Лимитируют ли почвенные ресурсы семенное размножение альпийских растений?

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Элементы минерального питания (ЭМП) часто рассматриваются как важные факторы, лимитирующие приспособленность видов растений через их семенную продукцию. Однако многочисленные эксперименты по влиянию обогащения почвы отдельными ресурсами на семенное размножение растений дают противоречивые результаты и обычно непродолжительны. В настоящей работе мы поставили цель изучить реакцию генеративной сферы (численность генеративных побегов, ЧГП) альпийских растений на долговременное (26 лет) внесение ЭМП и оценить применимость принципа Либиха к природному растительному сообществу. В эксперименте снимали потенциальное лимитирование продукции генеративных побегов отдельными почвенными ресурсами (азот, фосфор, кальций, вода) и их комбинацией на примере альпийской лишайниковой пустоши (АЛП) на Северо-Западном Кавказе. Недостаток ЭМП не лимитировал семенное размножение растений АЛП в целом: сумма генеративных побегов всех видов в ходе эксперимента не увеличивалась, а при внесении фосфора и поливе – уменьшалась. Длительное внесение азота, фосфора и обоих элементов снижало разнообразие видов, образующих генеративные побеги на АЛП. Кальций – единственный из всех изученных ЭМП, вызвавший только увеличение ЧГП отдельных видов за все время проведения эксперимента и спровоцировавший общее увеличение ЧГП за краткосрочный период. Реакция отдельных видов была индивидуальна. ЧГП Trifolium polyphyllum (неазотфиксирующее бобовое растение) увеличилась на варианте с внесением азота, что противоречит типичной реакции бобовых растений на азотные удобрения. Реакция около половины видов АЛП подчиняется правилу Либиха (положительная реакция только на один из раздельно вносимых ЭМП); в то время как остальные виды не показали положительного отклика при внесении отдельных ЭМП, что говорит о том, что их ЧГП не лимитируется изученными ресурсами. Только один вид, Carex umbrosa, положительно реагировал на внесение как азота, так и фосфора.

Ключевые слова

-

Об авторах

Ю. В. Софронов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sofronovyuriy163@gmail.com

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений; лаборатория математической экологии

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 12, Москва, 119234; Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

Д. М. Хомяков

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sofronovyuriy163@gmail.com

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 12, Москва, 119234

Т. Г. Елумеева

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sofronovyuriy163@gmail.com

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 12, Москва, 119234

В. А. Маханцева

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: sofronovyuriy163@gmail.com
Россия, ул. Институтская, 2, корп. 2, Пущино, Московская обл., 142290

А. А. Ахметжанова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sofronovyuriy163@gmail.com

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 12, Москва, 119234

В. Г. Онипченко

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; Тебердинский национальный парк; Карачаево-Черкесский государственный университет им. У. Д. Алиева

Email: sofronovyuriy163@gmail.com

биологический факультет, кафедра экологии и географии растений

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 12, Москва, 119234; пер. Бадукский, 1, Теберда, Карачаево-Черкесская Республика, 369210; ул. Ленина, 29, Карачаевск, 369202

Список литературы

  1. Гришина Л.А., Онипченко В.Г., Макаров М.И., 1986. Состав и структура биогеоценозов альпийских пустошей. М.: Изд-во МГУ. С. 24–37.
  2. Гришина Л.А., Онипченко В.Г., Макаров М.И., Ванясин В.А., 1993. Изменения свойств горно-луговых альпийских почв северо-западного Кавказа в различных экологических условиях // Почвоведение. № 4. С. 5–13.
  3. Егоров А.В., Онипченко В.Г., Текеев Д.К., 2012. Экологические характеристики высокогорных растений Тебердинского заповедника. М.: МИЛ. 255 с.
  4. Лавренов Н.Г., Заузанова Л.Д., Онипченко В.Г., 2017. Параметры семенного размножения альпийских растений в зависимости от обогащения почвы // Экология. № 6. С. 454–460.
  5. Онипченко В.Г., 2014. Функциональная фитоценология. Синэкология растений. Изд. 2-е. М.: КРАСАНД. 576 с.
  6. Онипченко В.Г., Зернов А.С., 2022. Сосудистые растения Тебердинского национального парка / Флора и фауна заповедников. Вып. 99Б. М.: Изд. Комиссии РАН по сохранению биологического разнообразия и ИПЭЭ РАН. 177 с.
  7. Работнов Т.А., 1985. Экология луговых трав. М.: Изд-во МГУ. 176 с.
  8. Шидаков И.И., Текеев Д.К., 2009. Эколого-морфологические особенности листьев альпийских растений Тебердинского заповедника Башкирский государственный университет. Кисловодск: МИЛ. 104 с.
  9. Ariina M.S., 2021. Properties of soil in relation to altitude // Just Agric. V. 1. № 12. Art. 035.
  10. Barrow N.J., Hartemink A.E., 2023. The effects of pH on nutrient availability depend on both soils and plants // Plant Soil. V. 487. № 1–2. P. 21–37.
  11. Bassin S., Schalajda J., Vogel A., Suter M., 2012. Different types of sub‐alpine grassland respond similarly to elevated nitrogen deposition in terms of productivity and sedge abundance // J. Veg. Sci. V. 23. № 6. Р. 1024–1034.
  12. Bassin S., Volk M., Suter M., Buchmann N., Fuhrer J., 2007. Nitrogen deposition but not ozone affects productivity and community composition of subalpine grassland after 3 yr of treatment // New Phytol. V. 175. № 3. Р. 523–534.
  13. Bassin S., Werner R.A., Sörgel K., Volk M., Buchmann N., Fuhrer J., 2009. Effects of combined ozone and nitrogen deposition on the in situ properties of eleven key plant species of a subalpine pasture // Oecologia. V. 158. № 4. Р. 747–756.
  14. Berendse F., Geerts R.H.E.M., Elberse W.T., Bezemer T.M., Goedhart P.W., et al., 2021. A matter of time: Recovery of plant species diversity in wild plant communities at declining nitrogen deposition // Divers. Distrib. V. 27. № 7. Р. 1180–1193.
  15. Blanke V., Bassin S., Volk M., Fuhrer J., 2012. Nitrogen deposition effects on subalpine grassland: The role of nutrient limitations and changes in mycorrhizal abundance // Acta Oecologica. V. 45. Р. 57–65.
  16. Bowman W.D., Ayyad A., Bueno De Mesquita C.P., Fierer N., Potter T.S., Sternagel S., 2018. Limited ecosystem recovery from simulated chronic nitrogen deposition // Ecol. Appl. V. 28. № 7. Р. 1762–1772.
  17. Bowman W.D., Bahn L., Damm M., 2003. Alpine landscape variation in foliar nitrogen and phosphorus concentrations and the relation to soil nitrogen and phosphorus availability // Arctic Antarctic Alpine Res. V. 35. № 2. Р. 144–149.
  18. Britton A.J., Mitchell R.J., Fisher J.M., Riach D.J., Taylor A.F.S., 2018. Nitrogen deposition drives loss of moss cover in alpine moss–sedge heath via lowered C : N ratio and accelerated decomposition // New Phytol. V. 218. № 2. Р. 470–478.
  19. Burkle L.A., Irwin R.E., 2010. Beyond biomass: Measuring the effects of community‐level nitrogen enrichment on floral traits, pollinator visitation and plant reproduction // J. Ecol. V. 98. № 3. Р. 705–717.
  20. Chen Y., Liu X., Hou Y., Zhou S., Zhu B., 2021. Particulate organic carbon is more vulnerable to nitrogen addition than mineral-associated organic carbon in soil of an alpine meadow // Plant Soil. V. 458. № 1–2. Р. 93–103.
  21. Darcy J.L., Schmidt S.K., Knelman J.E., Cleveland C.C., Castle S.C., Nemergut D.R., 2018. Phosphorus, not nitrogen, limits plants and microbial primary producers following glacial retreat // Sci. Adv. V. 4. № 5. Art. eaaq0942.
  22. Dolédec S., Chessel D., Ter Braak C.J.F., Champely S., 1996. Matching species traits to environmental variables: A new three-table ordination method // Environ. Ecol. Stat. V. 3. № 2. Р. 143–166.
  23. Eckert C.G., Barrett S.C.H., 1993. Clonal reproduction and patterns of genotypic diversity in Decodon verticillatus (Lythraceae) // Am. J. Bot. V. 80. № 10. Р. 1175–1182.
  24. Elumeeva T.G., Onipchenko V.G., Egorov A.V., Khubiev A.B., Tekeev D.K., et al., 2013. Long-term vegetation dynamic in the Northwestern Caucasus: Which communities are more affected by upward shifts of plant species? // Alpine Вot. V. 123. № 2. Р. 77–85.
  25. Eskelinen A., Kaarlejärvi E., Olofsson J., 2017. Herbivory and nutrient limitation protect warming tundra from lowland species invasion and diversity loss // Global Change Biol. V. 23. № 1. Р. 245–255.
  26. Fisher R.A., 1930. The Genetical Theory of Natural Selection. Oxford: At The Clarendon Press. 308 p.
  27. Fortier R., Wright S.J., 2021. Nutrient limitation of plant reproduction in a tropical moist forest // Ecology. V. 102. № 10. Art. e03469.
  28. Friedman J., Rubin M.J., 2015. All in good time: Understanding annual and perennial strategies in plants // Am. J. Bot. V. 102. № 4. P. 497–499.
  29. Gigon A., 1987. A Hierarchic Approach in Causal Ecosystem Analysis The Calcifuge-Calcicole Problem in Alpine Grasslands // Potentials and Limitations of Ecosystem Analysis. V. 61 / Eds Schulze E.-D., Zwolfer H. Berlin: Springer. P. 228–244.
  30. Grime J.P., 2006. Plant Strategies, Vegetation Processes, and Ecosystem Properties. Hoboken: John Wiley & Sons. 464 p.
  31. Güsewell S., 2004. N : P ratios in terrestrial plants: variation and functional significance // New Phytol. V. 164. № 2. P. 243–266.
  32. Hamilton L.S., McMillan L., 2004. Guidelines for Planning and Managing Mountain Protected Areas. Gland; Cambridge: IUCN. 83 p.
  33. Harpole W.S., Ngai J.T., Cleland E.E., Seabloom E.W., Borer E.T., et al., 2011. Nutrient co-limitation of primary producer communities // Ecol. Lett. V. 14. № 9. Р. 852–862.
  34. Harpole W.S., Sullivan L.L., Lind E.M., Firn J., Adler P.B., et al., 2017. Out of the shadows: Multiple nutrient limitations drive relationships among biomass, light and plant diversity // Funct. Ecol. V. 31. № 9. P. 1839–1846.
  35. Harpole W.S., Tilman D., 2007. Grassland species loss resulting from reduced niche dimension // Nature. V. 446. № 7137. P. 791–793.
  36. Haugwitz M.S., Michelsen A., 2011. Long-term addition of fertilizer, labile carbon, and fungicide alters the biomass of plant functional groups in a subarctic-alpine community // Plant Ecol. V. 212. № 4. Р. 715–726.
  37. Heer C., Körner C., 2002. High elevation pioneer plants are sensitive to mineral nutrient addition // Basic Appl. Ecol. V. 3. № 1. P. 39–47.
  38. Holzmann H.-P., Haselwandter K., 1988. Contribution of nitrogen fixation to nitrogen nutrition in an alpine sedge community (Caricetum curvulae) // Oecologia. V. 76. № 2. P. 298–302.
  39. Hooper D.U., Johnson L., 1999. Nitrogen limitation in dryland ecosystems: Responses to geographical and temporal variation in precipitation // Biogeochemistry. V. 46. № 1–3. P. 247–293.
  40. Kenk G., Fischer H., 1988. Evidence from nitrogen fertilisation in the forests of Germany // Environ. Pollut. V. 54. № 3–4. P. 199–218.
  41. Körner C., 1984. Auswirkungen von Mineraldünger auf alpine Zwergsträucher // Verhandlungen der Gesellschaft für Ökologie. V. 12. P. 123–136.
  42. Körner C., 2003. Alpine Plant Life. 2nd ed. Berlin: Springer. 344 p.
  43. Kumar S., Suyal D.C., Yadav A., Shouche Y., Goel R., 2019. Microbial diversity and soil physiochemical characteristic of higher altitude // PLoS One. V. 14. № 3. Art. e0213844.
  44. Lafrenière M.J., Sinclair K.E., 2011. Snowpack and precipitation chemistry at a high altitude site in the Canadian Rocky Mountains // J. Hydrol. V. 409. № 3. P. 737–748.
  45. LeBauer D.S., Treseder K.K., 2008. Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed // Ecology. V. 89. № 2. P. 371–379.
  46. Lekberg Y., Arnillas C.A., Borer E.T., Bullington L.S., Fierer N., et al., 2021. Nitrogen and phosphorus fertilization consistently favor pathogenic over mutualistic fungi in grassland soils // Nat. Commun. V. 12. № 1. P. 34–84.
  47. Li Z., Wu J., Han Q., Nie K., Xie J., et al., 2021. Nitrogen and litter addition decreased sexual reproduction and increased clonal propagation in grasslands // Oecologia. V. 195. № 1. P. 131–144.
  48. Liebig J., von, 1842. Animal Chemistry, or Organic Chemistry in its Application to Physiology and Pathology. N.-Y.: Johnson Reprint Corporation. 347 p.
  49. Lin C., Wang Y., Liu M., Li Q., Xiao W., Song X., 2020. Effects of nitrogen deposition and phosphorus addition on arbuscular mycorrhizal fungi of Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) // Sci. Rep. V. 10. Art. 12260.
  50. Liu X., Lu Y., Zhang Z., Zhou S., 2020. Foliar fungal diseases respond differently to nitrogen and phosphorus additions in Tibetan alpine meadows // Ecol. Res. V. 35. № 1. P. 162–169.
  51. Ma B., Zhou X., Zhang Q., Qin M., Hu L., et al., 2019. How do soil micro‐organisms respond to N, P and NP additions? Application of the ecological framework of (co‐)limitation by multiple resources // J. Ecol. V. 107. № 5. P. 2329–2345.
  52. Mittelbach G.G., Steiner C.F., Scheiner S.M., Gross K.L., Reynolds H.L., et al., 2001. What is the observed relationship between species richness and productivity // Ecology. V. 82. № 9. P. 2381–2396.
  53. Moulton C.A., Gough L., 2011. Effects of soil nutrient availability on the role of sexual reproduction in an Alaskan tundra plant community // Arctic Antarctic Alpine Res. V. 43. № 4. P. 612–620.
  54. Munoz A.A., Celedon-Neghme C., Cavieres L.A., Arroyo M.T., 2005. Bottom-up effects of nutrient availability on flower production, pollinator visitation, and seed output in a high-Andean shrub // Oecologia. V. 143. P. 126–135.
  55. Niu K., Choler P., Zhao B., Du G., 2009. The allometry of reproductive biomass in response to land use in Tibetan alpine grasslands // Funct. Ecol. V. 23. № 2. P. 274–283.
  56. Olde Venterink H., 2016. Productivity increase upon supply of multiple nutrients in fertilization experiments: co-limitation or chemical facilitation? // Plant Soil. V. 408. № 1–2. P. 515–518.
  57. Onipchenko V.G., Makarov M.I., Akhmetzhanova A.A., Soudzilovskaia N.A., Aibazova F.U., et al., 2012. Alpine plant functional group responses to fertiliser addition depend on abiotic regime and community composition // Plant Soil. V. 357. № 1–2. P. 103–115.
  58. Petraglia A., Carbognani M., Tomaselli M., 2013. Effects of nutrient amendments on modular growth, flowering effort and reproduction of snowbed plants // Plant Ecol. Divers. V. 6. № 3–4. P. 475–486.
  59. Petraglia A., Tomaselli M., Mondoni A., Brancaleoni L., Carbognani M., 2014. Effects of nitrogen and phosphorus supply on growth and flowering phenology of the snowbed forb Gnaphalium supinum L. // Flora: Morphol. Distrib. Funct. Ecol. Plants. V. 209. № 5–6. P. 271–278.
  60. Pierce S., Negreiros D., Cerabolini B.E.L., Kattge J., Díaz S., et al., 2017. A global method for calculating plant CSR ecological strategies applied across biomes world‐wide // Funct. Ecol. V. 31. № 2. P. 444–457.
  61. Ren Z., Li Q., Chu C., Zhao L., Zhang J., et al., 2010. Effects of resource additions on species richness and ANPP in an alpine meadow community // J. Plant Ecol. V. 3. № 1. P. 25–31.
  62. Samson D.A., Werk K.S., 1986. Size-dependent effects in the analysis of reproductive effort in plants // Am. Nat. V. 127. № 5. P. 667–680.
  63. Smith J., Halvorson J., Bolton H., 2002. Soil properties and microbial activity across a 500 m elevation gradient in a semi-arid environment // Soil Biol. Biochem. V. 34. P. 1749–1757.
  64. Tamm C.O., 2012. Nitrogen in Terrestrial Ecosystems: Questions of Productivity, Vegetational Changes, and Ecosystem Stability. Berlin: Springer Science & Business Media. 116 p.
  65. Tilman D., 1982. Resource Competition and Community Structure. Princeton: Princeton Univ. Press. 296 p.
  66. Tilman D., 1988. Plant Strategies and the Dynamics and Structure of Plant Communities. Princeton: Princeton Univ. Press. 360 p.
  67. Verma P., Sagar R., 2020. Responses of diversity, productivity, and stability to the nitrogen input in a tropical grassland // Ecol. Appl. V. 30. № 2. Art. e02037.
  68. Vitousek P.M., Porder S., Houlton B.Z., Chadwick O.A., 2010. Terrestrial phosphorus limitation: Mechanisms, implications, and nitrogen–phosphorus interactions // Ecol. Appl. V. 20. № 1. P. 5–15.
  69. Ward D., 2020. Are there common assembly rules for different grasslands? Comparisons of long-term data from a subtropical grassland with temperate grasslands // J. Veg. Sci. V. 31. № 5. P. 780–791.
  70. Ward J.H., 1963. Hierarchical grouping to optimize an objective function // J. Am. Stat. Assoc. V. 58. № 301. P. 236–244.
  71. Wüst-Galley C., Volk M., Bassin S., 2021. Interaction of climate change and nitrogen deposition on subalpine pastures // J. Veg. Sci. V. 32. № 1. Art. e12946.
  72. Yang X., Chen Y., Zhang T., Zhang P., Guo Z., et al., 2023. Different responses of functional groups to N addition increased synchrony and shortened community reproductive duration in an alpine meadow // J. Ecol. V. 111. № 10. P. 2231–2244.
  73. Yang Z., Ruijven J., van, Du G., 2011. The effects of long-term fertilization on the temporal stability of alpine meadow communities // Plant Soil. V. 345. № 1–2. P. 315–324.
  74. Zheng Z., Bai W., Zhang W.-H., 2019. Root trait-mediated belowground competition and community composition of a temperate steppe under nitrogen enrichment // Plant Soil. V. 437. № 1–2. P. 341–354.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».