Особенности пула гидролитических ферментов в почвах земледельческих террас Восточного Кавказа

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено исследование влияния сельскохозяйственной деятельности в эпоху средневековья (X – XV вв. н.э.) на активности 11 гидролитических ферментов, участвующих в биогеохимических циклах основных элементов в почвах. В качестве объектов исследования выбраны агростратоземы средневековых земледельческих террас среднегорного Дагестана (Plaggic и Hortic Anthrosol). Во всех случаях ферментативная активность изученных почв, во всех почвенных слоях уменьшалась в следующем ряду: щелочная фосфатаза > фосфодиэстераза > кислая фосфатаза > пирофосфатаза ≥ лейцинаминопептидаза > арилсульфатаза > хитиназа > β-глюкозидаза > ксиланаза > α-глюкозидаза > целлобиогидролаза. Ферментативная активность изученных почв, в первую очередь, определялась величиной микробной биомассы (Смик). Активность ферментов различных групп на 61–94% зависела от Смик. Сельскохозяйственная практика, связанная с распашкой, внесением навоза и орошением, приводит к конвергенции активности ферментов азотного цикла в почвах горной зоны, что связано со сходными особенностями круговорота азота в агрогенных почвах, независимо от биоклиматических условий. Внесение органических материалов привело к увеличению физиологической эффективности микробных сообществ и скорости продуцирования ферментов, при этом высокая биологическая активность может сохраняться около 1000 лет. Распашка с внесением органических удобрений в прошлом, привела к увеличению ферментативной активности, выраженной на единицу микробной биомассы (удельная активность).

Об авторах

Е. В. Чернышева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Россия, Пущино

Ф. Форназьер

Исследовательский центр виноградарства и энологии; SOLIOMICS

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Италия, Гориция; Удине

Список литературы

  1. Бабаев М.П., Оруджева Н.И. Оценка биологической активности почв субтропической зоны Азербайджана // Почвоведение. 2009. № 10. С. 1248–1255.
  2. Борисов А.В., Коробов Д.С., Идрисов И.А., Калинин П.И. Почвы земледельческих террас с подпорными стенками в горном Дагестане // Почвоведение. 2018. № 1. С. 26–36. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 17010038
  3. 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. https://doi.org/10.31857/S0032180X2105004X
  4. Демкинa Т.С., Борисов А.В., Хомутова Т.Э. Сравнительная характеристика современных и погребенных почвенных комплексов в пустынно-степной зоне Волго-Донского междуречья // Почвоведение. 2019. № 11. C. 1295–1306. http :// dx. doi. org /10.1134/ S 0032180 X 19110029
  5. Каширская Н.Н., Плеханова Л.Н., Чернышева Е.В., Ельцов М.В., Удальцов С.Н., Борисов А.В. Пространственно-временные особенности фосфатазной активности естественных и антропогенно-преобразованных почв // Почвоведение. 2020. № 1. С. 89–101. https://doi.org/10.31857/ S 0032180 X 20010098
  6. Куликова А.Х. Антонова С.А., Козлов А.В. Ферментативная активность почвы в зависимости от удобрения // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 4. С. 36–42.
  7. Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка ферментативной активности черноземов Ростовской области под бинарными посевами подсолнечника // Известия ТСХА. 2017. Вып. 6. С. 141–155.
  8. Собина А.С., Хачиков Э. А., Шмараева А. Н., Федоренко А. Н., Приходько В.Д., Казеев К.Ш. Биологическая активность чернозема обыкновенного через 5 лет после прекращения агрогенной обработки // Агрохимический вестник. 2022. № 1. С. 22–26.
  9. Теории и методы физики почв / Под ред. Шеина Е.В., Карпачевского Л.О. М.: Гриф и К, 2007. 616 с.
  10. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. М.: Наука, 1982. 204 с.
  11. Хамова О.Ф., Бойко В.С. Влияние минеральных удобрений и орошения на биологическую активность лугово-черноземной почвы и урожайность многолетних трав //Агрохимия. 2004. № 11. С. 9–13.
  12. Хомутова Т.Э. Демкина Т.С., Борисов А.В., Шишлина Н.И. Состояние микробных сообществ подкурганных палеопочв пустынно-степной зоны эпохи средней бронзы (XXVII – XXVI вв. до н.э.) в связи с динамикой увлажненности климата // Почвоведение. 2017. № 2. С. 239–248. https://doi.org/10.7868/ S 0032180 X 1702006 X
  13. Чернышева Е.В., Форназьер Ф., Борисов А.В. Коэффициенты пересчета содержания двухцепочечной ДНК в углерод микробной биомассы почв: физико-химические аспекты и влияние антропогенной деятельности // Почвоведение. 2023. № 5. С. 664–675. https://doi.org/10.31857/S0032180X2260127X
  14. Щур А.В., Виноградов Д.В., Валько В.П. Влияние различных уровней агроэкологических нагрузок на биохимические характеристики почвы // Юг России: экология, развитие. 2016. Т. 11. № 4. С. 139–148.
  15. Anderson T.-H., Martens R. DNA determinations during growth of soil microbial biomasses // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 57. P. 487–495. https://doi.org/10.1016/j. soilbio.2012.09.031
  16. Bastida F., Torres I.F., Romero-Trigueros C., Baldrian P., Větrovský T., Alarcon J.J. Combined effects of reduced irrigation and water quality on the soil microbial community of a citrus orchard under semi-arid conditions // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 104. P. 226–237. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.10.024
  17. Beheshti A., Raiesi F., Golchin A. Soil properties, C fractions and their dynamics in land use conversion from native forests to croplands in northern Iran // Agric. Ecosyst. Environ. 2012. V. 148. P. 121–133. https://doi.org/10.1016/j.agee.2011.12.001
  18. Blum S.A.E., Lorenz M.G., Wackernagel W. Mechanism of retarded DNA degradation and prokaryotic origin of DNases in nonsterile soils // Systematic Appl. Microbiol. 1997. V. 20. P. 513–521. https://doi.org/10.1016/S0723-2020(97)80021-5
  19. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E., Wallenstein M.D., Weintraub M.N. et al. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 58. P. 216–234. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.009
  20. Chen W., Wu L., Frankenberger W.T., Chang A.C. Soil enzyme activities of long‐term reclaimed wastewater‐irrigated soils // J. Environ. Qual. 2008. V. 37 (S5). P. S-36–41. https://doi.org/10.2134/jeq2007.0315
  21. Chernysheva E., Khomutova T., Fornasier F., Kuznetsova T., Borisov A. Effects of long-term medieval agriculture on soil properties: A case study from the Kislovodsk basin, Northern Caucasus, Russia // J. Mt. Sci. 2018. V. 15. P. 1171–1185. https://doi.org/10.1007/s11629-017-4666-7
  22. Chernysheva E., Korobov D., Khomutova T., Fornasier F., Borisov A. Soil microbiological properties in livestock corrals: An additional new line of evidence to identify livestock dung // J. Archaeol. Sci: Rep. 2021. V. 37. 103012 https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2021.103012.
  23. Cowie A., Lonergan, V.E., Rabbi F.S.M., Fornasier F., Macdonald C., Harden S., Akitomo Kawasaki A. et al. The impact of carbon farming practices on soil carbon in northern New South Wales // Soil Res. 2013. V. 51. P. 707–718. https://doi.org/10.1071/SR13043
  24. Crecchio C., Stotzky G. Binding of DNA on humic acids: effect on transformation of Bacillus subtilis and resistance to DNase // Soil Biol. Biochem. 1998. V. 30. P. 1060–1067. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(97)00248-4
  25. Cui Y., Bing H., Fang L., Jiang M., Shen G., Yu J., Wang X. et al. Extracellular enzyme stoichiometry reveals the carbon and phosphorus limitations of microbial metabolisms in the rhizosphere and bulk soils in alpine ecosystems // Plant Soil. 2019. V. 458. P. 7–20. https://doi.org/10.1007/s11104-019-04159-x
  26. De Medeiros E.V., de Alcantara Notaro K., de Barros J.A., da Silva Moraes W., Silva A. O., Moreira K.A. Absolute and specific enzymatic activities of sandy entisol from tropical dry forest, monoculture and intercropping areas // Soil Tillage Res. 2015. V. 145. P. 208–215. https://doi.org/10.1016/j.still.2014.09.013
  27. Dick R.P., Sandor J.A., Eash N.S. Soil enzyme activities after 1500 years of terrace agriculture in the Colca Valley, Peru // Agr. Ecosyst. Environ. 1994. V. 50. P. 123–131. https://doi.org/10.1016/0167-8809(94)90131-7
  28. Dinkelaker B., Marschner H. In vivo demonstration of acid phosphatase activity in the rhizosphere of soil-grown plants // Plant Soil. 1992. V. 144. P. 199–205. https://doi.org/10.1007/BF00012876.
  29. Duly O., Nannipieri P. Intracellular and extracellular enzyme activity in soil with reference to elemental cycling // Zeitschrift fuÈr Pflanzenerna Èhrung und Bodenkunde. 1998. V. 161. P. 243–248. https://doi.org/10.1002/jpln19983581610310
  30. Edmeades D.C. The long-term effects of manure and fertilisers on soil productivity and quality: a review // Nutr. Cycl. Agroecosys. 2003. V. 66. P. 165–180. https://doi.org/10.1023/A:1023999816690
  31. Giacometti C., Demyan M.S., Cavani L, Marzadori C., Ciavatta C., Kandeler E. Chemical and microbiological soil quality indicators and their potential to differentiate fertilization regimes in temperate agroecosystems // Appl. Soil Ecol. 2013. V. 64. P. 32–48. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2012.10.002
  32. Hendriksen N.B., Creamer R.E., Stone D. Winding A. Soil exo-enzyme activities across Europe – The influence of climate, land-use and soil properties // Appl. Soil Ecol. 2016. V. 97. P. 44–48. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2015.08.012
  33. Homburg J.A., Sandor J.A. Anthropogenic effects on soil quality of ancient agriculture systems of the American Southwest // Catena. 2011. V. 85. P. 144–154. https://doi.org/10.1016/j.catena.2010.08.005
  34. Lagomarsino A., Benedetti A., Marinari S., Pompili L., Moscatelli M.C., Roggero P.P., Lai R. et al. Soil organic C variability and microbial functions in a Mediterranean agroforest ecosystem // Biol. Fertil. Soils. 2011. V. 47. P. 283–291. https://doi.org/10.1007/s00374-010-0530-4
  35. Liu S., Wang J., Pu S., Blagodatskaya E., Kuzyakov Y., Razavi B.S. Impact of manure on soil biochemical properties: A global synthesis // Sci. Total Environ. 2020. V. 745. P. 141003. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141003
  36. Margalef O., Sardans J., Fernández-Martínez M., Molowny-Horas R., Janssens I.A., Ciais P., Goll D. et al. Global patterns of phosphatase activity in natural soils // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 1337. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01418-8
  37. Marx M.C., Wood M., Jarvis S.C. A microplate fluorimetric assay for the study of enzyme diversity in soils // Soil Biol. Biochem. 2001. V. 33. P. 1633–1640. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(01)00079-7
  38. Moghimian N., Hosseini S.M., Kooch Y., Darki B.Z. Impacts of changes in land use/cover on soil microbial and enzyme activities // Catena. 2017. V. 157. P. 407–414. https://doi.org/10.1016/jcatena201706003
  39. Muneer M., Oades J.M. The role of Ca-organic interactions in soil aggregate stability. 1. Laboratory studies with glucose-C-14, CaCO 3 and CaSO 4 ·H 2 O // Austral. J. Soil Res. 1989. V. 27. P. 389–399. https://doi.org/10.1071/SR9890389
  40. Muneer M., Oades J.M. The role of Ca-organic interactions in soil aggregate stability. 2. Field studies with C-14-labeled straw, CaCO 3 and CaSO 4 ·H 2 O // Austral. J. Soil Res. 1989. V. 27. P. 401–409. https://doi.org/10.1071/SR9890401
  41. Nannipieri P., Giagnoni L., Landi L., Renella G. Role of Phosphatase Enzymes in Soil // Phosphorus in Action. Soil Biology / Eds. Bünemann E., Oberson A., Frossard E. Berlin: Springer, 2011. V. 26. P. 215–243.
  42. Ovsepyan L., Kurganova I., de Gerenyu V.L., Kuzyakov Y. Conversion of cropland to natural vegetation boosts microbial and enzyme activities in soil // Sci. Total Environ. 2020. V. 743. P. 140829. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140829
  43. Raiesi F., Beheshti A. Soil specific enzyme activity shows more clearly soil responses to paddy rice cultivation than absolute enzyme activity in primary forests of northwest Iran // Appl. Soil Ecol. 2014. V. 75. P. 63–70. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2013.10.012
  44. Rosinger C., Rousk J., Sandén H. Can enzymatic stoichiometry be used to determine growth-limiting nutrients for microorganisms? – A critical assessment in two subtropical soils // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 128. P. 115–126. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.10.011
  45. Semenov M., Blagodatskaya E., Stepanov A., Kuzyakov Ya. DNA-based determination of soil microbial biomass in alkaline and carbonaceous soils of semi-arid climate // J. Arid Environ. 2018. V. 150. P. 54–61. https://doi.org/10.1016/j.jaridenv.2017.11.013
  46. Silva E.D., de Medeiros E.V., Duda G.P., Lira M.A., Brossard M., de Oliveira J.B., dos Santos U.J. et al. Seasonal effect of land use type on soil absolute and specific enzyme activities in a Brazilian semi-arid region // Catena. 2019. V. 172. P. 397–407. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.09.007
  47. Sinsabaugh R.L., Lauber C.L., Weintraub M.N., Ahmed B., Allison S.D., Crenshaw C. et al. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale // Ecol. Lett. 2008. V. 11. P. 1252–1264. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2008.01245.x
  48. Sinsabaugh R.L., Moorhead D.L. Resource allocation to extracellular enzyme production: A model for nitrogen and phosphorus control of litter decomposition // Soil Biol. Biochem. 1994. V. 26. P. 1305–1311. https://doi.org/10.1016/0038-0717(94)90211-9
  49. Scherer S., Höpfer B., Deckers K., Fischer E., Fuchs M., Kandeler, E., Lechterbeck J. Middle Bronze Age land use practices in the northwestern Alpine foreland–a multi-proxy study of colluvial deposits, archaeological features and peat bogs // Soil. 2021. V. 7. P. 269–304. https://doi.org/10.5194/soil-7-269-2021
  50. Tarafdar J.C., Claassen N. Organic phosphorus compounds as a phosphorus source for higher plants through the activity of phosphatases produced by plant roots and microorganisms // Biol. Fertil. Soils. 1988. V. 5. P. 308–312. https://doi.org/10.1007/BF00262137.
  51. Tischer A., Blagodatskaya E., Hamer U. Microbial community structure and resource availability drive the catalytic efficiency of soil enzymes under land-use change conditions // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 89. P. 226–237. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2015.07.011
  52. Wang Q., Wang S. Response of labile soil organic matter to changes in forest vegetation in subtropical regions // Appl. Soil Ecol. 2011. V. 47. P. 210–216. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2010.12.004
  53. Welc M., Frossard E., Egli S., Bünemann E.K., Jansa J. Rhizosphere fungal assemblages and soil enzymatic activities in a 110-years alpine chronosequence // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 74. P. 21–30. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2014.02.014
  54. Xiao W., Chen X., Jing X., Zhu B. A meta-analysis of soil extracellular enzyme activities in response to global change // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 123. P. 21–32. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.05.001
  55. Zhao T., Lozano Y.M., Rillig M.C. Microplastics increase soil pH and decrease microbial activities as a function of microplastic shape, polymer type, and exposure time // Front. Environ. Sci. 2021. V. 9. P. 675803. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.675803
  56. Zuccarini P., Sardans J., Asensio L., Peñuelas J. Altered activities of extracellular soil enzymes by the interacting global environmental changes // Glob. Chang. Biol. 2023. V. 29. P. 2067–2091. https://doi.org/10.1111/gcb.16604

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расположение объектов исследования. 1 – ключевой участок Гуниб, 2 – ключевой участок Акуша, 3 – ключевой участок Муги, 4 – ключевой участок Джаба, 5 – ключевой участок Гоцатль

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Канонический анализ соответствия для почвенных характеристик и активности гидролитических ферментов изученных почв

Скачать (456KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кластеризированная тепловая карта ферментативной активности, содержания Сорг и Смик в изученных почвах. Фактические значения исследованных показателей пересчитаны в проценты от максимальных. (а) абсолютная ферментативная активность, (b) удельная активность. 1 – ключевой участок Муги, 2 – ключевой участок Джаба, 3 – ключевой участок Акуша, 4 – ключевой участок Гуниб, ключевой участок Гоцатль: 5 – почва орошаемого участка, 6 – почва неорошаемого участка

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024