Трансформация соединений азота в системе "почва-микроорганизмы-растения" в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.13, кандидат биологических наук Ермак, Антон Александрович

• Ермак, Антон Александрович
• кандидат биологических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Ермак, Антон Александрович

Введение

Глава 1. Особенности круговорота азота в экосистемах холодного климата

1.1. Процессы трансформации соединений азота в почвах альпийских и тундровых биогеоценозов

1.2. Особенности азотного питания в экосистемах холодного климата

1.3. Поглощение растениями элементов питания в составе органических соединений

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Географическое положение и рельеф

2.2. Климат

2.3. Растительность

2.4. Геология и почвы

2.5. Объекты исследования

2.6. Методы исследования

2.6.1. Изучение временной динамики процессов трансформации соединений азота

2.6.2. Изучение распределения изотопной метки 15И между разными пулами азота

2.6.3. Изучение питания растений лишайниковой пустоши органическими азотсодержащими соединениями

2.6.4. Изучение симбиотической азотфиксации бобовыми растениями лишайниковой пустоши

2.6.5. Методы измерений и анализов

Глава 3. Результаты исследования

3.1. Метеорологические условия, температура и влажность почв в течение вегетационных периодов 2009 и 2010 гг.

3.1.1. Температура воздуха

3.1.2. Атмосферные осадки

3.1.3. Влажность почвы

3.1.4. Температура почвы

3.2. Азот и углерод в биомассе альпийских фитоценозов

3.2.1. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе лишайниковой пустоши

3.2.2. Азот и углерод в надземной и подземной биомассе гераниевого луга

3.3. Азот и углерод в горно-луговых альпийских почвах

3.3.1. Азот и углерод в почве лишайниковой пустоши

3.3.2. Азот и углерод в почве гераниевого луга

3.4. Минерализация и микробная иммобилизация азота в почвах

3.5. Распределение изотопной метки 15М в альпийских биогеоценозах

3.5.1. Распределение изотопной метки в пулах азота лишайниковой пустоши

3.5.2. Распределение изотопной метки в пулах азота гераниевого луга

3.6. Поглощение 15К растениями альпийских сообществ

3.7. Поглощение 13С растениями лишайниковой пустоши

3.8. Симбиотическая азотфиксация в биогеоценозе 102 лишайниковой пустоши

Глава 4. Обсуждение результатов

4.1. Сезонная динамика лабильных соединений азота в горнолуговых альпийских почвах 105 4.1.1 .Общая характеристика лабильных пулов азота 105 4.1.2. Динамика содержания лабильных пулов азота и углерода в течение вегетационного периода

4.2. Поглощение азота разными компонентами альпийских биогеоценозов

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трансформация соединений азота в системе "почва-микроорганизмы-растения" в альпийских экосистемах Тебердинского заповедника»

Актуальность исследования

Поддерживавшееся длительное время динамическое равновесие в содержании разных форм азота в биосфере начало стремительно меняться в прошлом веке (Умаров и др., 2007). Учёные всё больше сходятся во мнении по вопросу о том, что современные масштабы нарушения круговорота азота могут иметь глобальные последствия, сравнимые с последствиями нарушения круговорота углерода (Глобальная экологическая перспектива., 1999). На пятьдесят пятой сессии Генеральной Ассамблеи ООН, состоявшейся 3 октября 2000 г., в программе действий на XXI век было особо обращено внимание на важность изучения изменений в процессах азотного цикла. В связи с этим повысился интерес к исследованию процессов трансформации соединений азота, в том числе, в экосистемах холодного климата, выступающих в качестве «компаса глобальных перемен».

В настоящее время альпийские экосистемы Кавказа остаются малоизученными, в них практически не проводились работы по изучению сезонной динамики процессов трансформации соединений азота, как результата функционирования системы «почва-микроорганизмы-растения». Большинство исследователей лишь на короткое время посещали высокогорные районы, что не способствовало проведению длительных сезонных исследований. Среди немногочисленных высокогорных стационаров на Кавказе следует отметить стационар Института Ботаники АН Грузии в Казбеги, на котором выполнено большое число работ преимущественно физиолого-экологического направления, но сезонные исследования по биогеохимии азота не проводились. На известном стационаре Института Ботаники Армении «Арагац» и на Юго-Осетинском стационаре БИН, которые в настоящее время прекратили своё существование, также не проводилось сколько-нибудь значимых исследований по динамике трансформации соединений азота в высокогорных экосистемах. Гораздо больше работ по компонентам цикла азота проводится в арктических и субарктических тундровых экосистемах Европы и Северной Америки, которые функционально наиболее близки к высокогорным экосистемам (Hart, Gunther, 1989; Giblin et al., 1991; Fisk et al., 1998 и другие).

Цель работы

Целью работы было изучение трансформации соединений азота в двух альпийских экосистемах Тебердинского заповедника с использованием метода изотопной метки 15N.

Задачи исследования

1. Оценить пулы азота и их сезонную динамику в системе «почва-микроорганизмы-растения» в альпийских экосистемах.

2. Оценить временную динамику процессов трансформации соединений азота в горно-луговых альпийских почвах.

3. Установить преимущественные источники азотного питания растений и микроорганизмов.

4. Оценить вклад симбиотической азотфиксации в обеспечение азотного питания бобовых растений в альпийских фитоценозах.

Научная новизна

Проведенные исследования характеризуют особенности состояния азота в системе «почва-микроорганизмы-растения» в двух распространенных биогеоценозах альпийского пояса Тебердинского заповедника. Впервые в горно-луговых альпийских почвах Северо-Западного Кавказа определены активность и динамика процессов «гросс» трансформации азота с использованием изотопной метки 15К Установлено, что ассимиляция органических соединений азота является дополнительным механизмом повышения доступности азота для некоторых видов альпийских растений с везикулярно-арбускулярной микоризой. Впервые получены прямые доказательства того, что среди растений альпийского пояса Тебердинского заповедника присутствуют виды, отличающиеся по скорости ассимиляции минеральных соединений азота и по предпочтениям разных источников азотного питания. Показано, что симбиотическая азотфиксация адаптирована к экстремальным условиям высокогорий и является важным источником азотного питания бобовых растений альпийских биогеоценозов.

Практическая значимость диссертации

Полученные результаты могут быть использованы для выработки рекомендаций по оптимизации питания растений при восстановлении высокогорных экосистем, так как многие альпийские и субальпийские территории используются человеком и часто требуют незамедлительной рекультивации. В частности, результаты исследования могу способствовать выработке экстренных мер по восстановлению нарушенных сообществ высокогорий вследствие интенсификации антропогенной деятельности на Кавказе, такой как перевыпас скота, развитие добывающей промышленности, строительство дорог и туннелей, развитие индустрии туризма и спорта включая строительство олимпийских объектов к зимним Олимпийским играм 2014 г.).

Полученные результаты можно использовать в моделях изменения климата и реакции растений на атмосферное загрязнение для прогноза изменений видового состава и продуктивности высокогорных экосистем, а также при проведении комплексного мониторинга окружающей среды.

Благодарности

Выражаю благодарность своему научному руководителю д.б.н. М.И. Макарову; бывшим и нынешним сотрудникам кафедры общего почвоведения к.б.н. A.B. Волкову, к.б.н. Т.Н. Малышевой, И.Е. Ваганову, к.б.н. О.Ю. Гончаровой и к.б.н. Г.В. Матышаку за оказанные внимание и помощь в работе; заведующему кафедрой геоботаники биологического факультета МГУ д.б.н., профессору В.Г. Онипченко за предоставленную возможность работать на высокогорном стационаре МГУ «Малая Хатипара»; сотрудникам кафедры системной экологии Свободного Университета Амстердама (Нидерланды) Prof. Dr. J.H.C. Cornelissen и R.S.P. van Logtestijn за предоставленную возможность выполнения изотопных анализов, а также к.б.н. H.A. Судзиловской за ценные консультации по методам математической обработки полученных результатов.