Содержание свободных аминокислот в почвах хвойных лесов Карелии

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

СОДЕРЖАНИЕ СВОБОДНЫХ АМИНОКИСЛОТ В ПОЧВАХ ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ КАРЕЛИИ

Е.В. МОШКИНА, Институт леса Карельского научного центра РАН

Органическое вещество почвы включает аминокислоты, играющие важную роль в процессе почвообразования. Они занимают значительное место среди множества разнообразных веществ, составляющих группу неспецифических соединений почвы. Количество аминокислот, их состав зависят от типа и различных физико-химических особенностей почв (содержания органического вещества, влажности и др.). Обогащение почвы аминокислотами происходит в результате разложения растительных и животных остатков, аммонификации гумусовых веществ. Наряду с белковыми в почве постоянно присутствуют свободные аминокислоты, которые при необходимости могут быть извлечены с использованием воды, этилового спирта, ацетата аммония и других экстрагирующих веществ [4]. Несмотря на незначительное содержание в составе органического азота, свободные аминокислоты, обладающие высокой биохимической активностью, имеют большое значение для питания растений. Последние способны усваивать их без предварительной трансформации в минеральные соединения, что особенно важно в условиях дефицита элементов минерального питания. Таким образом, аминокислоты могут являться дополнительным источником азота, особенно в естественных фитоценозах. В свою очередь, корневые выделения растений также являются важным источником свободных аминокислот в почве.

Установлена взаимосвязь содержания аминокислот с почвенными микроорганизмами. С одной стороны, аминокислоты способствуют активизации микробиологических процессов, а с другой - выявлена возможность синтеза микроорганизмами свободных аминокислот, которые могут выделяться и накапливаться в почве [2, 8, 9, 10]. По мнению исследователей, чем больше микроорганизмов в почве, тем выше содержание аминокислот [5, 8].

Количественный и качественный состав свободных аминокислот изучены в поч-

вах США, России, Германии, Украины, Молдавии [3, 4, 7, 9]. Исследователи установили, что количество свободных аминокислот в различных типах почв неодинаково. Так, в минеральных его содержание колебалось от 1-3 до 50-70 мг/кг почвы, достигая максимальной величины 100-400 мг/кг в болотных почвах. Качественный состав аминокислот, напротив, отличался относительной однородностью.

Была поставлена цель: изучить качественный и количественный состав свободных аминокислот в почвах хвойных биоценозов. Исследовательская работа такого рода на территории Карелии проведена впервые.

Исследования проводили на территории ГПЗ «Кивач», расположенного в среднетаежной подзоне Карелии. Стационарные пробные площади заложены на озерно-ледниковой песчаной равнине в высокопродуктивных сосняках черничных 160 и 60-летнего возраста, 170-летнем сосняке брусничном, а также на второй цокольной террасе реки Суна в 140-летнем ельнике чернично-разнотравном. Кроме того, одна пробная площадь расположена на территории Пряжинского района - 160-летний сосняк вересково-лишайниковый.

Сосняки черничные приурочены к иллювиально-железистым песчаным подзолам, сформированным на двучленных отложениях. Данные почвы имеют следующее строение профиля: A0-A2B-Bf1-B2-BC-C (160-летний сосняк черничный) и A0-A2-Bf-B2-IIB3-BC2-C (60-летний сосняк черничный).

Под сосняком брусничным расположена поверхностно-подзолистая песчаная почва на флювиогляциальных песках, имеющая следующее морфологическое строение профиля: A01-A02-A2-Bf-B2-B3-BC-C.

Ельник чернично-разнотравный произрастает на элювиально-поверхностно глееватой почве, сформированной на ленточных глинах, характеризующейся следующим строением почвенного профиля: A0-A1A2-A2g-Bmg-Cg.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

17

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 1

Физико-химические показатели почв сосновых и еловых лесов

Тип леса, тип почвы Горизонт, глу- рН Р2О5 К2О ГК S V C N C: N

бина, см Водн. сол. мг/100г мг.экв./ 100г %

Сосняк брусничный А0 0-4 3,50 2,70 26,80 78,10 151,90 6,70 4,20 43,10 1,08 40

(170 лет) А2 4-8 4,00 3,00 1,70 1,80 8,70 0,00 0,00 0,81 0,07 40

Поверхностно-подзо- Bf 8-30 4,50 4,00 15,70 1,60 7,00 0,00 0,00 0,50 0,06 12

листая песчаная почва B2 30-50 5,10 4,60 17,20 1,60 2,30 0,00 0,00 0,68 0,04 8

на флювиогляциальных В3 50-120 5,10 4,60 6,90 0,60 1,60 0,00 0,00 0,31 0,03 17

песках ВС 120-170 5,30 4,70 10,70 0,60 1,20 0,00 0,00 0,31 0,02 10

Сосняк черничный (160 лет) Подзол иллювиальножелезистый песчаный на двучленных отложениях А0 0-5 3,90 3,10 23,10 35,70 71,20 13,40 15,80 46,7 1,15 16

А2 5-10 3,90 3,00 2,00 1,10 8,10 0,00 0,00 0,63 0,07 41

Bf 10-25 5,00 4,70 70,70 1,00 4,20 0,00 0,00 0,84 0,08 9

B2 25-40 5,10 4,80 25,70 1,00 2,40 0,00 0,00 0,38 0,05 11

ПВ3 40-55 5,30 4,90 18,60 1,00 1,90 0,00 0,00 0,26 0,03 8

ВС 55-100 5,40 4,60 26,60 1,20 1,80 1,20 40,10 0,20 0,03 9

C 100-160 5,60 4,60 29,60 1,60 0,80 1,70 68,00 0,10 0,2 8

Сосняк черничный А0 0-5 3,25 2,90 17,50 50,30 127,30 17,90 12,30 43,20 1,33 33

(60 лет) А2 5-10 4,20 3,20 0,50 1,30 2,40 не опр. не опр. 0,50 0,07 7

Подзол иллювиально- Bf 10-26 5,20 4,80 22,10 1,20 4,40 не опр. не опр. 0,90 0,07 13

железистый песчаный B2 26-40 5,25 4,80 3,00 0,80 2,10 не опр. не опр. 0,40 0,06 7

на двучленных отложе- В3 40-50 4,80 4,40 1,50 1,40 3,50 0,20 5,40 0,30 0,05 6

ниях ВС 50-70 4,75 4,50 14,40 1,00 2,00 не опр. не опр. 0,10 0,03 3

Ельник чернично-раз- А0 0-3 5,05 4,59 82,88 87,45 33,20 50,00 60,10 43,32 1,14 38

нотравный (140 лет) A1A2 3-15 4,25 3,70 27,52 8,86 6,70 5,00 42,70 3,34 0,20 17

Почва элювиально-по- A2g 15-37 5,43 4,14 36,58 7,25 2,20 4,20 65,60 0,18 0,04 5

верхностно глееватая Bg 37-85 6,05 4,11 45,92 4,84 0,90 13,80 93,90 0,07 0,02 4

на ленточных глинах Cg 85-105 6,28 4,16 36,10 5,05 1,10 14,40 92,90 0,04 0,01 4

Сосняк вересково-лишайниковый Почва поверхностноподзолистая иллювиально-железистая на глубоких песках А0 0-2 4,20 3,60 25,80 42,30 38,00 2,10 5,20 22,00 0,52 42

А1А2 3-3,5 4,30 3,80 6,70 1,80 10,90 0,10 0,90 3,40 0,40 9

А2 3,5-7 5,30 4,70 25,90 1,80 3,00 0,00 0,00 0,30 0,04 8

Вf 7-20 5,30 4,70 27,70 0,90 2,30 0,00 0,00 0,30 0,07 4

В2 20-50 5,20 4,60 9,80 0,60 1,40 0,00 0,00 0,10 0,04 3

ВС 50-90 5,20 4,60 12,30 0,80 1,10 0,40 26,30 0,14 0,02 7

С 90-110 4,00 3,50 5,70 0,40 0,90 0,20 17,20 0,10 0,02 5

Сосняк вересково-лишайниковый расположен на подзолистой иллювиально-железистой почве на глубоких песках, которая характеризуется следующим строением профиля: A0-A1A2-A2-Bf-B2-BC-C.

Объектом исследования количественного и качественного состава свободных аминокислот являлась почва перечисленных хвойных биоценозов. Для анализа свободных аминокислот были отобраны почвенные образцы в органогенных и верхних минеральных горизонтах, расположенных в 50-ти сантиметровом корнеобитаемом слое изучаемых почв. Определение содержания и идентификация аминокислот выполнены в свежих почвенных пробах методом высо-

коточной жидкостной хроматографии с использованием жидкостного хроматографа Hitachi-835, работающего в режиме анализа белкового гидролизата [6]. В соответствии с методикой в качестве экстрагента свободных аминокислот использовали 20 % этиловый спирт. Для характеристики почв пробных площадей определены ее физико-химические показатели [1].

Результаты исследований и их обсуждение

Физико-химические показатели, характеризующие исследуемые почвы сосновых и еловых биоценозов, приведены в табл. 1.

18

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 2

Содержание свободных аминокислот в почвах хвойных лесов, мг/кг

Горизонт Амино содержащие соединения Аспарагиновая Треонин я я а (D О Глутаминовая И 5 Ц О 6 Глицин Аланин Цистеин Bалин Метионин И S Я" 1) ц о со Я Лейцин Тирозин Фенилаланин я я 00 S я я а н о S 1-4 Аргинин Общее количество

Сосняк брусничный (170 лет) Поверхностно-подзолистая песчаная почва на флювиогляциальных песках

А0 13,35 9,76 6,09 12,10 9,84 3,13 6,82 5,00 2,82 5,67 0,32 3,58 7,37 2,84 5,63 2,17 1,28 0,86 98,59

А2 0,81 1,13 0,58 0,84 1,15 0,35 0,69 0,44 0,30 0,51 0,03 0,30 0,45 0,21 0,32 0,20 0,09 0,09 8,48

Bf 0,55 0,48 0,31 0,51 0,66 0,18 0,52 0,35 0,16 0,34 0,02 0,19 0,33 0,08 0,18 0,15 0,06 0,07 5,13

Сосняк черничный (160 лет) Подзол иллювиально-железистый песчаный на двучленных отложениях

А0 11,5 17,16 8,26 8,61 21,22 4,76 5,71 8,65 1,62 7,28 0,61 4,26 8,56 0,94 3,40 1,16 0,79 0,57 115,11

А2 1,80 1,42 1,01 1,50 1,48 0,53 1,00 0,67 0,33 0,84 0,04 0,55 1,22 0,16 0,71 0,29 0,13 0,11 13,77

Bf 1,41 1,23 0,79 1,31 1,69 0,47 1,33 0,91 0,40 0,87 0,04 0,50 0,86 0,21 0,46 0,38 0,15 0,18 13,19

Сосняк черничный (60 лет) Подзол иллювиально-железистый песчаный на двучленных отложениях

А0 13,51 7,70 4,95 6,05 7,05 2,55 5,18 4,09 1,83 5,41 0,58 2,92 6,23 2,23 4,39 2,71 1,01 1,36 79,74

А2 0,84 0,88 0,52 0,61 1,13 0,33 0,47 0,52 0,20 0,56 0,07 0,37 0,72 0,12 0,49 0,18 0,06 0,06 8,13

Bf 1,22 0,67 0,48 0,95 0,64 0,22 0,53 0,35 0,20 0,44 0,02 0,30 0,57 0,13 0,50 0,15 0,11 0,06 7,54

Сосняк вересково-лишайниковый (160 лет) Почва поверхностно-подзолистая иллювиально-железистая на глубоких песках

А0 24,12 9,66 5,80 8,87 17,85 4,65 1,38 5,74 7,10 7,08 11,19 2,24 5,12 14,68 3,08 5,96 0,76 1,55 136,81

А2 0,17 0,09 0,12 0,08 0,23 0,07 0,03 0,09 0,11 0,04 0,08 0,02 0,04 0,10 0,03 0,03 0,00 0,01 1,34

Bf 0,21 0,08 0,18 0,12 0,47 0,19 0,10 0,21 0,34 0,01 0,22 0,02 0,09 0,22 0,04 0,01 0,01 0,02 2,54

Ельник чернично-разнотравный (140 лет) Почва элювиально-поверхностно глееватая на ленточных глинах

А0 8,98 11,54 8,73 7,90 15,77 6,65 6,20 10,36 1,43 8,29 1,39 5,07 7,54 1,58 4,38 1,33 1,04 0,68 108,88

А1А2 0,53 0,68 0,51 0,46 0,93 0,39 0,36 0,61 0,08 0,49 0,08 0,30 0,44 0,09 0,26 0,08 0,06 0,04 6,40

A2g 0,06 0,22 0,10 0,21 0,37 0,06 0,21 0,08 0,15 0,13 0,01 0,08 0,18 0,06 0,19 0,08 0,01 0,04 2,25

Bg 0,17 0,47 0,30 0,37 1,03 0,19 0,40 0,26 0,19 0,32 0,03 0,23 0,49 0,07 0,33 0,12 0,08 0,07 5,11

В результате анализа почвенных образцов удалось обнаружить в них 21 соединение, содержащее аминогруппу, 17 из которых идентифицированы как отдельные аминокислоты, остальные отнесены к группе аминосодержащих соединений. Изоформы и другие аминосодержащие соединения составляют порядка 10 % от аминокислотного пула почв.

При исследовании содержания свободных аминокислот в органогенных горизонтах было установлено, что в качественном составе лесных подстилок хвойных лесов моноаминокарбоновые кислоты (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин) составляют 15,8-34,4 %; моноаминодикарбоновые (аспарагиновая, глутаминовая) - 18,5-33,4 %;

оксимоноаминокарбоновые (серин, треонин) - 10,7-18,5 %; серосодержащие (цистеин, метионин) - 1,9-13,4 %; диаминокарбоновые (лизин) - 1,0-4,6 %; гетероциклические (гистидин) - 0,5-1,3 % и ароматические (тирозин, фенилаланин) - 7,9-16,4 % от общего количества аминокислот. На фоне относительно высокого содержания аспарагиновой, глутаминовой аминокислот, серина, глицина и пролина, сумма которых составляет 30-40 % от общего содержания аминокислот, отмечено крайне низкое содержание метионина (0,3-0,7 %) в органогенных горизонтах почв хвойных лесов. Количество аминокислот в подстилках хвойных биоценозов в абсолютном выражении составляет 79,7-136,8 мг/кг.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

19

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Распределение свободных аминокислот по профилю подчиняется закономерности распределения органического вещества почвы, а именно: их максимальное содержание приурочено к органогенным горизонтам, с увеличением глубины количество аминокислот резко сокращается (табл. 2). В почве под ельником чернично-разнотравном отмечено высокое содержание свободных аминокислот не только в подстилке, но и накопление их в гумусово-аккумулятивном горизонте, что также подтверждает зависимость распределения аминокислот от содержания органического вещества почвы.

Содержание свободных аминокислот в минеральных горизонтах почвы хвойных лесов невелико и составляет 1,34-13,77 мг/кг.

Опытным путем установлено, что относительное распределение свободных аминокислот в элювиальных горизонтах почв хвойных лесов выглядит следующим образом: моноаминокарбоновые кислоты (глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин) составляют 16,1-32,43 %; моноаминодикарбоновые (аспарагиновая, глутаминовая) - 22-26,9 %; оксимоноаминокарбоновые (серин, треонин) - 13,7-18,23 %; серосодержащие (цистеин, метионин) - 2,7-14,2 %; диаминокарбоновые (лизин) - 1,1 —3,8 %; гетероциклические (гистидин) - 0,3-1,1 %; ароматические (тирозин, фенилаланин) - 10,1-14,8 %; аминосодержащие соединения - 3-13 % от общего количества аминокислот. В иллювиальных же горизонтах почв хвойных насаждений состав свободных аминокислот выглядит так: моноаминокарбоновые кислоты - 16,8-33,8 %; моноаминодикарбоновые - 17,4-29,3 %;

оксимоноаминокарбоновые - 11,7-18,9 %; серосодержащие - 2,9-22,3 %; диаминокарбоновые - 0,5-2,9 %; гетероциклические -1,1-1,6 %; ароматические - 8,6-17,6 %; аминосодержащие соединения - 3,3-16,2 % от общего количества аминокислот. Таким образом, опираясь на вышеизложенные данные, можно говорить о качественно однотипном аминокислотном составе исследуемых почв.

При изучении содержания свободных аминокислот в иллювиально-железистых песчаных подзолах, расположенных в экологическом ряду по увлажнению и трофности

под сосновыми насаждениями, выявлено увеличение содержания свободных аминокислот в профиле почв с нарастанием уровня увлажнения. В органогенных горизонтах размах колебания составляет 98,6 -115,1 мг/кг, при этом наблюдается увеличение содержания аланина, валина, аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, доля последних в общем фонде аминокислот составляет 20,0 и 33,5 % соответственно.

В минеральных горизонтах почв данного экологического ряда изменение происходит в пределах 5,13-13,79 мг/кг, где на фоне увеличения содержания аспарагиновой и глутаминовой аминокислот происходит снижение доли содержания тирозина, фенилаланина, лизина, гистидина и аргинина в пуле свободных аминокислот. Такое распределение аминокислот связано с особенностью деятельности микробиоты почв разной степени увлажнения. Особенности содержания аминокислот в почвах накладывают отпечаток на картину, характеризующую запасы их в почве. Так, при нарастании уровня увлажнения происходит увеличение запасов азота аминокислот в органогенных горизонтах от 0,31 до 0,65 кг/га, а в 50-сантиметровом корнеобитаемом слое - от 59,36 до 60,55 кг/га.

Рассматривая аминокислотный пул в однотипных почвах под сосняками разного возраста, можно установить следующие закономерности: в профиле почв под молодым насаждением свободных аминокислот содержится меньше, чем под более зрелым древостоем (7,54-79,74 и 13,19-115,11 мг/кг соответственно).

Микроклиматические и микробиологические условия 60-летнего сосняка черничного более благоприятны для трансформации органического вещества почвы, где она идет более высокими темпами, высвобождая азот. Трансформация азотсодержащих соединений в органах молодых растений также идет быстрее, что вызывает повышенную потребность в их азотном питании.

В составе аминокислотного пула почвы 60-летнего сосняка черничного относительное содержание аспарагиновой, глутаминовой кислот и аланина ниже по сравнению со 160-летним. Однако доля цистеина, тиро-

20

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

зина, фенилаланина, лизина, гистидина и аргинина здесь выше.

При изучении содержания свободных аминокислот почв разного генезиса было выявлено, что в подзолистой почве под сосновыми насаждениями общее содержание свободных аминокислот несколько больше, чем в почве более тяжелого механического состава под 140-летним ельником. Этот факт можно связать с тем, что культура ели более требовательна к питанию, чем сосна, и она более интенсивно расходует свободные аминокислоты в качестве источника азотного питания.

Помимо различий в валовом содержании свободных аминокислот в этих почвах отмечены особенности накопления отдельных аминокислот в структуре аминокислотного пула. По сравнению с сосновыми биогеоценозами в подстилке ельника содержание аспарагиновой, глутаминовой кислот и серина в структуре аминокислотного пула ниже, а доля пролина, аланина, валина и тирозина выше. Сходным в составе аминокислотного пула этих почв является то, что его значительную часть составляют всего две аминокислоты: аспарагиновая и глутаминовая. Сумма двух этих аминокислот составляет: 33,5 % - в песчаных почвах под сосняками, 25,1 % - в тяжелосуглинистой почве под ельником.

Особое значение в составе свободных аминокислот в почвах хвойных лесов имеет содержание аргинина. Эта аминокислота является наиболее важной для хвойных растений, так как метаболизм аминокислот у них идет по так называемому «аргининовому типу». Надо отметить, что доля аргинина в составе свободных аминокислот составляет 0,7—1,7 %. На втором месте по значимости для хвойных растений стоит глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Их содержание в общем количестве аминокислот составляет 8—20,2 и 9,2—14,9 % соответственно.

Содержание свободных аминокислот в почвах разного генезиса под хвойными насаждениями зависит от содержания в них органического вещества. Распределение ами-

нокислот по профилю почв подвержено закономерности распределения органического вещества.

Преобладающими в составе аминокислотного пула исследуемых почв являются аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты. В составе основных групп свободных аминокислот доминирующее место занимает группа моноаминокарбоновых кислот.

Состав аминокислотного пула почв зависит от ряда факторов, в том числе изученных нами — типа и степени увлажнения почв, возраста древесных насаждений.

Библиографический список

1. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. — М.: МГУ, 1975.

— 470 с.

2. Асеева, И.В. О биосинтезе свободных аминокислот микроорганизмами в почве / И.В. Асеева, Г.А. Великжанина // Почвоведение. — 1966. — № 1.

— С. 48—55.

3. Асеева, И.В. Свободные аминокислоты в почве / И.В. Асеева, М.М. Умаров // Микроорганизмы в сельском хозяйстве. — М.: Изд. МГУ — 1970. — С. 36—41.

4. Ефремов, А.Л. Содержание свободных аминокислот в почвах сосновых биогеоценозов на климатической трансекте (Белоруссия—Польша) / А.Л. Ефремов // Почвоведение. — 2000. — № 12.

— С. 1481—1486.

5. Загуральская, Л.М. Микробная трансформация органического вещества в лесных почвах Карелии / Л.М. Загуральская. — СПб.: Наука, 1993.

— 136 с.

6. Звягинцев, Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Д.Г. Звягинцев, И.В. Авсеева, И.П. Бабьева и др. — М.: Изд-во МГУ, 1980. — 224 с.

7. Ивашкевич, Т.М. Свободные аминокислоты в почве / Т.М. Ивашкевич, В.Ф. Купревич, Т.А. Щербакова // Докл. АН БССР — 1963. — Т 7. — № 10. — С. 15—18.

8. Красильников, Н.А. Аминокислоты из микроорганизмов / Н.А. Красильников // Успехи современной биологии. — 1961. — Т. 52. — Вып. 2. — С. 31—38.

9. Купревич, В.Ф. О синтезе глютаминовой кислоты в почве / В.Ф. Купревич, Г.П. Цюпа, Т.А. Щербакова // Докл. АН БССР. — 1964. — Т. 8. — № 11. — С. 52—60.

10. Кураков, А.В. Микробиологическая трансформация азота в почве / А.В. Кураков, А.Л. Степанов.

— М.: ГЕОС, 2007. — 138 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

21