Factors Determining the Variation of Microbial Biomass in Modern and Buried Soils of the Steppe Zone


Cite item

Full Text

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

Abstract

The article summarizes the results of long-term studies of microbial biomass in buried soils of archaeological sites and modern background soils. Geographically, the objects of study cover the southeast of the Russian Plain, the Caspian lowland, the Western Caucasus, and the Crimea. A very representative amount of data has been accumulated on the chronogeographic patterns of changes in microbial biomass in chernozems (Chernozem mollic), chestnut soils (Kastanozems Haplic), light chestnut soils (Cambisols salic), and solonetzes (Solonetz Humic). Chronological framework – the era of the Eneolithic – Modern times (5700–300 years ago). The biomass of soil microbial communities was estimated from the content of phospholipids in the soil. This method makes it possible to determine the biomass of living cells preserved in the buried soil and to evaluate the influence of environmental factors in which soil microbial community was presented from the moment of burial. It has been shown that the microbial biomass in buried soils is not determined by the type of soil and the time the soil remains in the buried state. The average value of the content of phospholipids in buried soils is two times lower than in modern ones, but no correlation of microbial biomass with duration of soil buried state was found. To a greater extent, the content of phospholipids in buried soils depended on the content of silt; at a silt content of less than 10%, the values of microbial biomass were minimal. Geomorphological position acts as a significant factor influencing the value of microbial biomass. Thus, the maximum values of microbial biomass are typical for soils of local watersheds and slopes of northern exposure. In Solonetzes, an inverse correlation was noted between microbial biomass and the thickness of the SEL horizon. In the cultural layers of ancient settlements, the microbial biomass exceeds the values of modern soils and depends on the characteristics of the economic use of the territory and the volume of incoming anthropogenic substrates.

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. E. Кhomutova

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

E. V. Chernysheva

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

N. N. Kashirskaya

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

K. S. Dushchanova

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

A. A. Petrosyan

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

M. V. Eltsov

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

A. V. Borisov

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences

Email: e.chernyysheva@yandex.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

References

  1. Александровский А.Л. Степи Северного Кавказа в голоцене по данным палеопочвенных исследований // Степь и Кавказ. Тр. гос. Исторического музея. 1997. Вып. 97. С. 22–29.
  2. Александровский А.Л., Александровская Е.И. Эволюция почв и географическая среда. М.: Наука, 2005. 223 с.
  3. Борисов А.В., Каширская Н.Н., Юршенас Д.А., Хомутова Т.Э., Петросян А.А., Мимоход Р.А. Палеоэкологические условия в степной зоне Восточно-Европейской равнины в посткатакомбное время // Нижневолжский археологический вестник. 2022. Т. 21. С. 82–99.
  4. Геннадиев А.Н. Почвы и время: модели развития. М.: Изд-во МГУ. 1990. 232 с.
  5. Демкин В.А., Борисов А.В., Удальцов С.Н. Палеопочвы и климат юго-востока среднерусской возвышенности в эпохи средней и поздней бронзы (XXV–XV вв. до н. э.) // Почвоведение. 2010. № 1. C. 7–17.
  6. Демкин В.А. Палеопочвоведение и археология: интеграция в изучении истории природы и общества. Пущино, 1997. 213 с.
  7. Демкин В.А., Гугалинская Л.А., Алексеев А.О. и др. Палеопочвы как индикаторы эволюции биосферы. М.: НИА Природа, 2007. 282 с.
  8. Демкин В.А., Демкина Т.С., Алексеев А.О. и др. Палеопочвы и климат степей Нижнего Поволжья в I–IV вв. н. э. Пущино, 2009. 96 с.
  9. Демкин В.А., Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Ельцов М.В. Эволюция почв и динамика климата сухих степей Приволжской возвышенности за последние 3500 лет // Почвоведение. 2012. № 12. C. 1244–1258.
  10. 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/S0032180X19110029
  11. Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробиологические исследования подкурганных палеопочв пустынно-степной зоны Волго-Донского междуречья // Почвоведение. 2004. № 7. С. 853–859.
  12. Демкина Т.С., Борисов А.В., Демкин В.А. Характеристика микробных сообществ палеопочв археологических памятников пустынно-степной зоны // Почвоведение. 2000. № 9. С. 1117–1126.
  13. Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Кузнецова Т.В., Контобойцева А.А., Борисов А.В. Характеристика микробных сообществ погребенных почв Царицынской оборонительной линии (1718–1720 гг.) // Почвоведение. 2016. № 1. С. 65–78. http://dx.doi.org/10.7868/S0032180X15090026
  14. Дергачева М.И. Археологическое почвоведение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. 228 с.
  15. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю., Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А. и др. Роль микроорганизмов в экологических функциях почв // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1087–1096. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090038
  16. Дущанова К.С., Хомутова Т.Э., Украинский П.А., Каширская Н.Н., Лисецкий Ф.Н., Борисов А.В. Биомасса и функциональное разнообразие почвенных микробных сообществ лесных и пахотных почв (на примере заповедника “Белогорье”) // Почвоведение. 2022. № 4. С. 488–499. https://doi.org/10.31857/S0032180X22040086.
  17. Журбин И.В., Антипина Е.Е., Иванова М.Г., Лебедева Е.Ю., Модин P.Н., Сергеев А.Ю., Яворская Л.В. Междисциплинарные исследования Кушманского городища Учкакар IX–XIII вв.: методика комплексного анализа. М.: ТАУС, 2018. 248 с.
  18. Иванов И.В. Эволюция почв степной зоны в голоцене. М.: Наука, 1992. 143 с.
  19. Иванов И.В., Васильев И.Б. Человек, природа и почвы Рын-песков Волго-Уральского междуречья в голоцене. М.: Интеллект, 1995. 264 с.
  20. Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Васенев В.И., Кудеяров В.Н., Валентини Р. Биомасса и дыхательная активность почвенных микроорганизмов в антропогенно-измененных экосистемах (Московская область) // Почвоведение № 9. 2014. С. 1077–1088. https://doi.org/10.7868/S0032180X14090056
  21. Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Чернышева Е.В., Ельцов М.В., Демкин В.А. Численность и суммарная биомасса микробных сообществ каштановых почв и солонцов сухостепной зоны Нижнего Поволжья // Почвоведение. 2015. № 3. C. 337–346. https://doi.org/10.7868/S0032180X15010098
  22. Каширская Н.Н., Демкина Т.С., Хомутова Т.Э., Ельцов М.В., Удальцов С.Н., Кузнецова Т.В., Идрисов И.А. Биологическая активность бурых полупустынных почв бугров Бэра // Почвоведение. 2021. № 8. С. 946–956. https://doi.org/10.31857/S0032180X21080086
  23. Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Демкина Т.С., Ельцов М.В., Борисов А.В. Изменчивость микробной биомассы в палеопочвах разновозрастных курганов Нижнего Поволжья в связи с динамикой увлажненности климата // Аридные экосистемы. 2016. Т. 22 (1). C. 20–30.
  24. Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Кузнецова Т.В., Шишлина Н.И., Борисов А.В. Динамика химических и микробиологических свойств почв пустынно-степной зоны юго-востока Русской равнины во второй половине голоцена // Аридные экосистемы. 2018. Т. 24 (1). С. 54–64.
  25. Махонина Г.И., Валдайских В.В. Заключение по почвенным исследованиям археологических памятников. // Коловское городище (Древности Ингальской долины: археолого-палеоэкологиические исследования. Вып. № 2. Новосибирск: Наука, 2008. Прил. 1. С. 201–207.
  26. Плеханова Л.Н., Демкин В.А., Зданович Г.Б. Эволюция почв речных долин степного Зауралья во второй половине голоцена. М.: Наука, 2007. 236 с.
  27. Семенов М.В., Чернов Т.И., Железова А.Д., Никитин Д.А., Тхакахова А.К., Иванова Е.А., Ксенофонтова Н.А. и др. Микробные сообщества межледниковых и интерстадиальных палеопочв позднего плейстоцена // Почвоведение. 2020. № 6. С. 716–725. https://doi.org/10.31857/S0032180X20060106
  28. Теории и методы физики почв. Коллективная монография / Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского. М.: “Гриф и К”, 2007. 616 с.
  29. 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/S0032180X1702006X
  30. Хомутова Т.Э., Демкин В.А. Оценка биомассы микробных сообществ почв сухих степей по содержанию в них фосфолипидов // Почвоведение. 2011. № 6. С. 748–754.
  31. Чимитдоржиева Э.О., Чимитдоржиева Г.Д. Углерод микробной биомассы мучнисто-карбонатных черноземов Западного Забайкалья // Агрохимия. 2013. № 8. С. 3–10.
  32. Чендев Ю.Г. Позднеголоценовая эволюция чернозёмов юга центральной лесостепи // Почвоведение. 2001. № 3. С. 266–277.
  33. Чернов Т.И., Железова А.Д. Динамика микробных сообществ в различных диапазонах времени (обзор) // Почвоведение. 2020. № 5. С. 590–600. https://doi.org/10.31857/S0032180X20050044
  34. Чернов Т.И., Железова А.Д., Кутовая О.В., Макеев А.О., Тхакахова А.К., Бгажба Н.А., Курбанова Ф.Г. и др. Сравнительная оценка структуры микробиомов погребенных и современных почв при помощи анализа микробной ДНК // Микробиология. 2018. Т. 87. № 6. С. 737–746. http://dx.doi.org/10.1134/S0026365618060071
  35. Шитиков В.К., Зинченко Т.Д. Многомерный статистический анализ экологических сообществ (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 1. С 5–11. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-1-005-011
  36. Эрлих В.Р., Годизов Г.Л., Борисов А.В. Новый постдольменный археологический комплекс “Севастопольский” в Майкопском районе Республики Адыгея. Первые результаты исследования. Материалы Международной научной конференции по археологии Северного Кавказа. Майкоп: ООО “Качество”, 2022. С. 117–122.
  37. Якимов А.С., Демкин В.А., Алексеев А.О. Природные условия степей Нижнего Поволжья в эпоху средневековья (VIII–XIV вв. н. э.). М.: НИА-Природа, 2007. 228 с.
  38. Bargali K., Manral V., Padalia K., Bargali S.S., Upadhya V.P. Effect of vegetation type and season on microbial biomass carbon in Central Himalayan forest soils, India // Catena. 2018. V. 171. P. 125–135. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.07.001
  39. Chernysheva E.V., Amiryan M.A., Eltsov M.V., Petrosyan A.A., Potapova A.V. Reconstruction of particularities of ancient human activity based on geochemical and soil microbiological investigation of Sotk-2 site (Republic of Armenia). History, Archeology and Ethnography of the Caucasus. 2022. V. 18 (4). P. 993–1013. https://doi.org/10.32653/CH184993-1013
  40. Das D., Sahoo S., Das R., Datta S.C. Advances in clay research for sustainable agriculture // Soil management for sustainable. Agriculture Apple Academic Press. 2022. P. 3–47. http://dx.doi.org/10.1201/9781003184881-2
  41. Demkin V.A., Borisov A.V., Demkina T.S., Khomutova T.E., Kashirskaya N.N. Evolution of soils and dynamics of the climate of steppes in the Southeast of the Russian plain during the Late Eneolithic and Bronze Ages (fourth to second Millennium BC) // Eurasian Soil Science. 2010. № 13. Р. 1515–1526. https://doi.org/10.1134/S1064229310130107
  42. Demkina T.S., Khomutova T.E., Kashirskaya N.N. et al. Age and activation of microbial communities in soils under burial mounds and in recent surface soils of steppe zone // Eurasian Soil Science. 2008. V. 41. P. 1439–1447. https://doi.org/10.1134/S1064229308130139
  43. Ding S., Lange M., Lipp J., Schwab V.F., Chowdhury S., Pollierer M.M., Krause K. et al. Characteristics and origin of intact polar lipids in soil organic matter // Soil Biol. Biochem. 2020. V. 151. P. 108045. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108045
  44. Findlay R. The use of phospholipid fatty acids to determine microbial community structure // Molecular Microbial Ecology Manual. 1996. V. 4.1.4. P. 1–17.
  45. Khokhlova O., Sverchkova A., Myakshina T., Makeev A., Tregub T. Environmental trends during the Bronze Age recorded in paleosols buried under a big kurgan in the steppes of the Ponto-Caspian area // Quat. Int. 2020. V. 583. P. 83–93. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2020.04.019
  46. Khomutova T.E., Demkina T.S., Borisov A.V., Kashirskaya N.N., Yeltsov M.V., Demkin V.A. An assessment of changes in properties of steppe kurgan paleosoils in relation to prevailing climates over recent millennia // Quat. Res. 2007. V. 67. P. 328–336. https://doi.org/10.1016/j.yqres.2007.01.001
  47. Khomutova T.E., Eltsov M.V. Biomass of living microorganisms in the exposed surface soils and the subkurgan palaeosols in the dry steppes of Russia // 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Conference Proceeding. 2019. P. 57–64. http://dx.doi.org/10.5593/sgem2019/3.2/S13.008
  48. Khomutova T.E., Kashirskaya N.N., Demkina T.S., Kuznetsova T.V., Fornasier F., Shishlina N.I., Borisov A.V. Precipitation pattern during warm and cold periods in the Bronze Age (around 4.5–3.8 ka BP) in the desert steppes of Russia: Soil-microbiological approach for palaeoenvironmental reconstruction // Quat. Int. 2019. V. 507. P. 84–94. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2019.02.013
  49. Makeev A., Aseyeva E., Rusakov A., Sorokina K., Puzanova T., Khokhlova O., Kust P. et al. The environment of the Early Iron Age at the southern fringe of the forest zone of the Russian Plain // Quat. Int. 2018. V. 502. P. 218–327. http://doi.org./10/1016/j.quaint.2018.04.002
  50. Pietri J.C.A., Brookes P.C. Relationships between soil pH and microbial properties in a UK arable soil // Soil Biol. Biochem. 2008. V. 40. P. 1856–1861. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2008.03.020
  51. Rusakov A., Makeev A., Khokhlova O., Kust P., Lebedeva M., Chernov T., Golueva A. et al. Paleoenvironmental reconstruction based on soils buried under Scythian fortification in the southern forest-steppe area of the East European Plain // Quat. Int. 2018. V. 502. P. 197–217. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2018.05.016
  52. Singh P., Benbi D.K. Physical and chemical stabilization of soil organic matter in cropland ecosystems under rice–wheat, maize–wheat and cotton–wheat cropping systems in northwestern India // Carbon Management. 2021. V. 12. P. 603–621. https://doi.org/10.1080/17583004.2021.1992505
  53. Wang D., Zang S., Wu X., Ma D., Li M., Chen Q. et al. Soil organic carbon stabilization in permafrost peatlands // Saudi J. Biol. Sci. 2021. V. 28. P. 7037–7045. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2021.07.088
  54. Xu X., Thornton P.E., Post W.M. A global analysis of soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus in terrestrial ecosystems // Glob. Ecol. Biogeogr. 2013. V. 22. P. 737–749. https://doi.org/10.1111/geb.12029
  55. Yuan B.C., Li Z.Z., Liu H., Gao M., Zhang Y.Y. Microbial biomass and activity in salt affected soils under arid conditions // Appl. Soil Ecol. 2007. V. 35. P. 319–328. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2006.07.004
  56. Zhang Y., Sun G., Yang Y., Wu X. Reconstruction of the use of space at Tianluoshan, China, based on palynological and lipid evidence // Environmental Archaeology. 2022. V. 27. P. 461–473. https://doi.org/10.1080/14614103.2020.1829299
  57. Zhang Y., Zheng N., Wang J., Yao H., Qiu Q., Chapmanf S.J. High turnover rate of free phospholipids in soil confirms the classic hypothesis of PLFA methodology // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 135. P. 323–330. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.05.023

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1

Download (454KB)
Indexing metadata
3. Fig.2

Download (305KB)
Indexing metadata
4. Fig.3

Download (216KB)
Indexing metadata
5. Fig.4

Download (138KB)
Indexing metadata
6. Fig.5

Download (213KB)
Indexing metadata
7. Fig.6

Download (118KB)
Indexing metadata
8. Fig.7

Download (146KB)
Indexing metadata
9. Fig.8

Download (76KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies