Post-Pyrogenic Restoration of Soil Biological Activity of Artificial Forest Plantations in the Arid Zone of the Shirinsky Steppe of the Republic of Khakassia

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

In the coastal zone of Lake Shira (Republic of Khakassia), in forty-year-old artificial forest plantations of Siberian larch, elm and Scots pine growing on dark light and medium loamy accumulative-calcareous agrozem (Chernozems), the state of microbial communities in the soil, as well as the degree of their degradation and the production ability after strong ground fire 2015 were assesed. Soil condition was investigated by physicochemical, microbiological, enzymological and respirometric research methods. In 2015 (after the fire), due to the significant supply of pyrogenesis products into the soil studied plots, high values of microbial biomass (MB, 3458 mg C/g soil) and intensity of microbial respiration (BR, 12.23 μg C–CO2/(h d)) were recorded. In the first years after the fire (2017–2019), a decrease in the content of humus and biophilic elements was observed in the soil, as well as a slowdown in the activity of carbohydrate and phosphorus metabolism. At the same time, in 2017 the highest level was recorded for the entire observation period cellulose-decomposing activity due to intensive mineralization of burnt plant residues. By 2023, a gradual increase in humus content and activation of mineralization processes led to an increase of the total number of soil microorganisms, the content of microbial biomass, and a significant decrease in the values of the microbial metabolic coefficient All these marks indicate a tendency to restore the functional activity of the soil microbocenoses. It was shown that the soil biological activity in the postfire areas were restored faster than in the postconflagration areas, while the stand species influenced the main soil parameters, which differed from each other, as confirmed by principal component analysis.

作者简介

V. Senashova

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: vera0612@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7083-6757
卢旺达, Krasnoyarsk, 660036

O. Sorokina

Krasnoyarsk State Agrarian University

Email: vera0612@mail.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660049

G. Antonov

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vera0612@mail.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

O. Pashkeeva

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vera0612@mail.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

I. Grodnitskaya

Sukachev Institute of Forest of the Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: vera0612@mail.ru
俄罗斯联邦, Krasnoyarsk, 660036

参考

  1. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 222 с.
  2. Богородская А.В. Влияние пожаров на микробные комплексы почв сосновых лесов Средней Сибири. Автореф. дис… канд. биол. наук. Красноярск, 2006. 21 с.
  3. Богородская А.В., Кукавская Е.А., Каленская О.П., Буряк Л.В. Изменение микробиологических и физико-химических свойств почв после пожаров в сосновых и березовых лесах центральных районов Забайкальского края // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1418–1436.
  4. Вальков В.Ф., Елисеева Н.В., Имгрунт И.И., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Справочник по оценке почв. Майкоп: Адыгея, 2004. 236 с.
  5. Габбасова И.М., Гарипов Т.Т., Комиссаров М.А., Сулейманов Р.Р., Суюндуков Я.Т., Хасанова Р.Ф. и др. Влияние пожаров на свойства степных почв Зауралья // Почвоведение. 2019. № 12. С. 1513–1523. https://doi.org/10.1134/S0032180X19120049
  6. Гладков Г.В., Чебыкина Е.Ю., Евдокимова Е.В., и др. Восстановление почвенного микробиома в различных почвенных горизонтах после верхового и низового лесных пожаров // Экологическая генетика. 2020. Т. 18. № 3. С. 343–356.
  7. Гродницкая И.Д., Сенашова В.А., Антонов Г.И., Пашкеева О.Э. Микробиологическая индикация почв лесных посадок в Ширинской степи // Лесоведение. 2022. № 3. С. 270–284.
  8. Гродницкая И.Д., Сенашова В.А., Антонов Г.И., Полякова Г.Г., Пашкеева О.Э., Пашенова Н.В. Биоиндикация состояния темно-серой почвы в сосняках Красноярской лесостепи при антропогенном воздействии // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1173–1189.
  9. Елагин И.Н., Лобанов А.И. Атлас-определитель фенологических фаз растений. М.: Наука, 1979. 95 с.
  10. Зонн С. В. Почва как компонент лесного биогеоценоза // Основы лесной биогеоценологии. М.: Наука, 1964. С. 372–495.
  11. Иванов В.В. Степи западного Казахстана в связи с динамикой их покрова. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 288 с.
  12. Инструментальные методы исследований почв и растений. Электронный учебно-метод. комплекс. http//www.kgau.ru/distance/2013/a2/011/00b_soderz.html (дата обращения: 24.01.2024).
  13. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.
  14. Карпачевский Л. О. Роль биоценозов в формировании почв // Роль почвы в лесных биогеоценозах: XII. Чтения памяти академика В.Н. Сукачева. М.: Наука, 1995. С. 38–52.
  15. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  16. Краснощеков Ю.Н., Чередникова Ю.С. Постпирогенная изменчивость лесных почв в горном Прибайкалье. Новосибирск: СО РАН, 2022. 164 с.
  17. Кулик К.Н. Опустынивание земель и защитное лесоразведение в Российской Федерации // Опустынивание земель и борьба с ним. Абакан, 2007. С. 25–29.
  18. Курбатский Н. П. Терминология лесной пирологии/Н. П. Курбатский // Вопросы лесной пирологии. 1972. С. 171–231.
  19. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Звягинцева Д.Г. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 303 с.
  20. Методы оценки структуры, функционирования и разнообразия детритных пищевых сетей. Методическое руководство / Под ред. Покаржевского А.Д. и др. М.: Ин-т проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 2003. 100 с.
  21. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. М.: Изд-во МГУ, 1988. 219 с.
  22. Опарин М.Л., Опарина О.С. Влияние палов на динамику степной растительности // Приволжский экологич. журн. 2003. № 2. С. 158–171.
  23. Практикум по агрохимии / Под ред. Минеева В.Г. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. 689 с.
  24. Практикум по микробиологии / Под ред. Нетрусова А.И. М.: Academia, 2005. 603 с.
  25. Родин Л.Е. Пирогенный фактор и растительность аридной зоны // Ботанический журн. 1981. № 12. С. 1673–1684.
  26. Савин Е.Н. Выращивание лесных полос в степях Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 102 с.
  27. Савичев О.Г., Гусева Н. В., Абдуллаев Б. Д. Водный баланс системы озер Шира – Иткуль (Хакасия) // Вестник Томского гос. ун-та. 2015. № 391. С. 214–219. https://doi.org/10.17223/15617793/391/34
  28. Савостьянов В.К. Опустынивание на юге Средней Сибири: современное состояние, борьба с ним, использование опустыненных земель, ближайшие задачи // Опустынивание земель и борьба с ним: матер. Межд. научн. конф. 16–19 мая 2006 г. Абакан, 2007. С. 50–57.
  29. Савостьянов В.К. О деградации почв в регионах Средней Сибири за последние 30–35 лет // Совершенствование ведения сельскохозяйственного производства на опустыненных землях аридной зоны. РАСХН, Сиб. отд., НИИ аграрных проблем Хакасии, Тувинский НИИСХ, НИИ растениеводства и земледелия Монголии. Абакан, 2010. С. 89–95.
  30. Сорокин Н.Д., Молоков В.А. Повышение приживаемости культур лиственницы в степных районах Хакасии // Лес. хоз-во. 1985. № 5. С. 55–57.
  31. Сорокина О.А. Трансформация плодородия почв под лесными насаждениями на сопряженных элементах рельефа в степях Хакассии // Лесоведение. 2017. № 1. С. 60–72.
  32. Сорокин Н.Д., Сорокина О.А., Сенашова В.А. Биогенность почв как показатель устойчивости искусственных лесных насаждений в сухостепных условиях Хакасии // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2017. № 3. С. 329–336.
  33. Степные пожары и управление пожарной ситуацией в степных ООПТ: экологические и природоохранные аспекты. Аналитический обзор. / Под ред. Смелянского И.Э. М.: Изд-во Центра охраны дикой природы, 2015. 144 с.
  34. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
  35. Якушев А.В., Кузнецова И.Н., Благодатская Е.В., Благодатский С.А. Зависимость активности полифенолпероксидаз и полифенолоксидаз в современных и погребенных почвах от температуры // Почвоведение. 2014. № 5. С. 590–596.
  36. Abbasian F., Lockington R., Mallavarapu M., Naidu R.A. Comprehensive review of aliphatic hydrocarbon biodegradation by bacteria // Appl. Biochem. Biotechnol. 2015. V. 176. P. 670–699.
  37. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. P. 314–322.
  38. Anderson T.H., Domsch K.H. Application of ecophysiological quotients (qCO2 and qD) on microbial biomasses from soils of different cropping histories // Soil Biol. Biochem. 1990. V. 22. P. 251–255.
  39. Aponte H., Meli P., Butler B., Paolini J., Matus F., Merino C., Cornejo P., Kuzyakov Y. Microbial Community-Level Physiological Profiles and Genetic Prokaryotic Structure of Burned Soils Under Mediterranean Sclerophyll Forests in Central Chile // Front. Microbiol. 2022. V. 13. 824813. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.824813
  40. Barnet H.L., Hunter B.B. Illustrated Genera of Imperfect Fungi. Minnesota: American Phytopathological Society, 1999. 218 p.
  41. Blank R.R., Allen F., Young J.A. Growth and elemental content of several sagebrush-steppe species in unburned and post-wildfire soil and plant effects on soil attributes // Plant and Soil. 1994. V. 164. P. 35–41. https://doi.org/10.1007/BF00010108
  42. Chigineva N.I., Aleksandrova A.V., Marhan S., Kandeler E., Tiunov A.V. The 410 importance of mycelial connection at the soil–litter interface for nutrient translocation, 411 enzyme activity and litter decomposition // Appl. Soil Ecology. 2011. V. 51. P. 35–41.
  43. Fritze H., Pennanen T., Pietikainen J. Recovery of soil microbial biomass and activity from prescribed burning // Can. J. Forest Res. 1993. V. 23. № 7. P. 1286–1290.
  44. Grasso G.H., Ripabelli G., Sammareo M.L., Mazzoleni S. Effect of heating on the microbial population of grassland soil // Int. J. Wildland Fire. 1996. V. 6. № 2. P. 67–70.
  45. Gregersen T. Rapid method for distinction of gram-negative from grampositive bacteria // Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1978. V. 5. P. 123–127.
  46. Holden S.R., Rogers B.M., Treseder K.K., Randerson J.T. Fire severity influences the response of soil microbes to a boreal forest fire // Environ. Res. Lett. 2016. V. 11. № 3. P. 035004.
  47. Moya D., Gonzalez-De Vega S., Lozano E. et al. The burn severity and plant recovery relationship affect the biological and chemical soil properties of Pinus halepensis Mill. stands in the short and mid-terms after wildfire // J. Environ. Managem. 2019. V. 235. P. 250–256. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.01.029
  48. Petrovič M., Briški F., Kaštelan-Macan M. Biosorption and biodegradation of humic substances by Trichoderma viride // Prehrambeno-tehnology biotehnology reviews. 1993. V. 31. P. 145–149.
  49. Pérez-Valera E., Goberna M., Verdú M. Fire modulates ecosystem functioning through the phylogenetic structure of soil bacterial communities // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 129. P. 80–89. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.11.007
  50. Rodríguez J., González-Pérez J.A., Turmero A., Hernández M., Ball A.S., González-Vila F. J., et al. Physico-chemical and microbial perturbations of Andalusian pine forest soils following a wildfire // Sci. Total Environ. 2018. V. 634. P. 650–660. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.028
  51. Sadeghifar M., Agha A.B.A. Pourreza M. (2020). Comparing soil microbial eco-physiological and enzymatic response to fire in the semi-arid Zagros woodlands. Appl. Soil Ecol. 2020. V. 147. P. 103366. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103366
  52. Ghani M.J., Rajoka M.I., Kalsoon Akhtar. Investigations in fungal solubilization of coal: mechanisms and significance // Biotchnology and Bioprocess Engineering. 2015. V. 20. P. 634–642. http://doi.org 10.1007/s12257-015-0162-5
  53. Sharma P., Pajni S., Dhillon N., Vadehra D.V., Dube D.K. Limitation of congo-red staining techniques for the detection of cellulolytic activities // Biotechnol. Lett. 1986. V. 8. P. 579–580.
  54. Sharma U., Garima, Sharma J.C., Devi M. Effect of Forest fire on soil nitrogen mineralization and microbial biomass: A review // J. Pharmacognosy and Phytochemistry. 2017. V. 6. № 3. P. 682–685
  55. Sinsabaugh R.L. Phenol oxidase, peroxidase and organic matter dynamics of soil // Soil Biol. Biochem. 2010. V. 42. P. 391–404.
  56. Song M., Peng W.X/, Zeng F.P. et al. Spatial patterns and drivers of microbial taxa in a karst broadleaf forest // Front Microbiol. 2018. V. 9. P. 1691. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01691
  57. Sparling G.T. The substrate-induced respiration method // Methods in applied soil microbiology and biochemistry. London: Acad. Press, 1995. P. 397–404.
  58. Watanabe T. Pictorial atlas of soil and seed fungi: morphologies of cultured fungi and key to species. Boca Raton: CRC Press, Inc., 2002. 506 p.
  59. World Reference Base for Soil Resources 2014, International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps, World Soil Res. Rep. No. 106, update 2015. FAO, Rome. www.fao.org
  60. Wüthrich C., Schaub D., Weber M., Marxer P., Conedera M. Soil respiration and soil microbial biomass after fire in a sweet chestnut forest in southern Switzerland // Catena. 2002. V. 48. № 3. P. 201–215.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Layout of tree species plantations in the coastal zone of Lake Shira: distance to plantings 500-2500 m, arrows indicate direction of fire movement, see above for variant codes.

下载 (324KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Structure of soil profiles under artificial plantations in the coastal zone of Lake Shira: 1 - control plot for variants with larch and elm, 2 - plot for variants TAC and PVM, 3 - plot for variants PLR and PLM, 4 - plot for variants GLR and GLM, 5 - control plot for variant with pine, 6 - plot for variant GSR.

下载 (571KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Microbial biomass (MB) content and basal respiration rate (BR) (a) and dynamics of changes in microbial metabolic coefficient (qCO2) values (b) in the soil of cinders and fire sites in the coastal zone of Lake Shira (seasonal averages 2018-2023). The horizontal axis denotes study variants: 1 - CGS, 2 - GSR, 3 - GLM, 4 - GLR, 5 - PLM, 6 - PLR, 7 - PVM, 8 - TAC, 9 - CLV.

下载 (823KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Changes in the cellulosic degradability of the soil of burn and fire plots in 2017 and 2023 in the coastal zone of Shira Lake.

下载 (120KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Distribution of agrosoil parameters of accumulative-carbonate agrosoil of experimental and control variants of the plots of the garry and fire-fighting site in the plane of two principal components obtained from the main chemical and microbiological characteristics. Each point is characterised by the following soil parameters: MB, BD, qCO2, pH, soil moisture and temperature, activity of urease, protease, invertase, peroxidase, polyphenol oxidase, humification coefficient (Kg) and the number of ecological-trophic groups of microorganisms.

下载 (125KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024