Microbial respiration and functional diversity of soil microbial community under treeline shifts in the Northwestern Caucasus

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In mountain areas, one of the noticeable results of modern climate change is rapid shift of treelines to subalpine and alpine meadows. Such vegetation shifts is associated with a change in quality of the plant residues entering the soils, which in turn can affect the mineralization activity (basal respiration) and functional diversity of the soil microbial community. Therefore, the study was aimed at assessing the soil microbial (basal respiration and functional diversity) and chemical (C, N, C/N, pH) properties (0-10 cm) along the reserved and grazed forest-meadow transects of the Northwestern Caucasus (Karachay-Cherkess Republic), as well as evaluating an effect of vegetation type and land use on variation of these soil properties. It was found that the C and N contents (for both land usees), pH and basal respiration (reserved slope) significantly increase from forest to meadow soils. In contrary, the microbial functional diversity decreased from forest to meadow soils, which might be due to less diverse organic compounds entering the soil only with grass residues than their combination with forest litter. Two-way ANOVA showed that soil microbial functional diversity, pH, C and N along the studied forest-meadow transects was mostly associated with vegetation type (14…39 % of the explained variation), and C/N and basal respiration - with land use (33…36 % of the explained variation). Thus, a land use change will have a more significant effect on the mineralization activity of soil microbial community than a treeline shifts.

About the authors

Aleksandra E. Selezneva

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

Author for correspondence.
Email: alexandra_seleznyova@mail.ru

PhD student, junior researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Kristina V. Ivashchenko

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences; Peoples’ Friendship University of Russia

Email: ivashchenko.kv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8397-158X

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation; 8/2 Miklukho-Maklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

Sofia V. Sushko

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences; Agrophysical Research Institute

Email: rogovaja7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0664-7641

Candidate of Biological Sciences, Researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation; 14 Grazhdansky avenue, St. Petersburg, 195220, Russian Federation

Anna I. Zhuravleva

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

Email: zhuravlevaai@rambler.ru

Junior Researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Nadezhda D. Ananyeva

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

Email: ananyeva@rambler.ru

Doctor of Biological Sciences, Chief Researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Sergey A. Blagodatsky

Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences; University of Hohenheim

Email: Sergey.Blagodatskiy@uni-hohenheim.de
ORCID iD: 0000-0003-1428-6014

Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher

2 Institutskaya st., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation; 13 Garbe st., Stuttgart, 70599, Germany

References

  1. Kapos V, Rhind J, Edwards M, Price MF, Ravilious C. Developing a map of the world’s mountain forests. In: Price MF, Butt N. (eds.) Forests in sustainable mountain development: a state of knowledge report for 2000. Wallingford: CAB International; 2000. p.4—19.
  2. Margesin R, Nikilinska MA. Elevation gradients: Microbial indicators of climate change? Frontiers in Microbiology. 2019; 10: 2405. doi: 10.3389/fmicb.2019.02405
  3. Shen C, Gunina A, Luo Y, Wang J, He JZ, Kuzyakov Y, et al. Contrasting patterns and drivers of soil bacterial and fungal diversity across a mountain gradient. Environmental Microbiology. 2020; 22(8):3287—3301. doi: 10.1111/1462–2920.15090
  4. Jump AS, Huang TJ, Chou CH. Rapid altitudinal migration of mountain plants in Taiwan and its implications for high altitude biodiversity. Ecography. 2012; 35(3):204—210. doi: 10.1111/j.1600– 0587.2011.06984.x
  5. Tiwari A, Jha PK. An overview of treeline response to environmental changes in Nepal Himalaya. Tropical Ecology. 2018; 59(2):273—285.
  6. Cudlin P, Klopcic M, Tognetti R, Malis F, Alados CL, Bebi P, et al. Drivers of treeline shift in different European mountains. Climate Research. 2017; 73(1–2):135—150. doi: 10.3354/cr01465
  7. Körner C, Paulsen J, Spehn EM. A definition of mountains and their bioclimatic belts for global comparisons of biodiversity data. Alpine Botany. 2011; 121(2):73—78. doi: 10.1007/s00035–011–0094–4
  8. Gatti RC, Callaghan T, Velichevskaya A, Dudko A, Fabbio L, Battipaglia G, et al. Accelerating upward treeline shift in the Altai Mountains under last-century climate change. Scientific reports. 2019; 9(1):7678. doi: 10.1038/s41598–019–44188–1
  9. Skre O. Northern treelines as indicators of climate and land use changes — A literature review. Agrotechnology. 2019; 9(1):190. doi: 10.35248/2168–9881.19.8.190
  10. Greenwood S, Jump AS. Consequences of treeline shifts for the diversity and function of high altitude ecosystems. Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2014; 46(4):829–840. doi: 10.1657/1938–4246–46.4.829
  11. Quideau SA, Chadwick OA, Benesi A, Graham RC, Anderson MA. A direct link between forest vegetation type and soil organic matter composition. Geoderma. 2001; 104(1–2):41—60. doi: 10.1016/S0016– 7061(01)00055–6
  12. Kammer A, Hagedorn F, Shevchenko I, Leifeld J, Guggenberger G, Goryacheva T, et al. Treeline shifts in the Ural mountains affect soil organic matter dynamics. Global Change Biology. 2009; 15(6):1570—1583. doi: 10.1111/j.1365–2486.2009.01856.x
  13. International Organization for Standardization. ISO 16072. Soil quality — laboratory methods for determination of microbial soil respiration. Geneva, Switzerland; 2002.
  14. Campbell CD, Chapman SJ, Cameron CM, Davidson MS, Potts JM. A rapid microtiter plate method to measure carbon dioxide evolved from carbon substrate amendments so as to determine the physiological profiles of soil microbial communities by using whole soil. Applied and Environmental Microbiology. 2003; 69(6):3593–3599. doi: 10.1128/aem.69.6.3593–3599.2003
  15. Jones RJA, Verheijen FGA, Reuter HI, Jones AR. (eds.) Environmental assessment of soil for monitoring Volume V: Procedures & protocols. Luxembourg: EUR23490 EN/5, Office for the Official Publications of the European Communities; 2008.
  16. Griffiths R, Madritch M, Swanson A. Conifer invasion of forest meadows transforms soil characteristics in the Pacific Northwest. Forest Ecology and Management. 2005; 208(1–3):347—358. doi: 10.1016/j. foreco.2005.01.015

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».