

  11. Cheng W., Kuzyakov Y. Root effects on soil organic matter decomposition / Roots and Soil Management: Interactions between Roots and the Soil // Agronomy Monograph. 2005. V. 48. P. 119–143.

  12. Davidson E.A., Janssens I.A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. V. 440. P. 165–173. https://doi.org/10.1038/nature04514

  13. Dijkstra F.A., Zhu B., Cheng W. Root effects on soil organic carbon: a double-edged sword // New Phytologist. 2021. V. 230. P. 60–65.

  14. Djukic I., Zehetner F., Tatzber M., Gerzabek M.H. Soil organic-matter stocks and characteristics along an Alpine elevation gradient // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2010. V. 173. P. 30–38. https://doi.org/10.1002/jpln.200900027

  15. Dorich R.A., Nelson D.W. Evaluation of manual cadmium reduction methods for determination of nitrate in potassium chloride extracts of soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1984. V. 48. P. 72‒75.

  16. Egli M., Sartori G., Mirabella A., Favilli F., Giaccai D., Delbos E. Effect of north and south exposure on organic matter in high Alpine soils // Geoderma. 2009. V. 149. P. 124–136. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2008.11.027

  17. Elumeeva T.G., Onipchenko V.G., Akhmetzhanova A.A., Makarov M.I., Keuskamp J.A. Stabilization versus decomposition in alpine ecosystems of the Northwestern Caucasus: the results of a tea bag burial experiment // J. Mount. Sci. 2018. V. 15. P. 1633–1641. https://doi.org/10.1007/s11629-018-4960-z

  18. Elumeeva T.G., Onipchenko V.G., Cornelissen J.H.C., Semenova G.V., Perevedentseva L.G., Freschet G.T., van Logtestijn R.S.P., Soudzilovskaia N.A. Is intensity of plant root mycorrhizal colonization a good proxy for plant growth rate, dominance and decomposition in nutrient poor conditions // J. Veg. Sci. 2018b. V. 29. P. 715–725. https://doi.org/10.1111/jvs.12651

  19. Fanin N., Bezaud S., Sarneel J.M., Cecchini S., Nicolas M., Augusto L. Relative importance of climate, soil and plant functional traits during the early decomposition stage of standardized litter // Ecosystems. 2020. V. 23. P. 1004–1007. https://doi.org/10.1007/s10021-019-00452-z

  20. Fontaine S., Mariotti A., Abbadie L. The priming effect of organic matter: a question of microbial competition? // Soil Biol. Biochem. 2003. V. 35. P. 837–843.

  21. Fox J., Weisberg S. An {R} Companion to Applied Regression, Third Edition. Thousand Oaks CA: Sage. 2019. https://socserv.socsci.mcmaster.ca/jfox/Books/Companion

  22. Freschet G.T., Cornwell W.K., Wardle D.A., Elumeeva T.G., Liu W., Jackson B.G., Onipchenko V.G., Soudzilovskaia N.A., Tao J., Cornelissen J.H.C. Linking litter decomposition of above- and below-ground organs to plant-soil feedbacks worldwide // J. Ecol. 2013. V. 101. P. 943–952. https://doi.org/10.1111/1365-2745.12092

  23. Ghabbour E.A., Davies G., Cuozzo N.P., Miller R.O. Optimized conditions for determination of total soil organic matter in diverse samples by mass loss on ignition // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2014. V. 177. P. 914–919. https://doi.org/10.1002/jpln.201400326

  24. Hobbie S.E. Temperature and plant species control over litter decomposition in Alaskan tundra // Ecol. Monographs. 1996. V. 66. P. 503–522.

  25. Hoffmann U., Hoffmann T., Jurasinski G., Glatzel S., Kuhn N.J. Assessing the spatial variability of soil organic carbon stocks in an alpine setting (Grindelwald, Swiss Alps) // Geoderma. 2014. V. 232–234. P. 270–283. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2014.04.038

  26. Jacobs L.M., Sulman B.N., Brzostek E.R., Feighery J.J., Philips R.P. Interactions among decaying leaf litter, root litter and soil organic matter vary with mycorrhizal type // J. Ecol. 2018. V. 106. P. 502–513. https://doi.org/10.1111/1365-2745.12921

  27. Kandeler E. Ammonium // Methods in Soil Biology. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1996. P. 406‒408.

  28. Keuskamp J.A., Dingemans B.J.J., Lehtinen T., Sarneel J.M., Hefting M.M. Tea Bag Index: a novel approach to collect uniform decomposition data across ecosystems // Methods Ecol. Evol. 2013. V. 4. P. 1070–1075. https://doi.org/10.1111/2041-210X.12097

  29. Kirschbaum M.U.F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic storage // Soil Biol. Biochem. 1995. V. 27. P. 753–760. https://doi.org/10.1016/0038-0717(94)00242-S

  30. Kopáček J., Kaňa J., Šantrůčková H. Pools and composition of soils in the alpine zone of the Tatra Mountains // Biologia, Bratislava. 2006. V. 61. Suppl. 18. P. 35–49. https://doi.org/10.2478/s11756-006-0118-5

  31. Lang S.I., Cornelissen J.H.C., Klahn T., van Logtestijn R.S.P., Broekman R., Schweikert W., Aerts R. An experimental comparison of chemical traits and litter decomposition rates in a diverse range of subarctic bryophyte, lichen and vascular plant species // J. Ecol. 2009. V. 97. P. 886–900. https://doi.org/10.1111/j.1365-2745.2009.01538.x

  32. Lehmann J., Hansel C.M., Kaiser C., Kleber M., Maher K., Manzoni S., Nunan N., Reichstein M. et al. Persistence of soil organic carbon caused by functional complexity // Nature Geoscience. 2020. V. 13. P. 529–534. https://doi.org/10.1038/s41561-020-0612-3

  33. Malysheva T.I., Onipchenko V.G., Makarov M.I., Volkov A.V., Bulatnikova I.V. Soils and nutrient turnover // Alpine ecosystems in the Northwestern Caucasus. Dordrecht: Kluwer, 2004. P. 9–24.

  34. Moar S.E.L., Wilson S.D. Root responses to nutrient patches in grassland and forest // Plant Ecol 2006. V. 184. P. 157–162. https://doi.org/10.1007/s11258-005-9059-2

  35. Mueller P., Schile-Beers L.M., Mozdzer T.J., Chmura G.L., Dinter T., Kuzyakov Y., de Groot A.V., Esselink P. et al. Global-change effects on early-stage decomposition processes in tidal wetlands – implications from a global survey using standardized litter // Biogeosciences. 2018. V. 15. P. 3189–3202.

  36. Nakagawa S., Schielzeth H. A general and simple method for obtaining R2 from generalized linear mixed-effects models // Methods Ecol. Evol. 2013. V. 4. P. 133–142. https://doi.org/10.1111/j.2041-210x.2012.00261.x

  37. Ohtsuka T., Hirota M., Zhang X., Shimono A., Senga Y., Du M., Yonemura S., Kawashima S., Tang Y. Soil organic carbon pools in alpine to nival zones along an altitudinal gradient (4400–5300 m) on the Tibetan Plateau // Polar Sci. 2008. V. 2. P. 277–285. https://doi.org/10.1016/j.polar.2008.08.003

  38. Oksanen J., Blanchet F.G., Friendly M., Kindt R., Legendre P., McGlinn D., Minchin P.R., O’Hara R.B., Simpson G.L., Solymos P., Stevens M.H.H., Szoecs E., Wagner H. vegan: Community Ecology Package. R package version 2.5-7. 2020. https://CRAN.R-project.org/package=vegan

  39. Onipchenko V.G. Alpine vegetation of the Teberda Reserve, the Northwestern Caucasus. Veröffentlichungen des Geobotanischen Institutes der ETH. Heft 130. Zürich: Stiftung Rübel, 2002.

  40. Onipchenko V.G. Geography, geology, climate and the communities studied // Alpine Ecosystems in the Northwestern Caucasus. Dordrecht: Kluwer, 2004. P. 1–8.

  41. Onipchenko V.G., Gulov D.M., Ishbirdin A.R., Makarov M.I., Akhmetzhanova A.A., Logvinenko O.A., Khubieva O.P., Tekeev D.K., Elumeeva T.G. Analysis of fine root production features in high mountain communities by ingrowth method using filter balls // Contemporary Problems of Ecology. 2021. V. 14. P. 456–464. https://doi.org/10.1134/S1995425521050085

  42. Petraglia A., Cacciatori C., Chelli S., Fenu G., Calderisi G., Gargano D., Abeli T., Orsenigo S., Carboniani M. Litter decomposition: effects of temperature driven by soil moisture and vegetation type // Plant Soil. 2019. V. 435. P. 187–200. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3889-x

  43. Pinheiro J., Bates D., DebRoy S., Sarkar D., R Core Team. nlme: Linear and Nonlinear Mixed Effects Models. R package version 3.1-152. 2021. http://CRAN.R-project.org/package=nlme

  44. Pierson D., Evans L., Kayhani K., Bowden R.D., Nadelhoffer K., Simpson M., Laitha K. Mineral stabilization of soil carbon is suppressed by live roots, outweighting influences from litter quality or quantity // Biogeochem. Lett. 2021. V. 154. P. 433–449. https://doi.org/10.1007/s10533-021-00804-9

  45. Poirier V., Roumet C., Munson A.D. The root of matter: linking root traits and soil organic matter stabilization processes // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 120. P. 246–259. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.02.016

  46. Prescott C.E. Litter decomposition: what controls it and how we can alter it to sequester more carbon to forest soils? // Biogeochemistry. 2010. V. 101. P. 133–149. https://doi.org/10.1007/s10533-010-9439-0

  47. Pohler T. The Pairwise Multiple Comparison of Mean Ranks Package (PMCMR). R package. 2014. http://CRAN.R-project.org/package=PMCMR.

  48. Rawls W.J., Pachepsky Y.A., Ritchie J.C., Sobecki T.M., Bloodworth H. Effect of soil organic carbon on soil water retention // Geoderma. 2003. V. 116. P. 61–76. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(03)00094-6

  49. Rowley M.C., Grand S., Verrecchia E. Calcium-mediated stabilization of soil organic carbon // Biogeochemistry. 2018. V. 137. P. 27–49. https://doi.org/10.1007/s10533-017-0410-1

  50. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. 2021. https://www.R-project.org/.

  51. Sandén T., Spiegel H., Wenng H., Schwarz M., Sarneel J.M. Learning science during teatime: Using a citizen science approach to collect data on litter decomposition in Sweden and Austria // Sustainability. 2020. V. 12. P. 7745. https://doi.org/10.3390/su12187745

  52. Sarneel J., Sundkvist M.K., Molau U., Björkman M.P., Alatalo J.M. Decomposition rate and stabilization across six tundra vegetation types exposed to >20 years of warming // Sci. Total Environ. 2020. V. 724. P. 138304. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138304

  53. Schmidt M.W.I., Torn M.S., Abiven S., Dittmar T., Guggenberger G., Janssens I.A., Kleber M., Kögel-Knabner I., Lehmann J., Manning D.A., Nannipieri P., Rasse D.P., Weiner S., Trumbore S.E. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. V. 478. P. 49–56.

  54. Six J., Conant R.T., Paul E.A., Paustian K. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils // Plant Soil. 2002. V. 241. P. 155–176. https://doi.org/10.1023/A:1016125726789

  55. Sørensen M.V., Strimbeck R., Nystuen K.O., Kapas R.E., Enquist B.J., Graae B.J. Draining the pool? Carbon storage and fluxes in three alpine plant communities // Ecosystems. 2018. V. 21. P. 316–330. https://doi.org/10.1007/s10021-017-0158-4

  56. Stockmann U., Adams M.A., Crawford J.W., Field D.J., Henakaarchchi N., Jenkins M., Minasny B., McBratney A.B. et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon // Agriculture Ecosys. Envir. 2013. V. 164. P. 80–99. https://doi.org/10.1016/j.agee.2012.10.001

  57. Veen G.F., Freschet G.T., Ordonez A., Wardle D. Litter quality and environmental controls of home-field advantage effects on litter decomposition // Oikos. 2015. V. 124. P. 187–195.

  58. Venn S.E., Thomas H.J.D. Snowmelt timing affects short-term decomposition rates in an alpine snowbed // Ecosphere. 2021. V. 12. № 3. P. e03393. https://doi.org/10.1002/ecs2.3393

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал