Биохимическая активность подстилки как индикатор качества почв сосновых лесов Восточной Фенноскандии

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время все большеe внимание ученые уделяют всестороннему исследованию почвы, как важному и малоизученному компоненту лесных сообществ [5, 7, 21, 33, 40, 45, 46, 50, 61]. Лесная подстилка образует особый биохимически активный горизонт, в котором сосредоточены основные процессы трансформации органического вещества, поступающего в почву. Характеристики подстилок и их запасы отражают соотношение процессов накопления и минерализации органического вещества, включающегося в циклы углерода и важнейших биофильных элементов. В этой связи исследование подстилки в качестве депо углерода приобретает особую актуальность при разработке системы мониторинга пулов углерода в лесных экосистемах.

Комплексную характеристику интенсивности биохимических процессов в подстилке можно дать на основании активности ее ферментов. Ферментативная активность почвы – это комплексный показатель, который включает не только активность внутриклеточных ферментов делящихся микроорганизмов, корней растений, почвенной фауны, но также и активность внеклеточных ферментов, выделяемых микроорганизмами и корнями растений в процессе их жизнедеятельности, которые могут находиться в жидкой фазе почвы и связываться с почвенными компонентами [12, 51]. Активность почвенных ферментов используют в качестве чувствительных индикаторов качества почвы, поскольку с помощью них возможно: (1) оценить основные микробные реакции, связанные с круговоротом питательных веществ в почве; (2) проследить отклик на изменения в почве, вызванные природными или антропогенными факторами, а также сама ферментативная активность легко измеряема [14, 15, 40, 48]. В настоящее время исследованы особенности ответной реакции ферментного пула почв на их загрязнение тяжелыми металлами [31, 48, 54, 61], на различные способы лесопользования [5, 8], на влияние климата [24, 46] и эдафических условий [18, 38, 50]. Так, в почвах вблизи предприятий горнодобывающей промышленности отмечают снижение активности каталазы, уреазы и фосфатазы при возрастании общего и подвижного содержания тяжелых металлов, в том числе меди и никеля [31]. Уреазу считают одним из самых чувствительных ферментов к комплексному загрязнению почвы металлами [48], а фосфатазу – к загрязнению медью [54]. Уменьшение почвенного увлажнения снижает активность уреазы и фосфатазы, а увеличение температуры приводит к росту активности почвенных ферментов [34]. Активность каталазы, уреазы, инвертазы и фосфатазы может повышаться при увеличении уровня плодородия вследствие применения агромелиоративных приемов рыхления почвы [4]. Уреаза очень чувствительна к изменению температуры, а фосфатаза повышается при недостатке фосфора [55], кроме того, для нее отмечены индикаторные свойства при трансформации органического вещества в ходе естественного лесовосстановления [8]; в свою очередь, сплошные рубки приводили к снижению активности каталазы и инвертазы [5]. Стоит отметить, что данные, полученные при оценке влияния эдафических, климатических и антропогенных факторов на активность почвенных ферментов, несмотря на свою многочисленность, носят противоречивый характер.

Несмотря на то, что работы по изучению активности почвенных ферментов были начаты еще в середине прошлого века, они до сих пор не потеряли своей актуальности [20, 34, 36]. Особенно мало информации о биохимической активности почв бореальных лесов. Между тем бореальные леса, большая часть которых сосредоточена в России [39], являются одним из важнейших регуляторов климата планеты [52] и по разным оценкам занимают от 30 [19] до 38% [39] общей площади лесов мира. Для анализа изменчивости биохимических свойств почв важно дальнейшее накопление данных о формировании ферментативного пула в зависимости от региональных особенностей процессов почвообразования.

Считается, что по ферментативному разнообразию почва – самая богатая природная система [12], поэтому для возможной индикаторной роли почвы важно выбрать ферменты, в первую очередь реагирующие на изменение изучаемых факторов [47]. В настоящем исследовании остановились на четырех ферментах (инвертаза, уреаза, фосфатаза, каталаза), поскольку их активность непосредственно касается превращения углерода, азота, фосфора и окислительно-восстановительных процессов. Инвертаза (EC 3.2.1.26) относится к классу гидролаз, характеристику ее активности, наряду с активностью β-глюкозидаз и β-галактозидаз, можно использовать в качестве показателя интенсивности разложения органического вещества в почве. Считается, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв [27]. Уреаза (EC 3.5.1.5) участвует в превращениях азота почвы, с ее активностью связана аммонификация мочевины и переход азота в доступную для растений форму [20, 55]. Фосфатазы (EC 3.1.3) относятся к группе ферментов, катализирующих гидролиз фосфорорганических соединений, они осуществляют мобилизацию закрепленного в органическом веществе фосфора [20, 55]. Каталаза (EC 1.11.1.6) относится к классу окислительно-восстановительных ферментов и катализирует разложение образующегося в процессе биологического окисления пероксида водорода на воду и молекулярный кислород [20, 55]. Высокая ее активность свидетельствует о напряженности энергетических процессов в почве, отражая уровень плодородия и характеризуя процессы биогенеза органического вещества почвы [4].

В работе представлены результаты комплексных исследований ферментативной активности, а также химических свойств почв бореальных лесов северо-запада России в зависимости от (1) эдафических условий, (2) климатических условий и (3) антропогенного загрязнения.

Цель работы – выявление наиболее информативных и простых в определении биохимических показателей, которые можно будет использовать для мониторинга качества почв бореальных лесов, в том числе в условиях антропогенного влияния.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования. Исследования проводили в 70–80-летних сосняках, на пробных площадях (ПП) Института леса КарНЦ РАН, заложенных в 2021–2022 гг. Влияние эдафических факторов на активность почвенных ферментов рассматривали в экологическом ряду: сосняк лишайниковый (СЛ, Kvch8) – сосняк брусничный (СБ, Kvch1, 9) – сосняк черничный (СЧ, Kvch2), расположенных в Государственном природном заповеднике “Кивач” и его окрестностях (Кондопожский район Республики Карелия) (средняя подзона тайги). Влияние климатических факторов на исследуемые показатели изучали на примере сосняков брусничных, расположенных в разных природных зонах: (1) средняя подзона тайги (территория заповедника “Кивач” и его окрестности, Kvch1, 9); (2) северная подзона тайги (Калевальский район Республики Карелия, Klv10); (3) граница тайги и лесотундры (Государственный природный заповедник “Пасвик” (Печенгский район, Мурманская область), Psv12). Все три района исследований сходны по рельефу и составу подстилающих пород. Формирование растительности на территории Фенноскандии происходило по мере освобождения от ледника 12000 лет назад, в дальнейшем структура и породный состав естественных лесов определялся, главным образом, климатом [17]. Закладку ПП проводили общепринятыми методами, подробная таксационная и геоботаническая характеристика ПП представлена в публикациях [9, 25, 53].

В почвенном покрове исследуемых ПП на автоморфных позициях под сосновыми лесами доминируют почвы, объединяемые в отдел альфегумусовых, среди которых преобладают подзолы с профилем O–E–BHF–C [10]. Почвы, сформированные под изучаемыми сосновыми насаждениями, классифицированы как подзолы иллювиально-железистые песчаные и подбуры оподзоленные согласно классификации почв России [6] или Albic Podzols Arenic и Entic Podzol [32]. Данные почвы широко распространены в бореальной зоне.

Влияние аэротехногенного загрязнения на активность почвенных ферментов изучали на подзолах иллювиально-железистых в сосняках брусничных, расположенных на разном удалении от горно-металлургического комбината (ГМК) “Печенганикель” (пгт. Никель) на территории и в окрестностях заповедника “Пасвик”. Основные выбросы медно-никелевых предприятий включают диоксид серы (SO₂), медь (Cu) и никель (Ni). В 2018 г. Институтом леса КарНЦ РАН, с целью создания системы мониторинга северотаежных лесов в условиях климатических изменений и влияния аэротехногенного загрязнения, была заложена сеть ПП на расстоянии 11, 26, 48, 68 и 81 км от комбината. Подробная характеристика ПП представлена в статье [11].

Отбор образцов почвы и химический анализ почвы. Полнопрофильные почвенные разрезы закладывали в межкроновых пространствах (в 1.5 м от стволов деревьев). Отбор проб для физико-химического анализа проводили по генетическим горизонтам из почвенных разрезов (отбирали смешанный образец из трех стенок разреза). Определение плотности почвы (г/см³) в сухом состоянии проводили в пятикратной повторности с использованием почвенного бура (V = 100 см³). Запас подстилки определяли с использованием рамки размером 19.5 × 19.5 см в 5–10-кратной повторности. Расчет запасов лесной подстилки вели путем отнесения ее сухой массы к площади рамки. Классификационную принадлежность почв определяли согласно общепринятым классификаторам [6, 32].

В свежих образцах потенциометрически определяли рН водной и солевой вытяжек (рН-метр Hanna, Германия). В предварительно высушенных до воздушно-сухого состояния и просеянных через сито 2 мм образцах оценивали содержание элементов минерального питания. Содержание подвижных форм фосфора и калия определяли в вытяжке по Кирсанову, фосфора – по фосфорномолибденовому комплексу (спектрофотометр СФ-2000, Россия), калия – с атомно-эмиссионным окончанием (атомно-абсорбционный спектрофотометр АА-7000 (Shimadzu, Япония)). Для построения градуировочных графиков использовали “ос. ч.” дигидрофосфат калия (Вектон, Россия) и сертифицированный коммерческий стандарт IV-STOCK-2 (Inorganic Ventures). Общее количество углерода (С) и азота (N) определяли на элементном анализаторе (2400 Series II CHNS/O Elemental Analyzer (PerkinElmer, США)), калиброванным сертифицированным стандартом ацетанилида (PerkinElmer № 0204-1121). Содержание гидролизуемого азота определяли по методу Тюрина и Кононовой в вытяжке 0.5 М раствора серной кислоты, которую подвергали сжиганию по Къельдалю, а затем определяли содержание азота с реактивом Несслера (спектрофотометр СФ-2000, Россия).

Рассчитывали запасы основных элементов (С, N, P, K) в почвенных горизонтах. Для подстилки расчет вели с учетом ее запаса, для минеральных горизонтов учитывали их мощность и плотность. Запасы элементов в минеральной части почвы рассчитывали на слой 0–25 см, так как именно здесь сосредоточен основной объем доступных растениям элементов минерального питания. Считается, что основная масса корней, в том числе, древесных пород, сосредоточена в верхних горизонтах почвы [2].

Содержание серы определяли по методу Ринькиса с модификациями [44] (спектрофотометр СФ-2000, Россия). Для определения содержания металлов (Cu, Ni) образцы почвы минерализовали в микроволновой системе разложения при 175°C (Speedwave Xpert Berghof Products, Германия) при добавлении смеси азотной и соляной кислот, “ос. ч.” (Вектон, Россия). Содержание элементов определяли атомно-абсорбционным методом (AA-7000 и AA-6800 Shimadzu, Япония) с пламенной и электротермической атомизацией. Для построения градуировочных графиков использовали сертифицированный коммерческий стандарт CCS-6 (Inorganic Ventures). Подготовку всех реактивов проводили с использованием бидистиллированной воды (Double Distiller GFL 2102, Германия).

Анализ активности почвенных ферментов. Образцы для анализа активности ферментов отбирали в 5-кратной повторности из серии прикопок, расположенных в проекции крон деревьев и в межкроновых пространствах. Поскольку определить активность ферментов в только что собранных образцах не представлялось возможным (длительная транспортировка из отдаленных районов, большое количество образцов), почвенные образцы замораживали жидким азотом и до проведения анализа хранили при –80°С (низкотемпературная морозильная камера Heal Force, Китай). Как показывают данные литературы, подобный подход позволяет сохранить первоначальные биохимические характеристики почвы [29]. Непосредственно перед анализом образцы почвы были измельчены и просеяны через сито с диаметром 2 мм. Анализ каталазной активности проводили за 20 мин по методу Джонсона и Темпле с титриметрическим окончанием. Уреазную активность определяли за 4 ч по методу Щербаковой, инвертазную активность за 4 ч – по методу Хазиева, Агафаровой, Гулько; фосфатазную активность за 2 ч – по методу Геллера и Гинзбурга со спектрофотометрическим окончанием [13] (cпектрофотометр СФ-2000, Россия). Активность ферментов определяли в двукратной аналитической повторности. Результаты представлены на сухую массу, значение которой определяли отдельным высушиванием почвы 3 ч при температуре 105°С в сушильном шкафу.

Статистическая обработка данных. Результаты статистически обрабатывали с помощью программ MS Excel, Past (4.13). Перед началом анализа исходные данные были проверены на нормальность с помощью теста Шапиро–Уилка. Значимость различий между вариантами оценивали с помощью U-критерия Манна–Уитни. Данные на графиках приведены в виде боксплотов, отражающих медианы и межквартильные интервалы. Латинские буквы указывают на значимые отличия. При сравнении нескольких выборок количественных данных использовали непараметрический критерий Краскела–Уоллиса. Далее для массивов данных проводили анализ сходства (ANOSIM) и затем анализ главных компонент (PCA), при этом данные были предварительно нормализованы. Для анализа на наличие корреляций использовали коэффициенты корреляции Пирсона. Значимые различия оценивали при p < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние эдафических условий на активность почвенных ферментов. Влияние эдафических условий на ферментативную активность альфегумусовых почв сосновых лесов рассматривали на примере средней подзоны тайги. Медленная трансформация органического вещества на поверхности почв в среднетаежных лесных экосистемах приводит к накоплению значительного количества мортмассы, способствуя, тем самым, формированию лесной подстилки. В черничном и брусничном сосняках в подзолах иллювиально-железистых песчаных образуется мощная лесная подстилка (горизонт О), подразделяемая на подгоризонты: листовой OL 0–2(3) см и ферментативно-гумусовый OFH 2(3)–4(6) см (рис. 1a, 1b). Подгоризонт OL представлен свежим растительным опадом, состоящим из хвои, коры, веток, шишек, отмерших частей мхов, кустарничков и лишайников. Подгоризонт OFH темно-бурого цвета, представлен органическим материалом разной степени разложения. В сосняке лишайниковом на оподзоленном подбуре запас лесной подстилки (10.5 ± 1.3 т/га) был значимо меньше, чем в СБ и СЧ ((32–38) ± 2.3 т/ га). Из-за малой мощности в лишайниковом типе леса лесная подстилка на подгоризонты не дифференцирована (рис. 1c), в ней содержится меньше органического вещества, N, P, K по сравнению с СЧ и СБ (табл. 1). Подзолистый горизонт Е почв в СЧ и СБ морфологически выражен четко, но имеет небольшую мощность – 2–3 см. Иллювиальный горизонт BF залегает на глубине 20–50 см, по гранулометрическому составу это рыхлый и связный песок. Горизонт BC формируется на глубине 50–100 см и представлен желтовато-бурыми, бесструктурными, рыхлыми, песчаными отложениями. Плотность сложения минеральных горизонтов почв увеличивается с глубиной профиля от 1.26 до 1.56 г/см³ (рис. 1a–1c). Подзолы иллювиально-железистые песчаные под сосновыми насаждениями характеризуются кислой реакцией среды, наиболее высокие показатели приурочены к органогенным горизонтам, что обусловлено наличием хвойного опада, обладающего повышенной кислотностью и содержащего труднорастворимые углеводороды и танины. Содержание органического углерода и азота в профиле почв низкое: 0.04–1.02, 0.001–0.06% соответственно (табл. 2). Исключение составляют лесные подстилки, где доля этих элементов от массы горизонта составляет 34–42% (С) и 0.07–0.65% (N). Распределение подвижных форм фосфора и азота носит элювиально-иллювиальный характер, что типично для подзолов. Ведущими почвообразовательными процессами в данных почвах являются накопление подстилки, подзолообразование, иллювиирование.

 

Рис. 1. Почвенные профили в 70–80-летних сосняках черничном, Kvch2 (a), брусничном, Kvch1, 9 (b) и лишайниковом, Kvch8 (c). Активность почвенных ферментов (d) в подстилке сосняков черничного (СЧ), брусничного (СБ) и лишайникового (СЛ), расположенных в средней подзоне тайги.

 

Таблица 1. Химические свойства верхних горизонтов альфегумусовых почв, отобранных в разных лесорастительных условиях (средняя подзона тайги (n = 6))

Параметр	Подзол иллювиально-железистый песчаный Сосняк черничный (Kvch2)				Подзол иллювиально-железистый песчаный Сосняк брусничный (Kvch1,9)				Подбур оподзоленный Сосняк лишайниковый (Kvch8)
	OL	OF+OH	Е	BF	OL	OF+OH	Е	BF	О	АЕ	BF
pH водный	3.9	3.6	4.4	5.2	3.8	3.5	3.9	4.9	3.5	4.7	4.9
pH солевой	3.2	2.9	3.7	4.9	3.2	2.8	3.5	4.3	3.1	4.0	4.8
Запас С, т/га	5.2	6.0	1.7	5.4	4.8	7.5	6.1	8.1	0.1	5.6	8.3
Запас N, кг/га	144	181	48	449	87	179	238	859	104	102	94
Запас Nгидр, кг/га	17	17	6	268	12	16	18	301	7	25	47
Запас Р2О5, кг/га	36	39	223	3301	26	46	184	3740	25	186	1855
Запас Р2О5подв, кг/га	4.2	4.1	47	1129	2.8	4.1	22	1295	2.2	38	610
Запас К2Оподв, кг/га	14	14	11	43	14	16	15	73	6	5	8

 

Таблица 2. Химические свойства подзолов, представленных в сосняках средней подзоны тайги (n = 6)

Параметр	pH		С, г/кг почвы	Nобщ, г/кг почвы	C/N	Робщ, г/кг почвы	Рподв	Кподв	Nгидр
	водный	солевой					мг/кг почвы
Органогенные горизонты
M	3.7	3.0	378.6	9.1	44	0.99	102.2	798.9	968.9
SE	0.04	0.03	8.3	0.7	3	0.04	10.5	85.9	107.1
min	3.5	2.9	344	7	31	0.77	40	410	470
max	3.9	3.2	421	12	59	1.15	140	1330	1470
CV, %	3.3	3.2	6.6	22.9	21.1	11.5	30.8	32.3	33.2
Элювиальные горизонты
M	4.1	3.6	9.3	0.4	29	0.17	26.7	23.3	30.0
SE	0.17	0.10	3.0	0.1	4	0.01	8.8	3.3	11.5
min	3.9	3.4	3.3	0.1	22	0.16	10	20	10
max	4.4	3.7	12.3	0.6	35	0.19	40	30	50
CV, %	7.1	4.8	55.8	68.6	22.6	10.2	57.3	24.7	66.7
Иллювиальные горизонты
M	5.1	4.5	2.3	0.2	20	0.51	160.0	23.3	117.5
SE	0.09	0.24	0.3	0.1	9	0.06	38.9	3.3	12.5
min	4.9	3.8	1.4	0	9	0.33	50	20	90
max	5.2	4.9	2.7	0.3	48	0.63	220	30	150
CV, %	3.4	10.7	26.8	70.7	95.6	25.2	48.7	24.7	21.3
Переходные к материнской породе горизонты
M	5.3	4.8	0.3	0.2	4	0.30	153.3	16.7	136.7
SE	0.15	0.03	0.1	0.1	3	0.09	54.9	3.3	52.1
min	5	4.7	0.2	0	1	0.19	60	10	50
max	5.5	4.8	0.4	0.4	10	0.47	250	20	230
CV, %	4.8	1.2	43.3	124.9	113.8	49.8	62.0	34.6	66.0

Примечание. M, min и max – среднее, минимальное и максимальное значения, SE – ошибка среднего, CV – коэффициент вариации.

 

Различия лесорастительных свойств почв схожего гранулометрического состава можно установить по запасу основных элементов минерального питания и запасам влаги в корнеобитаемом слое в период вегетации растений. В зависимости от условий местообитаний запасы СNPK в почве и лесной подстилки возрастают от СЛ к СБ, СЧ. Запасы влаги в лесной подстилке СЛ в 3 раза ниже, чем в СЧ и СБ, а в минеральном слое 0–25 см – в 1.5–2 раза.

Выявлено, что активность инвертазы (31 мг глюкозы/(г 4 ч)), уреазы (1.1 и 1.2 мг N–NH₄/(г 4 ч) и фосфатазы (258 и 227 г P₂O₅/(100 г 2 ч)) в лесной подстилке не отличалась между СЧ и СБ. Активность каталазы в СЧ (5.7 мл KMnO₄/(г 20 мин)) превосходила таковую в СБ (4.7 мл KMnO₄/(г 20 мин)) (рис. 1d). Каталаза относится к внутриклеточным ферментам (микробная оксидоредуктаза), ее активность коррелирует с метаболической активностью аэробных организмов [34]. Уменьшение ее активности в подстилке СБ может свидетельствовать о замедлении окислительно-восстановительных процессов вследствие сокращения количества аэробных микроорганизмов.

Несмотря на то, что СЛ значительно отличается от СЧ и СБ как мощностью подстилки, так и содержанием основных минеральных элементов, в горизонте О этого типа леса активность каталазы и уреазы была соизмерима с таковой в СБ, а активность инвертазы (44 мг глюкозы/(г 4 ч)) и фосфатазы (397 г P₂O₅/(100 г 2 ч)) была выше по сравнению с СБ и СЧ. Инвертаза относится к группе гидролитических ферментов, расщепляющих метаболически инертную сахарозу на моносахариды: глюкозу и фруктозу, которые, в свою очередь, могут активно вовлекаться в метаболические циклы микроорганизмов. Считается, что корни растений являются основным поставщиком инвертазы в почву [5], как и ее субстрата – сахарозы. Известно, что в древостоях значительная доля сахарозы, образованная в процессе фотосинтеза, транспортируется в корневые системы деревьев для обеспечения их роста [26, 28, 33, 45], при этом часть дисахарида выделяется в ризосферу и становится доступной для почвенной биоты [21, 30, 41, 43]. Показано, что проводимость флоэмы – основной параметр, определяющий скорость транспорта сахаров в корни/ризосферу, у 70–80-летних деревьев сосны в СЛ в 1.9–2.5 раз выше, по сравнению с таковой в СЧ и СБ (неопубликованные данные). Фосфатаза относится к группе гидролитических ферментов, поставщиком которой в почву также являются растения [35, 56], при этом дефицит фосфора может способствовать повышению активности фермента [55]. В СЛ содержание фосфора в подстилке, как и других основных минеральных элементов, было ниже на 30 и 15% для общего фосфора и на 47 и 33% для подвижного фосфора, по сравнению с СЧ и СБ соответственно.

Обнаружено, что внутри профиля наибольшая активность ферментов наблюдается в органогенных горизонтах почв. В минеральных горизонтах активность каталазы, инвертазы, уреазы и фосфатазы снижалась в 4–11, 13–20, 8–17 и 23–540 раз соответственно во всех типах лесорастительных условий (рис. 2а), что согласуется с данными литературы о приуроченности активности почвенных ферментов к верхним, богатым микроорганизмами и корнями растений горизонтам почв [4, 8, 42]. Проведенный анализ сходств ANOSIM, выполненный на основе данных по активности ферментов и химическим свойствам почвы, показал, что данный набор показателей отличается для органогенного и элювиального горизонтов (R = 0.5463, p = 0.0038), что подтверждается анализом главных компонент (рис. 2b, 1с).

 

Рис. 2. (a) Активность каталазы, инвертазы, уреазы и фосфатазы в горизонтах (1 – органогенные, 2 – элювиальные, 3 – иллювиальные, 4 – переходные к материнской породе) подзолов, представленных в сосняках средней подзоны тайги (Kvch1, Kvch2, Kvch9). (b) ANOSIM-анализ массива данных, включающего активности почвенных ферментов и химические свойства горизонтов почв сосняков, расположенных в средней подзоне тайги (Kvch1, Kvch2, Kvch9). (c) Классификация 20 объектов исследования на основе данных активности почвенных ферментов (каталаза, инвертаза, уреаза, фосфатаза) и свойств почвы (рН водный и солевой, содержание углерода (%), общего (%) и гидролизуемого (мг/кг почвы) азота, общего и подвижного фосфора (мг/кг почвы), подвижного калия (мг/кг почвы)). Фактор 1 (78% дисперсии) коррелирует с активностью каталазы, уреазы, инвертазы и фосфатазы; содержанием общего углерода, общего азота, подвижного калия, гидролизуемого азота. Фактор 2 (12% дисперсии) коррелирует с рН водным и солевым; отношением С/N; содержанием подвижного фосфора.

 

В этой связи, влияние климатических условий и действие аэротехногенного загрязнения на изучаемые показатели рассмотрели только на примере подстилки.

Особенности ферментативной активности почв в зависимости от климатических условий. Влияние климатических факторов на исследуемые показатели изучали на примере СБ, расположенных в средней подзоне тайги (Кондопожский район Республики Карелия), северной подзоне тайги (Калевальский район Республики Карелия) и на границе тайги и лесотундры (Печенгский район, Мурманской области). Показано, что различия между районами исследований по среднесуточной температуре в вегетационный сезон составляют 2–5°С. Так, средняя (2020–2022 гг.) температура мая составляет 9.0, 4.9 и 3.7°С; июня – 17.1, 14.4 и 12.1°С; июля – 17.4, 15.3 и 14.5°С; августа – 15.4, 13.0 и 12.2°С для средней подзоны тайги (Kvch1, 9), северной подзоны тайги (Klv10) и границы тайги и лесотундры (Psv12) соответственно (рис. S1) по данным ресурса [58]. Продолжительность безморозного периода в ряду: средняя подзона тайги – северная подзона тайги – граница тайги и лесотундры сокращается и составляет 110, 87 и 85 сут соответственно [1]. Следует отметить, что в период отбора почвенных образцов температура лесной подстилки не отличалась в разных природных зонах и составила 13–15°С. При этом изучаемые климатические районы отличались суммой эффективных температур, на момент отбора образцов ее значения составили 394, 330 и 235°С для средней подзоны тайги (Kvch1, 9), северной подзоны тайги (Klv10) и зоны перехода тайги и лесотундры (Psv12) соответственно (рис. S2).

В зоне перехода тайги в лесотундру (Psv12) почвы сформированы на песчаных завалуненных моренных отложениях в условиях хорошего дренажа, представлены альфегумусовыми подзолами, специфической особенностью которых, в отличие от аналогов в средней и северной подзоне тайги, является малая мощность профиля – не более 50 см. Мощность четко выраженного подзолистого горизонта составляет 3–7 см, ниже располагается иллювиальный горизонт, содержание органического вещества в котором позволяет отнести эти почвы к типу иллювиально-железисто-гумусовые. Суровые климатические условия тормозят процесс трансформации органического вещества, поступающего с опадом, что приводит к увеличению мощности лесной подстилки, следовательно, и запасов углерода, содержащегося в горизонте О. Достоверных отличий между изучаемыми ПП по величине запасов лесной подстилки не выявлено, что, вероятно, связано с высокой вариабельностью этого показателя (CV = 153% для зоны перехода тайги к лесотундре), где величина запаса изменяется от 11 до 337 т/га (табл. 3). Однако запасы углерода, азота, фосфора и калия в профиле почв существенно различаются, что обусловлено уменьшением профиля почв в ряду: средняя подзона тайги – северная подзона тайги – граница тайги и лесотундры. Также установлено, что с продвижением на север уменьшается содержание гидролизуемого азота в органогенном горизонте, что согласуются с выводами других исследователей [7].

 

Таблица 3. Мощность, запас и химические свойства лесной подстилки в сосняках брусничных, расположенных в средней подзоне тайги (Kvch1, 9), северной подзоне тайги (Klv10) и на границе тайги и лесотундры (Psv12) (n = 6 для Kvch1,9 и Klv10; n = 11 для Psv12)

Параметр	Подзол иллювиально-железистый песчаный Kvch1, 9	Подзол иллювиально-гумусовый песчаный Klv10	Подзол иллювиально-железистый песчаный Psv12
Мощность подстилки, см	5.2 ± 0.4	4.9 ± 0.9	5.6 ± 1.6
Запас подстилки, т/га	33.5 ± 2.8	36.5 ± 2.8	80.0 ± 31.2
pH водный	3.67 ± 0.05	2.93 ± 0.10	3.13 ± 0.07
pH солевой	3.00 ± 0.07	2.71 ± 0.01	2.61 ± 0.05
С, г/кг почвы	383 ± 12	478 ± 13	377 ± 6
Nобщ, г/кг почвы	8.17 ± 0.65	6.60 ± 0.60	8.17 ± 0.36
Nгидр, мг/кг почвы	0.90 ± 0.13	0.21 ± 0.04	0.28 ± 0.04
Робщ, г/кг почвы	0.95 ± 0.04	0.61 ± 0.02	0.82 ± 0.06
Рподв, мг/кг почвы	97 ± 15	48 ± 9	110 ± 13
Кподв, мг/кг почвы	821 ± 131	406 ± 37	1524 ± 178

Примечание. Представлены средние значения и ошибка среднего.

 

Выявлено, что в сосняках, расположенных в северной подзоне тайги и на границе тайги и лесотундры, в лесной подстилке активность каталазы ниже на 58 и 69%, уреазы на 43 и 52% и инвертазы на 51 и 28%, по сравнению с таковой в средней подзоне тайги (рис. 3). Анализируя влияние понижения температуры на активность почвенных ферментов, некоторые авторы также отмечают снижение активности урезы, каталазы и инвертазы [55, 57]. Активность фосфатазы в органогенном горизонте почвы значимо не отличалась в разных климатических условиях.

 

Рис. 3. (a) Активность каталазы, инвертазы, уреазы и фосфатазы в подстилке почв сосняков брусничных, расположенных в разных природных зонах. MT – средняя подзона тайги (Kvch1, 9); NT – северная подзона тайги (Klv10); NT/T – граница тайги и лесотундры (Psv12). (b) ANOSIM-анализ массива данных, включающего активности почвенных ферментов и химические свойства почв сосняков брусничных, расположенных в средней подзоне тайги, северной подзоне тайги и на границе тайги и лесотундры. (c) Классификация 22 объектов исследования на основе данных активности почвенных ферментов (каталаза, инвертаза, уреаза, фосфатаза) и свойств почвы (рН водный и солевой, содержание углерода (%), общего (%) и гидролизуемого (мг/кг почвы) азота, общего и подвижного фосфора (мг/кг почвы), подвижного калия (мг/кг почвы)). Фактор 1 (44% дисперсии) коррелирует с активностью каталазы, уреазы и инвертазы; с рН водным и солевым; содержанием гидролизуемого азота. Фактор 2 (26% дисперсии) коррелирует с содержанием общего азота, подвижного фосфора, подвижного калия.

 

Основным поставщиком инвертазы в почву являются корни растений [5]. Уреаза, в большинстве случаев, является внеклеточным ферментом, на ее долю приходится до 63% общей активности в почве [37, 55]. Считается, что источником уреазы, помимо микроорганизмов, также являются растения [23, 36]. Сокращение вегетационного периода в северных регионах, в первую очередь, отражается на обменных процессах внутри растительных организмов, что, в свою очередь, может изменить выделение ими в почву, как гидролитических ферментов, так и их субстратов. Активность уреазы коррелирует с общим азотом почвы и является хорошим индикатором микробиологической минерализации азота в почве [22, 34, 36]. Низкий уровень активности уреазы в более северных регионах может быть следствием меньшего содержания азота, который рассматривается в качестве субстрата уреазы в почве [36], а также органического углерода [18]. Так, активность уреазы в лесной подстилке положительно коррелирует с содержанием гидролизуемого азота (R = 0.63, p = 0.0001, табл. S1). На основании уменьшения активности каталазы, уреазы, инвертазы можно высказать предположение, что лесные подстилки изучаемых ПП отличаются составом и/или численностью микробиома. Уменьшение активности каталазы в подстилке СБ с ухудшением климатических условий может свидетельствовать о снижении выраженности окислительно-восстановительных процессов вследствие уменьшения количества аэробных микроорганизмов [34].

За счет сокращения вегетационного периода снижается скорость разложения органического горизонта и замедляются процессы минерализации органического вещества, что приводит к сдвигу рН в более кислую сторону. Показано, что активность каталазы, уреазы и инвертазы в лесной подстилке положительно коррелирует со значениями водного и солевого pH подстилки. Влияние рН на активность ферментов отмечали и в других исследованиях [60]. Хорошо известно, что для работы каждого фермента существует свой оптимум рН, поддержание которого имеет критическое значение для образования фермент-субстратного комплекса, даже незначительное изменение рН может приводить к существенному снижению активности фермента [50].

Проведенный анализ сходств ANOSIM, выполненный на основе данных по активности ферментов и химическим свойствам почвы, показал, что данный набор показателей отличается для каждой рассматриваемой природной зоны (R = 0.5912, p = 0.0038), что подтверждается анализом главных компонент. Фактор 1 (объясняет 44% дисперсии) положительно коррелировал с активностью каталазы, уреазы, инвертазы, водным и солевым рН подстилки, а также содержанием гидролизуемого азота. Фактор 2 (объясняет 26% дисперсии) положительно коррелировал с содержанием подвижных форм фосфора и калия и отрицательно – с общим запасом органического углерода.

Влияние аэротехногенного загрязнения на активность почвенных ферментов. Имеется достаточно много сведений о том, что активность почвенных ферментов можно использовать в качестве показателя микробной активности, в том числе ее изменения в условиях загрязнения [20, 54, 55]. На примере сосняков, расположенных на разном удалении от ГМК “Печенганикель”, рассмотрено влияние основных элементов загрязнителей – Ni, Cu, S – на активность изучаемых почвенных ферментов. Если содержание S в органогенном горизонте не отличалось в зависимости от удаленности от комбината и составляло в среднем 0.17%, то по содержанию Cu и Ni обнаружены значимые отличия (рис. 4a, 4b). Так, количество Cu и Ni в лесной подстилке ПП в зависимости от удаления от ГМК на 48 км, 26 км и 11 км было выше соответственно на 52 и 59%, 83 и 91, 94 и 93%, по сравнению с контрольными ПП. Для ПП 26 и 11 км эти значения превышали ПДК (55 мг/кг для Cu, 85 мг/кг для Ni по [3]) в 2 и 5 раз соответственно. В результате проведенного исследования не удалось обнаружить значимых отличий в активности изучаемых ферментов в лесной подстилке в зависимости от содержания в ней Cu и Ni (рис. 4c–4f).

 

Рис. 4. Содержание меди (a), никеля (b) и активность каталазы (c), инвертазы (d), уреазы (e), фосфатазы (f) в подстилке почв сосняков брусничных, расположенных на разном удалении от горно-металлургического комбината “Печенганикель” (68 и 81 км (К) – 48 км – 26 км – 11 км).

 

Тяжелые металлы ингибируют ферментативные реакции за счет: (1) комплексообразования с субстратом; (2) блокирования функциональных групп ферментов; (3) взаимодействия с комплексом фермент–субстрат [48]. Различные металлы по-разному влияют на активность ферментов [48]. Ранее показано отрицательное влияние Cu на активность каталазы, инвертазы, фосфатазы и уреазы [16], Cu и Ni – на активность фосфатазы, каталазы и уреазы [31]. Ряд авторов полагает, что к действию Cu и Ni наиболее чувствительна фосфатаза [54, 59]. Есть сведения, что существует обратная связь между содержанием Cu и Ni в почве и активностью почвенных ферментов [16, 31]. Считается, что наибольшую опасность для почвенных ферментов и микроорганизмов представляют подвижные формы металлов [16]. Так, при исследовании мерзлотных лугово-черноземных почв в транспортной зоне Аэропорт–Якутск показано, что содержание в них подвижной Cu в количестве 3–5 мг/кг приводит к снижению активности инвертазы, фосфатазы, уреазы в 4–5 раз, а каталазы – в 10 раз [16]. ГМК “Печенганикель” начал свою работу в 1937 г.; пик медно-никелевого производства пришелся на 1970-е гг.; с 1992 по 2002 гг. происходил постепенный отказ от переработки руды норильских месторождений, что привело к снижению выбросов сернистого ангидрида и тяжелых металлов; модернизация ряда блоков ГМК в 2015 г. позволила сократить выбросы Ni и Cu – до 250 и 130 т/год, а в 2021 г. комбинат прекратил свою деятельность [11]. Можно предположить, что сокращение выбросов ГМК со временем могло проявиться в снижении подвижных форм Ni и Cu, а обнаруженные в работе высокие содержания металлов – это, в основном, труднодоступные для растений формы, накопленные в почве за весь период работы комбината. Так, отмечена положительная реакция деревьев сосны обыкновенной, произрастающих на расстоянии 11 км от ГМК, на уменьшение аэротехногенного загрязнения в период 1988–2018 гг., а именно – увеличение радиального прироста [11]. Следует отметить, что внутри ПП, расположенных на расстоянии 11 и 26 км от комбината, наблюдалась пространственная неоднородность как содержания Cu и Ni, так и активности изучаемых ферментов в лесной подстилке. Также не выявлено достоверных отличий в содержании основных минеральных элементов в лесной подстилке между ПП, различающихся по содержанию Cu и Ni (табл. S2).

В обзорной работе [14] подробно рассмотрена роль ферментов в сохранении биохимического равновесия почв. По мнению автора, поддержание биохимического гомеостаза в почвах возможно, как за счет имеющегося пула иммобилизованных ферментов без резкого увеличения общего количества микроорганизмов, так и путем повторного создания пула микроорганизмов и ферментов. Считается, что модификации микробиологической и ферментативной активности, вызванные загрязнением почвы, имеют тенденцию со временем восстанавливаться, исключение составляют только экстремальные нарушения почвы [14]. На пробных площадях, расположенных на разном удалении от комбината, нарушения почвенного покрова не наблюдалось. Исходя из представленных в этой работе данных и результатов мониторинговых исследований в районе действия ГМК “Печенганикель”, высказано предположение, что факт отсутствия изменения активности почвенных ферментов подстилки на фоне увеличения содержания Cu и Ni может указывать на высокий адаптивный потенциал системы микроорганизмы–почва.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Почвенные ферменты катализируют биохимические процессы, связанные с разрушением органического вещества почвы, приводя к ее обогащению биогенными элементами и гуминовыми веществами. На основании ферментативной активности можно дать оценку активности почвенной биоты, что, в свою очередь, позволяет судить о качестве лесорастительных условий и потенциале производительности лесов. Таким образом, возможно охарактеризовать функциональные связи между почвой, микробо- и фитоценозом. Комплексное исследование биохимической активности лесной подстилки почв бореальных лесов показало, что активность каталазы, уреазы и инвертазы совместно с показателями химических свойств, рекомендуется использовать как показатель для мониторинговых исследований экологического состояния почв в различных лесорастительных условиях. Биохимическую активность подстилки, как правило, рассматривают в системе микроорганизмы–почва. Полученные в работе данные по изменению активности инвертазы в разных лесорастительных условиях указывают на важность дальнейшего изучения влияния на ферментативную активность почвы растительного яруса, в том числе, транспорта сахаров по флоэме древесных растений в корневые системы и почву. Особый интерес представляют данные о стабильности биохимической активности лесной подстилки при разных уровнях накопления в ней меди и никеля. Данные об изменении активности почвенных ферментов при действии тяжелых металлов, широко представленные в литературе, в основном, касаются почв, вовлеченных в сельскохозяйственное использование. Дальнейшее изучение биохимического гомеостаза почв бореальных лесов в условиях действия антропогенного загрязнения может дать дополнительную информацию о природе взаимоотношений почвы, микробо- и фитоценоза.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают благодарность сотрудникам заповедника “Кивач” и заповедника “Пасвик” за помощь в организации полевых работ, а также Татьяне Владимировне Тарелкиной за помощь в отборе образцов.

Исследования проводили на пробных площадях Института леса КарНЦ РАН, заложенных в 2021–2022 гг. в рамках проекта РНФ (№ 21-14-00204).

Анализ почвенных образцов выполнен на научном оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена за счет средств федерального бюджета по государственному заданию Карельского научного центра Российской академии наук (Институт леса КарНЦ РАН).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Онлайн-версия содержит дополнительные материалы, доступные по адресу https://doi.org/10.31857/S0032180X24110119

Об авторах

Н. А. Галибина

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: galibina@krc.karelia.ru
ORCID iD: 0000-0003-1473-3574
Россия, ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, 185910

К. М. Никерова

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Email: galibina@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, 185910

Е. В. Мошкина

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Email: galibina@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, 185910

А. В. Климова

Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук

Email: galibina@krc.karelia.ru
Россия, ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, 185910

Список литературы

Дополнительные файлы