Температурная чувствительность минерализации органического вещества и функциональное разнообразие микробного сообщества почв городских парков вдоль широтного градиента

Аннотация

Почвы городов содержат значительные запасы органического вещества (ОВ), в процессе минерализации которого образуется СО₂, играющий важную роль в контексте глобального изменения климата. Известно, что скорость минерализации ОВ увеличивается с повышением температуры почвы, а величина такого эффекта во многом зависит от ее физико-химических свойств. В то же время влияние функционального разнообразия микробного сообщества на температурную чувствительность минерализации ОВ (Q₁₀) остается все еще малоизученным и особенно для урбоэкосистем. Поэтому наше исследование было сфокусировано на оценке влияния функционального разнообразия микробного сообщества на показатель Q₁₀ для почв различных городов. В Санкт-Петербурге, Москве, Воронеже и Краснодаре, которые расположены в разных биоклиматических зонах (южная тайга, смешанные леса, лесостепь и степь соответственно), было выбрано по четыре городских парка, в которых отбирали образцы почвы из верхнего 10-см слоя. В почвенных образцах определяли скорость минерализации ОВ при разных температурах (10, 20, 30 и 40°С) для последующего расчета Q₁₀. В качестве факторов, влияющих на Q_10, определены физико-химические (влажность, гранулометрический состав, pH, содержание C, N, P₂O₅ и K₂O) и микробные (функциональное разнообразие и углерод микробной биомассы) свойства почвы. Показано, что пространственное варьирование Q₁₀ гумусовых горизонтов почв изученных городов связано в основном с их гранулометрическим составом, содержанием С, N и влажностью, а функциональное разнообразие коррелирует с содержанием P₂O₅. Закономерного изменения Q₁₀ и изученных свойств почвы городских парков вдоль широтного градиента не выявлено, однако показана отрицательная зависимость Q₁₀ от функционального микробного разнообразия (R²=0.50). Можно полагать, что высокое функциональное разнообразие способствует снижению «чувствительности» минерализации ОВ почвы к изменению температуры.

Литература

1. Звягинцев Д.Г., Добровольская Т.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Марфенина О.Е. Роль микроорганизмов в биогеоценотических функциях почв // Почвоведение. 1992. № 6.

2. Карелин Д.В., Люри Д.И., Горячкин С.В., Лунин В.Н., Кудиков А.В. Изменение почвенной эмиссии диоксида углерода в ходе постагрогенной сукцессии в черноземной лесостепи // Почвоведение. 2015. № 11.

3. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015.

4. Теории и методы физики почв / отв. ред. Е.В. Шеин, Л.О. Карпачевский. М.: «Гриф и К.», 2007.

5. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia // European Journal of Soil Biology. 2008. Vol. 44 (2).

6. Benbi D.K., Boparai A.K., Brar K. Decomposition of particulate organic matter is more sensitive to temperature than the mineral associated organic matter // Soil Biology and Biochemistry. 2014. Vol. 70.

7. Borowik A., Wyszkowska J. Soil moisture as a factor affecting the microbiological and biochemical activity of soil // Plant, Soil and Environment. 2016. Vol. 62 (6).

8. Butcher K.R., Nasto M.K., Norton J.M., Stark J.M. Physical mechanisms for soil moisture effects on microbial carbon-use efficiency in a sandy loam soil in the western United States // Soil Biology and Biochemistry. 2020. Vol. 150.

9. Campbell C.D., Chapman S.J., Cameron C.M. et al. A rapid microtiter plate method to measure carbon dioxide evolved from carbon substrate amendments so as to determine the physiological profiles of soil microbial communities by using whole soil // Applied and Environmental Microbiology. 2003. Vol. 69.

10. Chen B., Liu S., Ge J., Chu J. Annual and seasonal variations of Q₁₀ soil respiration in the sub-alpine forests of the Eastern Qinghai-Tibet Plateau China // Soil Biology and Biochemistry. 2010. Vol. 42.

11. Chowdhury N., Marschner P., Burns R.G. Soil microbial activity and community composition: Impact of changes in matric and osmotic potential // Soil Biology and Biochemistry. 2011. Vol. 43 (6).

12. Conen F., Leifeld J., Seth B., Alewell C. Warming mineralises young and old soil carbon equally // Biogeosciences. 2006. Vol. 3.

13. Craine J.M., Gelderman T.M. Soil moisture controls on temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition for a mesic grassland // Soil Biology and Biochemistry. 2011. Vol. 43 (2).

14. Davidson E.A., Belk E., Boone R.D. Soil water content and temperature as independent or confounded factors controlling soil respiration in a temperate mixed hardwood forest // Global Change Biology. 1998. Vol. 4.

15. Davidson E.A., Janssens I.A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. Vol. 440.

16. Fang C., Smith P., Smith J.U. Is resistant soil organic matter more sensitive to temperature than the labile organic matter? // Biogeosciences. 2006. Vol. 3.

17. Giardina C.P., Ryan M.G. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature // Nature. 2000. Vol. 404.

18. Hamdi S., Moyano F., Sall S., Bernoux M., Chevallier T. Synthesis analysis of the temperature sensitivity of soil respiration from laboratory studies in relation to incubation methods and soil conditions // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 58.

19. Hooper D.U., Chapin F.S., Hector A. et al. Effects of biodiversity on ecosystem functioning: a consensus of current knowledge // Ecological Monographs. 2005. Vol. 75.

20. ISO 16072. Soil quality – laboratory methods for determination of microbial soil respiration. International Organization for Standardization. Geneva, Switzerland. 2002.

21. Ivashchenko К., Ananyeva N., Vasenev V., Sushko S., Seleznyova A., Kudeyarov V. Microbial C-availability and organic matter decomposition in urban soils of megapolis depend on functional zoning // Soil and Environment. 2019. Vol. 38. No. 1.

22. Janssens I.A., Dore S., Epron D. et al. Climatic influences on seasonal and spatial differences in soil CO₂ efflux // Fluxes of Carbon, Water and Energy of European Forests / R. Valentini (Ed.). Ecological Studies (Analysis and Synthesis). Berlin, Heidelberg, 2003. Vol. 163.

23. Karhu K., Auffret M.D., Dungait J.A.J. et al. Temperature sensitivity of soil respiration rates enhanced by microbial community response // Nature. 2014. Vol. 513.

24. Klimek B., Chodak M., Jazwa M., Azarbad H., Niklinska M. Soil physicochemical and microbial drivers of temperature sensitivity of soil organic matter decomposition under boreal forests // Pedosphere. 2020. Vol. 30 (4).

25. Klimek B., Jelonkiewicz L., Niklinska M. Drivers of temperature sensitivity of decomposition of soil organic matter along a mountain altitudinal gradient in the Western Carpathians // Ecological Research. 2016. V. 31.

26. Knorr W., Prentice I.C., House J.I., Holland E.A. Long-term sensitivity of soil carbon turnover to warming // Nature. 2005. Vol. 433.

27. Laub M., Ali R.S., Demyan M.S., Nkwain Y.F., Poll C., Högy P., Poyda A., Ingwersen J., Blagodatsky S., Kandeler E., Cadisch G. Modeling temperature sensitivity of soil organic matter decomposition: Splitting the pools // Soil Biology and Biochemistry. 2021. Vol. 153.

28. Luo Y., Zhou X. Soil Respiration and the Environment. London: Academic Press, 2006.

29. Meyer N., Welp G., Amelung W. The temperature sensitivity (Q₁₀) of soil respiration: Controlling factors and spatial prediction at regional scale based on environmental soil classes // Global Biogeochemical Cycles. 2018. Vol. 32.

30. Stone M.M., Weiss M.S., Goodale C.L., Adams M.B., Fernandez I.J., German D.P., Allison S.D. Temperature sensitivity of soil enzyme kinetics under N‐fertilization in two temperate forests // Global Change Biology. 2012. Vol. 18.

31. Sun Q., Wang R., Wang Y., Du L., Zhao M., Gao X., Hu Y., Guo S. Temperature sensitivity of soil respiration to nitrogen and phosphorous fertilization: Does soil initial fertility matter? // Geoderma. 2018. Vol. 325.

32. Vanhala P, Karhu K, Tuomi M, Björklöf K, Fritze H, Liski J. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in southern and northern areas of the boreal forest zone // Soil Biology and Biochemistry. 2008. Vol. 40.

33. Vasenev V.I., Smagin A.V., Ananyeva N.D., Ivashchenko K.V., Gavrilenko E.G., Prokofeva T.V., Patlseva A., Stoorvogel J.J., Gosse D.D. and Valentini R. Urban Soil’s Functions: Monitoring Assessment and Management / In Adaptive Soil Management: From Theory to Practices, A. Rakshit et al. (eds.). Springer Nature Singapore. 2017.

34. von Lützow M. and Kögel-Knabner I. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition-what do we know? // Biology and Fertility of Soils. 2009. Vol. 46.

35. Wang D., He N.P., Wang Q., Lü Y.L., Wang Q.F., Xu Z.W., Zhu J.X. Effects of temperature and moisture on soil organic matter decomposition along elevation gradients on the Changbai Mountains, Northeast China // Pedosphere. 2016. Vol. 26 (3).

36. Wang R., Wang Z., Sun Q., Zhao M., Du L., Wu D., Li R., Gao X., Guo S. Effects of crop types and nitrogen fertilization on temperature sensitivity of soil respiration in the semi-arid Loess Plateau // Soil and Tillage Research. 2016. Vol. 163.

37. Xu Z, Tang S, Xiong Li, Yang W, Yin H, Tu L, Wu F, Chen L, Tan B. Temperature sensitivity of soil respiration in China’s forest ecosystems: patterns and controls // Applied Soil Ecology. 2015. Vol. 93.

38. Zang H., Blagodatskaya E., Wen Y., Shi L., Cheng F., Chen H., Zhao B., Zhang F., Fan M., Kuzyakov Y. Temperature sensitivity of soil organic matter mineralization decreases with long‐term N fertilization: Evidence from four Q₁₀ estimation approaches // Land Degradation and Development. 2020. Vol. 31.

39. Zhou Z., Guo C., Meng H. Temperature sensitivity and basal rate of soil respiration and their determinants in temperate forests of North China // PLoS ONE. 2013. Vol. 8 (12). Published online: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0081793