Respiration activity microbial biomass in the main types of mountain soils along the elevation gradient of the Central Caucasus

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of studies aimed at assessing the variability of indicators of the respiratory activity of soil microbiota (rate of basal and substrate-induced respiration), as well as the carbon content of organic matter and microbial biomass in soils, formed and functioning in natural (slightly damaged) biogeocenoses, along altitudinal gradient, from the foothills to the high mountain regions of the Central Caucasus (500–3500 m above sea level, elbrusvariant of altitudinal zonality, Kabardino-Balkaria). It is shown that with an increase in absolute height, from mountain chernozems to mountain-meadow subalpine soils, the average values of all studied parameters in surface horizons (0–10 and 0–20 cm, depending on soil type) increase significantly, and at maximum altitude, in mountain-meadow alpine soils, they significantly decrease. In addition, it was established how the parameters under consideration change in soils of various types located within the same altitudinal zone. It was revealed that the compared pairs of soil types differ statistically significantly in most of the studied indicators (t > 2.5; p < 0.02). The data obtained indicate that the influence of the altitudinal gradient is largely refracted by additional factors. To identify the degree of influence of the main factors characterizing the relief (height above sea level; aspect; slope) and climate (19 bioclimatic characteristics) on the formation of the studied parameters, a multi-regression analysis was carried out. He showed that the average cumulative contribution of all 22 factors to the variation of the studied indicators is: in mountain chernozems 40%; in mountain meadow chernozem-like soils 66%; in mountain-meadow subalpine steppe soils 31%; in mountain-meadow subalpine 67%; in mountain meadow alpine soils 67%. Thus, both for soils located along an altitudinal gradient and those functioning within the same altitudinal zone, the influence of the considered factors can differ significantly, and relief and climate play an important, but not the only role, in shaping the properties of mountain soils in the Central Caucasus.

About the authors

R. Kh. Tembotov

Tembotov Institute of Ecology of Mountain Territories, Russian Academy of Sciences; Saint-Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: r.tembotov@spbu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2342-4653

Биологический факультет

Russian Federation, St. Petersburg, 199034

References

  1. Альпы – Кавказ: Современные проблемы конструктивной географии горных стран. Научные итоги франко-советских полевых симпозиумов в 1974 и 1976 гг. М.: Наука, 1980. 325 с.
  2. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 222 с.
  3. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2011. № 11. С. 1327–1333.
  4. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Рыжова И.М., Бочарникова Е.О., Стольникова Е.В. Углерод микробной биомассы и микробное продуцирование двуокиси углерода дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биогеоценозов и коренных ельников южной тайги (Костромская область) // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1108–1116.
  5. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Калов Х.М., Бисчоков Р.М., Богаченко Е.М. Анализ и прогноз изменения климата в Кабардино-Балкарской республике. Нальчик: Изд-во КБГАУ, 2005. 150 с.
  6. Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2016. 243 с.
  7. Борисов А.В., Каширская Н.Н., Ельцов М.В., Пинской В.Н., Плеханова Л.Н., Идрисов И.А. Почвы древних земледельческих террас Восточного Кавказа // Почвоведение. 2021. № 5. С. 542–557.
  8. Вальков В.Ф. Почвенно-географические исследования на Северном Кавказе: к истории заблуждений // Научная мысль Кавказа. 2001. № 1. С. 57–61.
  9. Гвоздецкий Н.А. Кавказ. М.: Изд-во Географгиз, 1963. 282 с.
  10. Гедгафова Ф.В., Горобцова О.Н., Улигова Т.С., Цепкова Н.Л., Хакунова Е.М., Даова К.Х., Темботов Р.Х. Оценка изменения биологической активности горных лугово-степных почв пастбищ разных стадий дигрессии Центрального Кавказа // Почвоведение. 2023. № 6. С. 787–798.
  11. Геннадиев А.Н. О почвообразовании под луговой и лесной растительностью в высокогорье Центрального Кавказа (Приэльбрусье) // Почвоведение. 1978. № 4. С. 122–131.
  12. Гольдберг Л.М., Цепкова Н.Л., Семенюк Н.В., Хачатуров М.А. Продуктивность луговых экосистем и ее связь с основными гидротермическими параметрами в Приэльбрусье // Пробл. экол. мониторинга и моделир. экосистем. 1991. С. 61–74.
  13. Горобцова О.Н., Минкина Т.М., Улигова Т.С., Темботов Р.Х., Хакунова Е.М. Биологическая активность горных и равнинных черноземов Центрального Кавказа (в границах Кабардино-Балкарии) // Поволжский экологический журнал. 2018. № 2. С. 183–196.
  14. Гулисашвилли В.З. Природные зоны и естественно-исторические области Кавказа. М.: Наука, 1964. 326 с.
  15. Добровольский В.В. Практикум по географии почв. М.: Владос, 2001. 143 с.
  16. Залиханов М.Ч., Коломыц Э.Г., Шарая Л.С., Цепкова Н.Л., Сурова Н.А. Высокогорная геоэкология в моделях. М.: Наука, 2010. 487 с.
  17. Звягинцев Д.Г., Кожевин П.А., Малахов В.В. Экологические проблемы в почвенной микробиологии // Общая микробиология. 1976. Т. 37. № 5. С. 691–706.
  18. Зонн С.В. Почвы Дагестана. Сельское хозяйство Дагестана. М.: Изд-во АН СССР, 1940. С. 97–156.
  19. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федер. ун-та, 2012. 260 с.
  20. Керефов К.Н., Фиапшев Б.Х. Природные зоны и пояса Кабардино-Балкарской АССР. Нальчик: Каб.-Балк. кн. изд-во, 1977. 71 с.
  21. Кисриев Ф.Г., Керимханов С.У. Почвенно-климатическое районирование территории Дагестанской АССР // Тр. ДНИИСХ. Махачкала: Даг. кн. изд-во, 1967. Т. IV. С. 9–28.
  22. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 280 с.
  23. Козунь Ю.С., Казеевa К.Ш., Колесниковa С.И. Влияние климата на ферментативную активность лесных почв Северного Кавказа // Лесоведение. 2022. № 3. C. 262–269. https://doi.org/10.31857/S002411482203010X
  24. Курганова И.Н. Эмиссия и баланс диоксида углерода в наземных экосистемах России. Дис. … док. биол. наук. Пущино, 2010. 401 с.
  25. Молчанов Э.Н. К проблеме почвенно-географического районирования гор Северного Кавказа // Почвоведение. 1991. № 1. С. 5–18.
  26. Молчанов Э.Н. Сравнительная характеристика основных типов почв высокогорий Северного Кавказа (на примере Кабардино-Балкарской и Дагестанской АССР). Дис. … канд. геогр. наук: М., 1973. 236 с.
  27. Молчанов Э.Н., Калмаков В.Д., Романова А.К. и др. Почвенная карта Кабардино-Балкарской АССР. М-б 1 : 100 000. М.: ГУГК, 1990.
  28. Молчанов Э.Н., Савин И.Ю., Разумов В.В., Макаров О.А., Цветнов Е.В., Ермияев Р.Я., Шишкона-кова Е.А., Харзинов С.М. Деградация горных черноземов северного склона Джинальского хребта (Центральный Кавказ) и ее эколого-экономические последствия // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2017. № 87. С. 86–99. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-87-86-99
  29. Наумов А.В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности. Автореф. дис. … докт. биол. наук. Томск, 2004. 37 с.
  30. Орлов А.И. Ошибки при использовании коэффициентов корреляции и детерминации // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. № 84. С. 68–72. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-3-68-72
  31. Пинской В.Н., Идрисов И.А., Каширская Н.Н., Ельцов М.В., Потапова А.В., Борисов А.В. Влияние экспозиции склона на химические и биологические свойства почв земледельческих террас восточного Кавказа // Аридные экосистемы. 2022. Т. 28. № 2. С. 113–121. https://doi.org/10.24412/1993-3916-2022-2-113-121
  32. Почвы Кабардино-Балкарской АССР и рекомендации по их использованию. Нальчик: Гос. проектный институт по землеустройству СевКавНИИгипрозем, 1984. 201 с.
  33. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях. М.: ACADEMA, 2004. 416 c.
  34. Разумов В.В., Курданов Х.А., Разумова Л.А., Крохмаль А.Г., Батырбекова Л.М. Экосистемы гор Центрального Кавказа и здоровье человека. Ставрополь: Илекса, Ставропольсервисшкола, 2003. 448 с.
  35. Русакова И.В. Изучение экологического состояния микробного сообщества дерново-подзолистой почвы при длительном применении соломы и минеральных удобрений // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 6. С. 120–124.
  36. Селезнева А.Е., Иващенко К.В., Сушко С.В., Журавлева А.И., Ананьева Н.Д., Благодатский С.А. Дыхательная активность микробного сообщества почвы и его функциональное разнообразие при смещении верхней границы леса в горах Северо-Западного Кавказа // Вестник Российского университета дружбы народов. Сер. Агрономия и животноводство. 2021. Т. 16. № 3. C. 226–237. https://doi.org/10.22363/2312-797X-2021-16-3-226-237
  37. Соколов В.Е., Темботов А.К. Позвоночные Кавказа. Млекопитающие. Насекомоядные. М.: Наука, 1989. 547 с.
  38. Солдатов А.С. Почвы горных пастбищ Гунибского и Лакского районов Дагестанской АССР // Тр. отд. почвовед. Махачкала: Даг. Фил. АН СССР, 1956. Т. 3. С. 30–78.
  39. Темботов А.К. География млекопитающих Северного Кавказа. Нальчик: Эльбрус, 1972. 245 с.
  40. Темботов А.К., Темботова Ф.А. Фундаментальная экология горных территорий и ее социальные аспекты // Мат-лы Всеросс. науч.-пр. конф. “Северный Кавказ в условиях глобализации”. Майкоп, 2001. С. 277–280.
  41. Темботов Р.Х., Горобцова О.Н. Эколого-биологическая оценка состояния почвенного покрова Центрального Кавказа: (в границах терского и эльбрусского вариантов поясности). Нальчик: Изд-во М. и В. Котляровых, 2018. 136 с.
  42. Титлянова А.А., Вишнякова Е.К. Изменение продуктивности болотных и травяных экосистем по широтному градиенту // Почвы и окружающая среда. 2022. № 2. С. 1–19. https://doi.org/10.31251/pos.v5i2.176
  43. Тиунов А.В. Метабиоз в почвенной системе: влияние дождевых червей на структуру и функционирование почвенной биоты. Дис. … докт. биол. наук. М., 2007. 284 с.
  44. Фиапшев Б.Х. Высокогорные почвы центральной части Северного Кавказа. Нальчик: Изд-во КБГСХА, 1996. 137 с.
  45. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. 1978. V. 10. № 3. P. 215-221.
  46. Anderson T.H., Domsch K.H. Rations of microbial biomass to total organic carbon in arable soils // Soil Biol. Biochem. 1989. V. 21. № 4. P. 471–479.
  47. Anderson T.H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO2 (qCO2) as a specific activity parameter to assess the effect of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393–395.
  48. Bardel T., Gómez-Brandón M., Ascher-Jenull J., Fornasier F., Arfaioli P., Francioli D., Egli M., Sartori G., Insam H., Pietramellara G. Effects of slope exposure on soil physico-chemical and microbiological properties along an altitudinal climosequence in the Italian Alps // Sci. Total Environ. 2017. V. 575. P. 1041–1055. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.09.176
  49. DIN ISO 14240-1. Soil quality – determination of soil microbial biomass. Part 1: substrate-induced respiration method. Berlin-Wien-Zürich: Beuth, 1997.
  50. Gedgafova F.V., Gorobtsova O.N., Uligova T.S., Tsepkova N.L., Tembotov R.Kh., Khakunova E.M. Assessment of biological activity in mountain chernozems and mountain-meadow chernozemic soils of natural biogeocenoses in the Central Caucasus, Russia // Eurasian J. Soil Sci. 2022.V. 11. Р. 77–85. https://doi.org/10.18393/EJSS.996603
  51. He X., Hou E., Veen G.F., Ellwood M., Dijkstra P., Sui X., Zhang S., Wen D., Chu C. Soil microbial biomass increases along elevational gradients in the tropics and subtropics but not elsewhere // Global Ecology and Biogeography. 2020. V. 29. P. 345–354. https://doi.org/10.1111/geb.13017
  52. Insam H., Domsch K.H. Relation between soil organic carbon and microbial biomass on chronosequences of reclamation sites // Microbial Ecology. 1988. V. 15. № 2. P. 177–188.
  53. Insam H., Haselwandter K. Metabolic quotient of the soil microflora in relation to plant succession // Ecology. 1989. V. 79. № 1. P. 174–178.
  54. Ivashchenko K.V., Sushko S.V., Selezneva A. E., Ananyeva N.D., Zhuravleva A.I., Kudeyarov V.N., Makarov M.I., Blagodatsky S.A. Soil microbial activity along an altitudinal gradient: Vegetation as a main driver beyond topographic and edaphic factors // Appl. Soil Ecology. 2021. V. 168. P. 104197. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.104197
  55. Karger D.N., Conrad O., Böhner J., Kawohl T., Kreft H., Soria-Auza R.W., Zimmermann N.E., Linder P., Kessler M. Climatologies at high resolution for the Earth land surface areas // Scientific Data. 2017. P. 170122. https://doi.org/10.1038/sdata.2017.122
  56. Kozun Y.S., KazeevK.Sh., Kolesnikov S.I. Climatic gradients of biological properties of zonal soils of natural lands // Geoderma. 2022. V. 425. P. 116031. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116031
  57. Li D.Q., Zhang F.P., Cao Z.J., Zhou W., Phoon K.K., Zhou C.B. Efficient reliability updating of slope stability by reweighting failure samples generated by Monte Carlo simulation // Comput. Geotech. 2015. V. 69. P. 588–600. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2015.06.017
  58. Margesin R., Jud M., Tscherko D., Schinner F. Microbial communities and activities in alpine and subalpine soils // FEMS Microbiology Ecology. 2009. V. 67. P. 208–218. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2008.00620.x
  59. Shen R.C., Xu M., Li R.Q., Zhao F.X., Sheng Q.K. Spatial variability of soil microbial biomass and its relationships with edaphic, vegetational and climatic factors in the Three-River Headwaters region on Qinghai-Tibetan Plateau // Appl. Soil Ecol. 2015. V. 95. P. 191–203. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.06.011
  60. Rezaei S.A., GilkesR.J. The effects of landscape attributes and plant community on soil chemical properties in rangelands // Geoderma. 2005. V. 125. P. 167–176. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.07.010
  61. Siles J.A., Margesin R. Abundance and Diversity of Bacterial, Archaeal, and Fungal Communities Along an Altitudinal Gradient in Alpine Forest Soils: What Are the Driving Factors? // Microb. Ecol. 2016. V. 72. P. 207–220. https://doi.org/10.1007/s00248-016-0748-2
  62. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome. 2014. 181 p.
  63. Yang L., Meng X., Zhang X. SRTM DEM and its application advances // International Journal of Remote Sensing. 2011. V. 32. P. 3875–3896. https://doi.org/10.1080/01431161003786016
  64. https://ru.climate-data.org/

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The study area and the boundary of the Elbrus variant of zonation (Central Caucasus, within Kabardino-Balkaria).

Download (2MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Organic carbon content, basal and substrate induced respiration rates, and microbial biomass carbon content of mountain soils in the Central Caucasus: 1 – mountain chernozems, 2 – mountain meadow subalpine, 3 – mountain meadow alpine.

Download (284KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Contribution of relief factors (altitude, aspect, slope) to variation in organic carbon content, basal and substrate-induced respiration rates, and microbial biomass carbon content in mountain soils located along the altitudinal gradient of 500–3500 m above sea level (Elbrus variant of zonality, Central Caucasus).

Download (93KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Contribution of bioclimatic factors to variation in organic carbon content, basal and substrate-induced respiration rates, and microbial biomass carbon content in mountain soils located along the altitudinal gradient of 500–3500 m above sea level (Elbrus variant of zonality, Central Caucasus).

Download (110KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences