Почвы черневой тайги Западной Сибири - морфология, агрохимические особенности, микробиота

Абакумов Е.В.; Лойко С.В.; Истигечев Г.И.; Кулемзина А.И.; Лащинский Н.Н.; Андронов Е.Е.; Лапидус А.Л.; Abakumov E.V.; Loyko S.V.; Istigechev G.I.; Kulemzina A.I.; Lashchinskiy N.N.; Andronov E.E.; Lapidus A.L.

doi:10.15389/agrobiology.2020.5.1018rus

Почвы черневой тайги Западной Сибири - морфология, агрохимические особенности, микробиота

Автор: Абакумов Е.В., Лойко С.В., Истигечев Г.И., Кулемзина А.И., Лащинский Н.Н., Андронов Е.Е., Лапидус А.Л.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Микробные сообщества почв

Статья в выпуске: 5 т.55, 2020 года.

Бесплатный доступ

Почвы черневой тайги Западной Сибири обладают исключительно высоким потенциальным плодородием, не затронутым негативными последствиями многолетней сельскохозяйственной практики и реализующимся за счет внутренних биотических и абиотических ресурсов. Анализ такого комплекса связанных свойств в рамках метагеномного исследования и выявление микробных драйверов плодородия могут стать основой инновационных технологий повышения продуктивности почв и сельскохозяйственных культур. В настоящей работе нами впервые получены данные о таксономической структуре и особенностях микробиоты почв черневой тайги и выявлены таксоны, численность которых достоверно увеличивается при переходе от фоновой зональной почвы к почве черневой тайги. Анализ почвенных образцов, собранных при экспедиционных обследованиях в 2019 году, показал, что почвы черневой тайги (Новосибирская, Томская и Кемеровская области, Алтайский край) представлены в основном подзолистыми, дерново-подзолистыми, серыми и (намного реже) темно-серыми почвами (тяжелосуглинистыми и легкоглинистыми разновидностями, приуроченными к делювиальным чехлам голоценового и позднеплейстоценового возраста). Эти почвы формируются при уникальных комбинациях геогенных и биоклиматических условий, при которых почвы не промерзают зимой и обеспечены влагой, что способствует быстрой минерализации подстилочного материала и закреплению минеральных элементов питания в верхней гумусированной толще почвенного профиля. Аккумуляция биофильных элементов является важнейшим свойством почв черневой тайги, с которым связан феномен гигантизма и крайне высокой продуктивности растений. Мы показали, что почвы черневой тайги содержат максимальное количество органического углерода по сравнению с почвами олиготрофных местообитаний (9,85 против 2,74 %). Актуальное почвенное плодородия в черневой тайге в несколько раз выше, чем в смежных биотопах (максимальное содержание доступных форм фосфора и калия - соответственно 702 и 470 мг/кг). Расположенные в смежных ландшафтах почвы относительно олиготрофных лесов бедны по агрохимическим показателям плодородия (максимальное содержание обменных форм фосфора и калия - соответственно 113 и 18 мг/кг), имеют маломощный гумусовый горизонт и относятся (согласно субстантивно-профильной классификации почв России) к органо-аккумулятивным и альфегумусовым стволам почвообразования. Разнообразие микроорганизмов в изученных почвах различается в зависимости от режима трофности экосистемы. Почвы черневой тайги характеризуются повышенным разнообразием микробного сообщества (оценка по индексу Шеннона), а также присутствием филумов Nitrospirae и Thaumarchaeota, которые, однако, не доминируют. Общие филы для всех изученных почв - Proteobacteria , Verrucomicrobia , Actinobacteria , Acidobacteria , Planctomycetes и Firmicutes .

Еще

Экологические функции почв, черневая тайга, микробные сообщества, метагеномное секвенирование, факторы плодородия, западная сибирь

Короткий адрес: https://sciup.org/142229428

IDR: 142229428 | УДК: 631.4:579:577.2 | DOI: 10.15389/agrobiology.2020.5.1018rus

Soils of chernevaya taiga of Western Siberia - morphology, agrochemical features, microbiota

The soils of Chernevaya taiga are unique in terms of high fertility that was formed not as a result of agricultural practices, but due to the combination of a huge volume of biotic and abiotic resources. This area was able to preserve its “pre-agricultural” level of fertility overtime by avoiding the negative consequences of long-standing agricultural usage. Comprehensive analysis of all related properties within the framework of a metagenomic study and identification of microbial drivers of fertility can become the basis for innovative technologies aimed to increase the productivity of soils and crops. In this work, for the first time were obtained data on the taxonomic structure and features of the microbiota of soils in the Chernevaya taiga and identified taxa, the number of which significantly increases with the transition from the background zonal soil to the soil of Chernevaya taiga. Analysis of soil samples collected during expeditionary surveys in 2019 showed that the soils in the Western Siberia (Novosibirsk, Tomsk, Kemerovo, and Altai regions) portion of the Chernevaya taiga are texture-differentiated dark gray soils (clay loam and silt clay varieties confined to the deluvial cover of the Holocene and Late Pleistocene) that were formed as a result of a unique combination of geogenic and bioclimatic conditions. These soils are not affected by the permafrost in winter timers and are supplied with enough moisture to precipitate rapid mineralization of litter material and the fixation of mineral nutrients in the upper humus layer of the soil profile. The accumulation of nutrients is an essential property of the soils of the Chernevaya taiga associated with the phenomenon of gigantism and extremely high levels of plant productivity. The soils of Chernevaya taiga contain the maximum amount of carbon in organic compounds compared with soils of oligotrophic habitats (9.85% versus 2.74%). The levels of actual soil fertility in the soils of the Chernevaya taiga are several times higher than in the soils of adjacent biotopes (the maximum content of the exchange forms of phosphorus and potassium is 702 and 470 mg/kg), which, when compared to oligotrophic forests, are poor in terms of agrochemical fertility (the maximum content of the exchange forms of phosphorus and potassium is 113 and 18 mg/kg), do not have a pronounced humus profile and are either gray-humus (Umbrisol) or Podzol types according to substantive-profile classification of Russian soils. The diversity of microorganisms in the studied soils varies depending on the trophic regime of the ecosystem. The soils of the Chernevaya taiga are characterized by an increased diversity of the microbial community (estimated by the Shannon index), as well as by presence of phyla Nitrospirae and Thaumarchaeota , that, however, are not dominant. Phyla Proteobacteria , Verrucomicrobia , Actinobacteria , Acidobacteria , Planctomycetes , Firmicutes appeared to be common for all studied soils.

Еще

Список литературы Почвы черневой тайги Западной Сибири - морфология, агрохимические особенности, микробиота

Vitousek P.M., Mooney H.A., Lubchenco J., Melillo J.M. Human domination of Earth's ecosystems. Science, 1997, 277(5325): 494-499 (doi: 10.1126/science.277.5325.494).
Clark C. M., Tilman D. Loss of plant species after chronic low-level nitrogen deposition to prairie grasslands. Nature, 2008, 451(7179): 712 (doi: 10.1038/nature06503).
Diaz R.J., Rosenberg R. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems. Science, 2008, 321(5891): 926-929 (doi: 10.1126/science.1156401).
Marques A., Martins I.S., Kastner T., Plutzar C., Theurl M.C., Eisenmenger N., Huijbregts M.A.J., Wood R., Stadler K., Bruckner M., Canelas J., Hilbers J.P., Tukker A., Erb K., Pereira H.M. Increasing impacts of land use on biodiversity and carbon sequestration driven by population and economic growth. Nature Ecology and Evolution, 2019, 3(4): 628-637 (doi: 10.1038/s41559-019-0824-3).
Tilman D. Biodiversity and environmental sustainability amid human domination of global ecosystems. Daedalus, 2012, 141(3): 108-120 (doi: 10.1162/DAED_a_00166).
Song X.-P., Hansen M.C., Stehman S.V., Potapov P.V., Tyukavina A., Vermote E.F., Towns-hend J.R. Global land change from 1982 to 2016. Nature, 2018, 560(7720): 639-643 (doi: 10.1038/s41586-018-0411-9).
Foley J.A., DeFries R., Asner G.P., Barford C., Bonan G., Carpenter S.R., Chapin F.S., Coe M.T., Daily G.C., Gibbs H.K., Helkowski J.H., Holloway T., Howard E.A., Kucharik C.J., Monfreda C., Patz J.A., Prentice I.C., Ramankutty N., Snyder P.K. Global consequences of land use. Science, 2005, 309(5734): 570-574 (doi: 10.1126/science.1111772).
Davidson E.A. The contribution of manure and fertilizer nitrogen to atmospheric nitrous oxide since 1860. Nature Geoscience, 2009, 2(9): 659-662 (doi: 10.1038/ngeo608).
Guo J.H., Liu X.J., Zhang Y., Shen J.L., Han W.X., Zhang W.F., Christie P., Goulding K.W.T., Vitousek P.M., Zhang F.S. Significant acidification in major chinese croplands. Science, 2010, 327(5968): 1008-1010 (doi:10.1126/science.1182570).
Gomiero T. Soil degradation, land scarcity and food security: Reviewing a complex challenge. Sustainability (Switzerland), 2016, 8(3): article № 281 (doi: 10.3390/su8030281).
Kopittke P.M., Menzies N.W., Wang P., McKenna B.A., Lombi E. Soil and the intensification of agriculture for global food security. Environment International, 2019, 132: article № 105078 (doi: 10.1016/j.envint.2019.105078).
Di H.J., Cameron K.C. Nitrate leaching in temperate agroecosystems: sources, factors and mitigating strategies. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 64(3): 237-256 (doi: 10.1023/A:1021471531188).
Sebilo M., Mayer B., Nicolardot B., Pinay G., Mariotti A. Long-term fate of nitrate fertilizer in agricultural soils. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(45): 18185-18189. (doi: 10.1073/pnas.1305372110).
Wang Y., Ying H., Yin Y., Zheng H., Cui Z. Estimating soil nitrate leaching of nitrogen fertilizer from global meta-analysis. Science of the Total Environment, 2019, 657: 96-102 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.029).
Tilman D., Cassman K.G., Matson P.A., Naylor R., Polasky S. Agricultural sustainability and intensive production practices. Nature, 2002, 418(6898): 671-677 (doi: 10.1038/nature01014).
Castellano M.J., David M.B. Long-term fate of nitrate fertilizer in agricultural soils is not necessarily related to nitrate leaching from agricultural soils. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(8): E766 (doi: 10.1073/pnas.1321350111).
Калиничева Е.Ю., Польшакова Н.В., Коломейченко А.С. Мелиорация сельскохозяйственных земель в России: состояние и перспективы развития. Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2017, 3(66): 121-128.
Ramankutty N., Foley J.A. Estimating historical changes in global land cover: Croplands from 1700 to 1992. Global Biogeochemical Cycles, 1999, 13(4): 997-1027 (doi: 10.1029/1999GB900046).
Крышняя С.В. Феномен сахалинского крупнотравья: условия произрастания растений крупнотравного комплекса. Вестник Сахалинского музея, 2011, 17: 338-356.
Бобровский М.В. Лесные почвы Европейской России. М., 2010.
Смирнова О.В., Луговая Д.Л., Проказина Т.С. Модельная реконструкция восстановленного лесного покрова таежных лесов. Успехи современной биологии, 2013, 2: 164-177.
Смирнова О.В., Шашков М.П., Коротков В.Н., Широков А.И. Лесные «острова» Южного Ямала. Природа, 2008, 12: 20-24.
Смирнова О.В., Алейников А.А., Смирнов Н.С., Луговая Д.Л. Пионовая тайга. Природа, 2014, 2: 54-63.
Тишков А.А. Актуальная биогеография как методологическая основа сохранения биоразнообразия. Вопросы географии, 2012, 134: 15-57.
Мониторинг биологического разнообразия лесов России: методология и методы /Отв. ред. А.С. Исаев. М., 2008.
Таранов С.А. Экологические и генетические особенности почв лесного пояса Горной Шории. В кн.: Лесные почвы горного окаймления юго-востока Западной Сибири (Восточный Алтай, Горная Шория, Салаир) /Отв. ред. Р.В. Ковалев. Новосибирск, 1974: 75-132.
Бабенко А.С., Нефедьев П.С., Нефедьева Ю.С. Фауна и динамика населения двупарно-ногих многоножек (Diplopoda) черневой тайги Салаира. Вестник Томского государственного университета, 2009, 319:182-185.
Fierer N., Strickland M.S., Liptzin D., Bradford M.A., Cleveland C.C. Global patterns in belowground communities. Ecology Letters, 2009, 12(11): 1238-1249 (doi: 10.1111/j.1461-0248.2009.01360.x).
Delgado-Baquerizo M., Oliverio A.M., Brewer T.E., Benavent-Gonzalez A., Eldridge D.J., Bardgett R.D., Maestre F.T., Singh B.K., Fierer N. A global atlas of the dominant bacteria found in soil. Science, 2018, 359(6373): 320-325 (doi: 10.1126/science.aap9516).
Lundberg D.S., Lebeis S.L., Paredes S.H., Yourstone S., Gehring J., Malfatti S., Tremblay J., Engelbrektson A., Kunin V., del Rio T.G., Edgar R.C., Eickhorst T., Ley R.E., Hugenholtz P., Tringe S.G., Dangl J.L. Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome. Nature, 2012, 488: 86-90 (doi: 10.1038/nature11237).
Bates S.T., Berg-Lyons D., Caporaso J.G., Walters W.A., Knight R., Fierer N. Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil. The ISME Journal, 2011, 5: 908-917 (doi: 10.1038/ismej.2010.171).
Martin V. Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnet.journal, 2011, 17(1): 10-12 (doi: 10.14806/ej.17.1.200).
Callahan B.J., McMurdie P.J., Rosen M.J., Han A.W., Johnson A.J.A., Holmes S.P. DADA2: High-resolution sample inference from Illumina amplicon data. Nature Methods, 2016, 13: 581583 (doi: 10.1038/nmeth.3869).
Quast C., Pruesse E., Yilmaz P., Gerken J., Schweer T., Yarza P., Peplies J., Glöckner F.O. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Research, 2013, 41(D1): D590-D596 (doi: 10.1093/nar/gks1219).
Janssen S., McDonald D., Gonzalez A., Navas-Molina J.A., Jiang L., Xu Z.Z., Winker K., Kado D.M., Orwoll E., Manary M., Mirarab S., Knight R. Phylogenetic placement of exact amplicon sequences improves associations with clinical information. mSystems, 2018, 3: e00021-18 (doi: 10.1128/mSystems.00021-18).
Bolyen E., Rideout J.R., Dillon M.R., Bokulich N.A., Abnet C.C., Al-Ghalith G.A., Alexander H., Alm E.J., Arumugam M., Asnicar F., Bai Y., Bisanz J.E., Bittinger K., Brejnrod A., Brislawn C.J., Brown C.T., Callahan B.J., Caraballo-Rodraguez A.M., Chase J., Cope E.K., Da Silva R., Diener C., Dorrestein P.C., Douglas G.M., Durall D.M., Duvallet C., Edwardson C.F., Ernst M., Estaki M., Fouquier J., Gauglitz J.M., Gibbons S.M., Gibson D.L., Gonzalez A., Gorlick K., Guo J., Hillmann B., Holmes S., Holste H., Huttenhower C., Huttley G.A., Janssen S., Jarmusch A.K., Jiang L., Kaehler B.D., Kang K.B., Keefe C.R., Keim P., Kelley S.T., Knights D., Koeste.r I, Kosciolek T., Kreps J., Langille M.G.I., Lee J., Ley R., Liu Y.X., Loft-field E., Lozupone C., Maher M., Marotz C., Martin B.D., McDonald D., McIver L.J., Melnik A.V., Metcalf J.L., Morgan S.C., Morton J.T., Naimey A.T., Navas-Molina J.A., Nothias L.F., Or-chanian S.B., Pearson T., Peoples S.L., Petras D., Preuss M.L., Pruesse E., Rasmussen L.B., Rivers A., Robeson M.S., Rosenthal P., Segata N., Shaffer M., Shiffer A., Sinha R., Song S.J., Spear J.R., Swafford A.D., Thompson L.R., Torres P.J., Trinh P., Tripathi A., Turnbaugh P.J., Ul-Hasan S., van der Hooft J.J.J., Vargas F., V6zquez-Baeza Y., Vogtmann E., von Hippel M., Walters W., Wan Y., Wang M., Warren J., Weber K.C., Williamson C.H.D., Willis A.D., Xu Z.Z., Zaneveld J.R., Zhang Y., Zhu Q., Knight R., Caporaso J.G. Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome data science using QIIME 2. Nature Biotechnology, 2019, 37: 852-857 (doi:10.1038/s41587-019-0209-9).
McMurdie P.J., Holmes S. phyloseq: An R package for reproducible interactive analysis and graphics of microbiome census data. PLoS ONE, 2013, 8(4): e61217 (doi: 10.1371/journal.pone.0061217).
Love M.I., Huber W., Anders S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biology, 2014, 15(12): 550 (doi: 10.1186/s13059-014-0550-8).
Лойко С.В., Герасько Л.И., Кулижский С.П., Амелин И.И., Истигечев Г.И. Строение почвенного покрова северной части ареала черневой тайги юго-востока Западной Сибири. Почвоведение, 2015, 4: 410-423 (doi: 10.7868/S0032180X15040061).
Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. М., 2005.
Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биологический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных надземных экосистемах. Новосибирск, 2008.
Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск, 1975.
Achat D.L., Bakker M.R., Augusto L., Derrien D., Gallegos N., Lashchinskiy N., Milin S., Nikitich P., Raudina T., Rusalimova O., Zeller B., Barsukov P. Phosphorus status of soils from contrasting forested ecosystems in southwestern Siberia: effects of microbiological and physico-chemical properties. Biogeosciences, 2013, 10: 733-752 (doi: 10.5194/bg-10-733-2013).
Лойко С.В., Бобровский М.В., Амелин И.И. Высокотравная черневая тайга Западной Сибири: почвенные и палеоэкологические причины высокой продуктивности. Мат. докладов Всероссийской научно-практической конференции «Человек и природа — взаимодействие на особо охраняемых природных территориях», посвященной Году особо охраняемых природных территорий и Году экологии (Новокузнецк, 27-30 сентября 2017 года). Новокузнецк, 2017: 81-96.
Смоленцев Б.А., Смоленцева Е.Н. Бурозёмы Кузнецкого Алатау, их свойства и разнообразие. Вестник Томского государственного университета. Биология, 2020, 50: 6-27 (doi: 10.17223/19988591/50/1).
Корсунов В.М. Подзолистые почвы автономных ландшафтов средней тайги Приени-сейской части Западной Сибири. В сб.: О почвах Сибири. Новосибирск, 1978: 122-131.
Корсунова Т.М., Корсунов В.М. Экологический условия формирования специфического гумусового профиля подзолистых почв южной тайги Приенисейской равнины. В сб.: Генезис и география лесных почв. М., 1980: 85-104.
Корсунов В.М., Ведрова Э.Ф., Игнатьева Л.Н. Генетико-лесоводственная характеристика почв Причулымья и перспективы их сельскохозяйственного использования в связи с развитием КАТЭКа. В сб.: Почвы зоны КАТЭКа. Красноярск, 1981: 99-113.
Корсунов В.М., Ведрова Э.Ф. Оподзоленные почвы южной части Енисейской равнины. В сб.: География и картография лесных почв. Новосибирск, 1982: 66-88.
Горожанкина С.М., Константинов В.Д. География тайги Западной Сибири. Новосибирск, 1978.
Васенев И.И., Таргульян В.О. Ветровал и таежное почвообразование (режимы, процессы, морфогенез почвенных сукцессии). М., 1995.
Васенев И.И. Почвенные сукцессии. М., 2008.
Урусевская И.С., Хохлова О.С., Соколова Т.А. Влияние почвообразующих пород на дифференциацию почв и почвенного покрова северной части Приволжской возвышенности. Почвоведение, 1992, 8: 22-37.
Пономарева В.В. Теория подзолообразовательного процесса. Биохимические аспекты /Под ред. М.М. Кононова. Казань, 1964.
Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование (методы и результаты изучения). Л., 1980: 222.
Pershina E.V., Ivanova E.A., Korvigo I.O., Chirak E.L., Sergaliev N.H., Abakumov E.V., Pro-vorov N.A., Andronov E.E. Investigation of the core microbiome in main soil types from the East European plain. Science of the Total Environment, 2018, 631-632: 1421-1430 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.136)
Розенберг Г.С. Несколько слов об индексе разнообразия Симпсона. Бюллетень Самарская Лука, 2007, 16(3-21): 581-584.
Sangwan P., Chen X., Hugenholtz P., Janssen P.H. Chthoniobacter flavus gen. nov., sp. nov., the first pure-culture representative of subdivision two, Spartobacteria classis nov., of the phylum Verru-comicrobia. Applied and Environmental Microbiology, 2004, 70(10): 5875-5881 (doi: 10.1128/AEM.70.10.5875-5881.2004).
Kant R., van Passel M.W., Palva A., Lucas S., Lapidus A., Glavina del Rio T., Dalin E., Tice H., Bruce D., Goodwin L., Pitluck S., Larimer F.W., Land M.L., Hauser L., Sangwan P., de Vos W.M., Janssen P.H., Smidt H. Genome sequence of Chthoniobacter flavus Ellin428, an aerobic heterotrophic soil bacterium. Journal of Bacteriology, 2011, 193(11): 2902-2903 (doi: 10.1128/JB.00295-11).

Еще