The effect of grazing on biological activity and the ratio of fractions of mineralized organic matter of soils on carbonate rocks in the subalpine zone of the Eastern Caucasus

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The article examines the effect of grazing intensity on the physico-chemical properties and biological activity of soils in mountain pastures of the Eastern Caucasus. The objects of the study were the soils of Leptic Umbrisols formed on the deluvium of Upper Cretaceous limestones at absolute altitudes of 1620–1660 m. Microbial biomass, enzymatic activity, and the size of the fractions of the pool of active soil organic matter were determined. It was found that intensive grazing in soils on the slopes of the southern exposure causes a decrease in the content of Corg and microbial biomass, while pH values, carbonate content, urease activity and soil skeletality increase. On the northern slopes, intensive grazing has a greater effect on a decrease in the activity of β-glucosidase and an increase in the activity of alkaline phosphatase, and also leads to an increase in the biomass of fungal mycelium. Intensive grazing has led to changes in the structure of the active pool of soil organic matter. The time of complete decomposition of hard-to-mineralize carbon fractions in the zone of intensive grazing on the slope of the northern exposure decreased by 2 times. On the slopes of the southern exposure, a decrease in the fractions of potentially mineralized and difficult-to-mineralize carbon was noted. At the same time, the content of easily mineralized carbon decreased to a lesser extent. In the soils of the northern slope, increased grazing intensity, on the contrary, causes a slight increase in the fractions of the active pool of organic matter. Thus, the organic matter and biological activity of the soils of the slopes of the southern exposure in the mountainous zone of the Eastern Caucasus are more susceptible to the destructive influence of grazing, which must be taken into account when calculating the norms of pasture load.

About the authors

V. N. Pinskoy

Institute of physical, chemical and biological problems of soil science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: pinskoy@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-7463-5186
Russian Federation, Pushchino, 142290

I. A. Shaev

Institute of physical, chemical and biological problems of soil science of the Russian Academy of Sciences

Email: pinskoy@inbox.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

E. A. Kutuzova

Tula State University, Institute of Natural Sciences

Email: pinskoy@inbox.ru

Department of Biology

Russian Federation, Tula, 300600

E. V. Chernysheva

Institute of physical, chemical and biological problems of soil science of the Russian Academy of Sciences

Email: pinskoy@inbox.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

T. V. Kuznetsovа

Institute of physical, chemical and biological problems of soil science of the Russian Academy of Sciences

Email: pinskoy@inbox.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

I. A. Idrisov

DNC RAS

Email: pinskoy@inbox.ru

Institute of Geology

Russian Federation, Makhachkala, 367025

A. V. Borisov

Institute of physical, chemical and biological problems of soil science of the Russian Academy of Sciences

Email: pinskoy@inbox.ru
Russian Federation, Pushchino, 142290

References

  1. Альтудов Ю.К., Занилов А.Х., Зашакуев З.Т. Оценка перспектив декарбонизации отрасли растениеводства Кабардино-Балкарской Республики // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2021. № 5. С. 60–65.
  2. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2011. Т. 44. № 11. С. 1327–1333.
  3. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. 490 с.
  4. Бажа С.Н. Баясгалан Д., Гунин П.Д., Данжалова Е.В., Дробышев Ю.И., Казанцева Т.И., Хадбаатар С. Особенности пастбищной дигрессии степных экосистем Центральной Монголии // Ботанический журнал. 2008. Т. 93. № 5. С. 657–681.
  5. Байраков И.А. Ландшафтно-экологическая диагностика геосистем Северо-Восточного Кавказа (на примере Чеченской Республики). Дис.... д-ра геогр. наук. Пермь 2012. https://www.dissercat.com/content/landshaftno-ekologicheskaya-diagnostika-geosistemsevero-vostochnogo-kavkaza-na-primere-chec/read
  6. Бекмурзаева Р.Х., Булаева Н.М. Мониторинг выбросов парниковых газов на карбоновом полигоне “WAY CARBON” методом регенеративного животноводства // Юг России: экология, развитие. 2023. Т. 18. № 3. С. 153–160.
  7. Большая Российская энциклопедия. В 30 т. М.: Большая Российская энциклопедия, 2004. С. 30.
  8. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 272 с.
  9. Даденко Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Влияние пастбищной нагрузки на ферментативную активность лесных почв Северо-Западного Кавказа // Известия Самарского НЦ РАН. 2016. Т. 18. № 2. С. 345–348.
  10. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология: учебник для вузов по направлениям и специальностям агрономического образования. М.: Дрофа, 2005. Т. 445.
  11. Звягинцев Д.Г., Асеева И.В., Бабьева И.П., Мирчинк Т.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1980. 224 с.
  12. Зотов А.А. Трофимов И.А., Шамсутдинов З.Ш., Савченко И.В., Кутузова А.А., Тебердиев Д.М., Абонеев В.В. Создание и использование продуктивных и устойчивых кормовых угодий Северо-Кавказского природно-экономического района Российской Федерации. Москва. 2008. 63 с.
  13. Казеев К.Ш., Кутровский М.А., Даденко Е.В., Везденеева Л.С., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Влияние карбонатности пород на биологические свойства горных почв Северо-Западного Кавказа // Почвоведение. 2012. № 3. С. 327–327.
  14. Каширская Н.Н., Потапова А.В., Дубовик Е.В., Лягузина Е.А. Влияние пастбищной нагрузки на биологическую активность пустынно-степных почв различного гранулометрического состава // Почва как компонент биосферы: эволюция, функционирование и экологические аспекты. 2020. С. 85–88.
  15. Попкова А.К., Идрисов И.А., Пинской В.Н., Ельцов М.В., Борисов А.В. Химические свойства и биологическая активность почв на акчагыльских глинах в Восточном Предкавказье в условиях интенсивной пастбищной нагрузки // Региональные геосистемы. 2022. Т. 46. № 2. С. 173–183.
  16. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А., Тулина А.С. Минерализуемость органического вещества и секвестрирующая емкость почв зонального ряда // Почвоведение. 2008. № 7. С. 819–832.
  17. Семенов В.М., Кравченко И.К., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А., Гисперт М., Пардини Дж. Экспериментальное определение активного органического вещества в некоторых почвах природных и сельскохозяйственных экосистем // Почвоведение. 2006. № 3. С. 282–292.
  18. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с. ISBN 978-5-89118-702-3
  19. Семенов В.М. Лебедева Т.Н., Лопес Де Гереню В.О. Овсепян Л. А., Семенов М.В., Курганова И. Н. Пулы и фракции органического углерода в почве: структура, функции и методы определения // Почвы и окружающая среда. 2023. Т. 6. № 1. С. 4–19.
  20. Темботова Ф.А., Чадаева В.А., Горобцова О.Н., Пшегусов Р.Х., Цепкова Н.Л., Темботов К.Х., Хакунова Е.М. Закономерности пастбищной деградации семиаридных горных экосистем Центрального Кавказа // Известия РАН. Сер. Географическая. 2024. Т. 87. № 7. С. 1097–1112.
  21. Тулина А.С., Семенов В.М., Розанова Л.Н., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А. Влияние влажности на стабильность органического вещества почв и растительных остатков // Почвоведение. 2009. № 11. С. 1333–1340.
  22. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. М.: Наука, 1982. 203 с.
  23. Хомяков Д.М., Азиков Д.А. Эколого-почвенные аспекты земледелия России // Экология и промышленность России. 2021. Т. 25. № 4. С. 50–55.
  24. Аnderson, J.P.E., Domsch K.H.A. Physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. P. 215–221.
  25. Country indicators. FAO. FAOSTAT. http://www.fao.org/faostat/ru/#country/185 (01.02.2020)
  26. 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
  27. Dick R.P., Sandor J.A., Eash N.S. Soil Enzyme activities after 1500 years of terrace agriculture in Peru // Agriculture, Ecosystems Environment. 1996. V. 57. P. 239–248.
  28. Dos Santos J.V., Raimundo Bento L., Dias Bresolin J., Corso Mitsuyuki M., Perondi Anchão Oliveira P., Macedo Pezzopane J.R. The long-term effects of intensive grazing and silvopastoral systems on soil physicochemical properties, enzymatic activity, and microbial biomass // Catena. 219. V. 2022. P. 106619. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106619
  29. Holechek J.L. Gomez H., Molinar F., Galt D. Grazing studies: what we’ve learned // Rangelands Archives. 1999. V. 21. P. 12–16.
  30. Hood-Nowotny R., Umana N.H.N., Inselbacher E., Oswald-Lachouani P., Wanek W. Alternative methods for measuring inorganic, organic, and total dissolved nitrogen in soil // Soil Sci. Soc. Am. J. 2010. V. 74. P. 1018–1027.
  31. Кandeler E., Gerber H. Short-term assay of urease activity using colorimetric determination of ammonium // Biol. Fertile. Soils. 1988. V. 6. P. 68–72.
  32. Keenor S.G., Rodrigues A.F., Mao L., Latawiec A.E., Harwood A.R., Reid B.J. Capturing a soil carbon economy // Royal Soc. Open Sci. 2021. V. 8. Р. 202305.
  33. Khomutova T.E., Fornasier F., Yeltsov M.V., Chernysheva E.V., Borisov A.V. Influence of Grazing on the Structure and Biological Activity of Dry steppe soils of the Southern Russian Plain // Land Degradation and Development. 2021. V. 32. P. 4832–4844. https://doi.org/10.1002/ldr.4032
  34. Kieft T.L. Grazing and plant-canopy effects on semiarid soil microbial biomass and respiration // Biology and Fertility of Soils. 1994. Т. 18. Р. 155–162.
  35. Kucharski J. Jastrzebska E., Jastrzebska E., Wyszkowska J., Wyszkowska J., Hlasko A., Hlasko A. Effect of pollution with diesel oil and leaded petrol on biological properties of soil // Zeszyty Problemowe Postepow Nauk Rolniczych. 2000. V. 472. Р. 465–472.
  36. Milchunas D.G., Lauenroth W.K. Quantitative effects of grazing on vegetation and soils over a global range of environments: Ecological Archives M063-001 // Ecological Monographs. 1993. Т. 63. P. 327–366.
  37. Pinna M.V., Castaldi P., Deiana P., Pusino A., Garau G. Sorption behavior of sulfamethazine on unamended and manure-amended soils and short-term impact on soil microbial community // Ecotoxicol. Environ. Safety. 2012. V. 84. P. 234–242.
  38. Rong Y.P., Monaco T.A., Liu Z.K., Zhao M.L., Han G.D. Soil microbial community structure is unaltered by grazing intensity and plant species richness in a temperate grassland steppe in northern China // Eur. J. Soil Biol. 2022. V. 110. P. 103404. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2022.103404
  39. Shrestha G., Stahl P.D. Carbon accumulation and storage in semi-arid sagebrush steppe: effects of long-term grazing exclusion // Agriculture, Ecosystems Environment. 2008. V. 125. Р. 173–181.
  40. Sparling G.P. Ratio of microbial biomass carbon to soil organic carbon as a sensitive indicator of changes in soil organic matter // Soil Res. 1992. V. 30. P. 195-207.
  41. Wang L., Hamel C., Lu P., Wang J., Sun D., Wang Y., Gan G.Y. Using enzyme activities as an indicator of soil fertility in grassland-an academic dilemma // Frontiers Plant Sci. 2023. V. 14. P. 1175946.
  42. 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.
  43. Wei Y., Zhang Y., Wilson G.W., Guo Y., Bi Y., Xiong X., Liu N. Transformation of litter carbon to stable soil organic matter is facilitated by ungulate trampling // Geoderma. 2021. V. 385. P. 114828.
  44. Yong-Zhong S., Yu-Lin L., Jian-Yuan C., Wen-Zhi Z. Influences of continuous grazing and livestock exclusion on soil properties in a degraded sandy grassland, Inner Mongolia, northern China // Catena. 2005. V. 59. Р. 267–278.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Map of the Caucasus (a) with the location of key areas: (b) – intensive grazing on a southern-facing slope; (c) – intensive grazing on a northern-facing slope; (d) – moderate grazing on a southern-facing slope; (e) – moderate grazing on a northern-facing slope.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Biomass of fungal mycelium in soils of moderate (Ⅰ) and intensive (II) grazing on different slopes.

Download (235KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Daily intensity of C–CO2 production (Ⅰ) and cumulative production of C–CO2 (II) by soils on northern and southern-facing slopes under conditions of moderate (a) and intensive grazing (b).

Download (416KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Content of potentially mineralizable carbon (C0) in soils with moderate (I) and intensive (II) grazing. (a) – potentially mineralizable carbon; (b) – easily mineralizable carbon; (c) – hardly mineralizable carbon and mineralization rate constant (k).

Download (651KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Vector diagram for some soil parameters (a) and scatter diagram of soil samples in zones of moderate and intensive grazing on slopes of northern and southern exposure (b).

Download (247KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences