Экология растений учебно-методическое пособие к образовательной программе

Влияние, которое оказывают животные на растение, называются зоогенными факторами. Наиболее прямая и ощутимая форма влияния – это потребление растительной массы в пищу. Монофаги питаются растениями одного вида, олигофаги – группой близких видов, а полифаги используют в пищу многие виды. Фитомассу потребляют крупные животные (лось, козы, олени, кабаны, зайцы и др.), птицы, мышевидные грызуны, многочисленные насекомые, клещи. Экологическая роль фитофагов заключается в том, что они, как компонент экосистемы выполняют важнейшую работу, являясь естественным звеном потока энергии и круговорота веществ. Обычно между растениями и фитофагами в экосистеме существует равновесие. Однако при массовых вспышках размножения, например, насекомых – вредителей, возможно повреждение растений на больших площадях как в агроценозах, так и в дикой природе.

Листогрызущие насекомые используют листья как в пищу (жуки-листоеды, божьи коровки, кузнечики, саранча, гусеницы непарного шелкопряда, тополиной, черемуховой, яблоневой моли и др.), так и для устройства своих жилищ (пчелы – листорезы, жуки – трубковерты и др.).

Особую группу составляют насекомые и клещи – галлообразователи. Они питаются соками растений и вызывают разрастание тканей образование разнообразных по форме галлов. Галл формируется как ответная реакция на выделения личинки, развивающейся из яйца, отложенного насекомым в ткани растения. Весьма многочисленны по видовому составу насекомые орехотворки. Каждый из Вас видел на листьях дуба, вяза и других растениях румяные «орешки» (и жилье, и столовая личинок орехотворок).

1. 
   В нескольких точках поселка и за его пределами осмотреть несколько видов древесных растений.
   
2. 
   Просчитать количество галлов на десяти листьях.
   
3. 
   Визуально в процентах или баллах оценить число пораженных листьев.
   
4. 
   Данные свести в таблицу:
   

5. 
   Исследовать древесные растения на наличие стеблевых галлов (обязательно Вы их встретите на однолетних побегах ивы). Оценить количество галлов в среднем на одно растение в различных местах произрастания. Измерить размеры стеблевых галлов и зарисовать.
   
6. 
   Принести листовые галлы в лабораторию, домой, разрезать, убедиться в присутствии личинки насекомого-галллообразователя, зарисовать.
   
7. 
   Сделать выводы, ответив на вопросы:
   
   • 
     Какие виды древесных растений поражены листовыми галлами?
     
   • 
     Какие виды древесных растений поражены стеблевыми галлами?
     
   • 
     Есть ли связь между местом произрастания растений и пораженностью галлами?
     

1. 
   После появления «паутины» и гусениц моли на деревьях яблони, черемухи, записать в дневнике дату.
   
2. 
   Рассчитать процент пораженности деревьев молью. Для этого на участке выяснить общее число деревьев исследуемого вида (100%) и число пораженных (Х %).
   
3. 
   В дневнике отметить дату появления новых молодых листьев, вырастающих на смену съеденных фитофагами.
   
4. 
   Отметить в дневнике дату появления «мин» тополиной моли в листьях, рассчитать процент пораженности деревьев.
   
5. 
   Рассмотреть и зарисовать форму «мин» листьев, вскрыть мину и обнаружить личинку моли.
   

1. 
   Отметить дату появления гусениц непарного шелкопряда.
   
2. 
   Выявить виды деревьев, пораженных гусеницами.
   
3. 
   Отметить в дневнике дату начала отрастания молодых листьев на пораженных растениях.
   
4. 
   Рассчитать процент пораженности деревьев гусеницами.
   
5. 
   Данные свести в таблицу.
   
6. 
   Сделать выводы, ответив на вопросы:
   
   • 
     Какие виды растений полражаются непарным шелкопрядом? Какие не поражаются? Почему?
     
   • 
     Какой адаптацией обладают растения, позволяющей сохранять популяцию при вспышке численности непарного шелкопряда?
     

Некоторые виды растений оказывают отпугивающее влияние на насекомых и грызунов. Примеры таких растений приведены в таблице:

1. 
   Дачную грядку с капустой разбить условно на три части (делянки).
   
2. 
   По периметру и между растениями капусты первой посадить растения календулы.
   
3. 
   Аналогично, но, используя рассаду тагетеса, поступить со второй делянкой.
   
4. 
   Оставшаяся делянка является контрольной.
   
5. 
   В течение опыта наблюдать за ростом и развитием растений, оценивать поражаемость их вредителями.
   
6. 
   В конце опыта сравнить урожай по вариантам.
   
7. 
   Сделать выводы, ответив на вопросы:
   
   • 
     Что является причиной «отпугивающего» действия растений?
     
   • 
     Какими вредителями поражается капуста?
     
   • 
     Обладают ли «защитными» свойствами по отношению к капусте календула и тагетес?
     
   • 
     У какого «защитника» ярче выражено это свойство?
     

В опылении растений могут принимать участие различные виды животных. В тропиках около двух тысяч видов птиц опыляют цветки, например, нектарницы, колибри (явление называется орнитофилией). В случае зоогалии опыление осуществляется млекопитающими (кенгуру, сумчатые летяги, сумчатые сони, «медовая мышь», «летучие собаки», мыши-нектарницы. Но самым распространенным случаем является опыление насекомыми (энтомофилия). В процессе эволюции и у животных, и у растений развились взаимные тонкие приспособления, обеспечивающие питание животных пыльцой, нектаром, и опыление цветков.

1. 
   Осенью для наблюдения выбрать несколько деревьев с
   яркоокрашенными, сочными плодами рябины, калины, боярышника,
   бархата. В августе можно вести наблюдения за черемухой, а после опадения листвы у деревьев – за вечнозелеными кустами полупаразита омелы с оранжевыми плодами.
   
2. 
   Ежедневно наблюдать, какие птицы посещают деревья и поедают
   плоды. В какое время они кормятся?
   
3. 
   Отметить даты, когда деревья останутся без плодов.
   
4. 
   Сделать выводы, ответив на вопросы:
   
   • 
     Какие виды птиц кормятся (а значит, и распространяют семена)
     плодами деревьев?
     
   • 
     Обнаружены ли предпочтения у птиц: питаются ли они плодами
     одного вида растений, или несколькими?
     
   • 
     В какие сроки птицы распространяют семена деревьев?
     

1. 
   Срезать с растений чистотела побуревшие плоды-коробочки,
   разложить их на листах бумаги и после растрескивания отделить семена.
   
2. 
   Рассмотреть с помощью лупы семена, зарисовать и отметить
   особенности: форму, цвет, наличие присемянника.
   
3. 
   На два листа бумаги поместить по 50 семян. На одном листе семена
   оставить без изменения, а на другом осторожно лишить присемянника с
   помощью пинцета и иглы.
   
4. 
   Поместить оба листа вблизи от муравейника на «муравьиной
   дорожке» и засечь время.
   
5. 
   Наблюдать за поведением муравьев, определить время, когда
   муравьи унесут семена.
   
6. 
   Сделать выводы, ответив на вопрос
   

• 
  Как выглядит присемянник (цвет, размеры, форма)?
  
• 
  Какие семена предпочитают переносить муравьи – с присемянником или без него?
  
• 
  Все ли семена с присемянником муравьи доносят до муравейника и почему?
  

1. 
   Выбрать объекты наблюдения (интересно сравнить в работе виды
   дикорастущие и растения цветников), охарактеризовать их по признакам
   крупности цветка или соцветия, наличие запаха, нектара.
   
2. 
   Наблюдение проводить днем, когда воздух хорошо прогрет и
   двигательная активность насекомых высока. За определенный отрезок
   времени отметить число посещений цветков (соцветий) бабочками, жуками, шмелями, пчелами, мухами.
   
3. 
   При длительном наблюдении можно учесть частоту посещений в
   течение дня.
   
4. 
   Полученные данные отразить в графиках или таблицах, приготовить
   фотографии.
   
5. 
   Сделать выводы, ответив на вопросы:
   

• 
  Все ли исследуемые виды растений посещаются одинаковыми
  насекомыми или состав опылителей различен?
  
• 
  Есть ли виды растений, которые предпочтительно посещаются
  бабочками, жуками, шмелями, пчелами, мухами? Почему?
  
• 
  Есть ли различия в составе насекомых-опылителей растений-дикоросов и декоративных культурных растений?
  

Жизненная форма — это внешний облик растения, возникающий исторически под действием естественного отбора в ходе приспособления к условиям среды.

Деревянистые растения — растения, у которых стебель полностью или частично одревеснеет. Основные типы жизненных форм деревянистых растений описаны ниже.

I. Древесные растения — стебель древеснеет полностью.

1. 
   Деревья – многолетние растения с древеснеющими стеблями, одним стволом, высотой не менее 2 м.
   
2. 
   Кустарники – многолетние растения с древеснеющими стеблями, несколькими (многими) равноценными стволиками, высотой от 50 см до 4м.
   
3. 
   Кустарнички – многолетние растения с древеснеющими стеблями, несколькими (многими) равноценными стволиками, высотой до 50 см. В отличие от кустарников, они зимой укрыты снежным покровом.
   
4. 
   Лианы – многолетние растения с лазящими, цепляющимися или вьющимися побегами, использующие соседние растения как опору. Наряду с деревянистыми лианами, у которых стебель одревеснеет полностью, встречаются полутравянистые и травянистые лианы, у которых соответственно стебель древеснеющий только в нижней части или полностью травянистый.
   

1. 
   Полукустарники – многолетние растения с древеснеющими только в нижней части стеблями, высотой от 50 см до 1,5-2 м.
   
2. 
   Полукустарнички – многолетние растения с древеснеющими только в основании стеблями, высотой до 50 см. Внешне напоминают травы.
   

Для классификации жизнен­ных форм датский ботаник К. Раункиер выбрал только один признак, но имеющий большое приспособительное значение: поло­жение почек или верхушек побегов в течение неблагоприятного времени года по отношению к поверхности почвы и снегового покрова. К. Раункиер разработал классификацию жизненных форм вначале для растений Средней Европы, но затем распространил ее и на растения тропического пояса, таким образом, она стала универсальной.

Все растения К. Раункиер разделил на пять типов.

I. Фанерофиты (Ph) – почки возобновления открытые или закрытые, расположены над поверхностью почвы высоко (вы­ше 30 см). Подразделяются на 15 подтипов по консистенции стеб­ля, по высоте растений, по ритму развития листвы, по защищен­ности почек.

II. Xамефиты (Ch) – почки возобновления у поверхности почвы или не выше 20-30 см. Подразделяются на 4 подтипа.

III. Гемикриптофиты (НК) – почки возобновления на поверхности почвы или в самом поверхностном ее слое, покрытом часто подстилкой. Включают 3 подтипа и более мелкие подраз­деления.

IV. Криптофиты (К) – почки возобновления скрыты в почве (геофиты) или под водой (гелофиты и гидрофиты). Подраз­деляются на 7 подтипов.

V. Терофиты (Th) – возобновление после неблагоприятного времени года только семенами.

Подразделение на подтипы основано на использовании морфо-биологических признаков (характер и расположение побегов, защищенность почек и др.).
Практическая работа

Лианы Дальнего Востока,

их приспособления к среде обитания
Теоретические сведения

Лианы – жизненная форма, использующая для опоры другие растения. Таким способом растение-лиана решает основную задачу – обеспечение себя достаточным количеством света. Лианы характеризует очень высокая интенсивность роста, позволяющая быстро вынести листовой аппарат на высоту с высокой освещенностью.

• 
  горошек Кракка (сем. Бобовые) – произрастает на лугах,
  
• 
  хмель японский (сем. Коноплевые) – сорное и рудеральное (растение мусорных куч),
  
• 
  эхиносистис лопастной (сем. Тыквенные) – декоративное, рудеральное,
  
• 
  горец кустарниковый (сем. Гречишные) – произрастает в кустарниковых сообществах,
  
• 
  повилика японская (сем. Повиликовые) – паразитирует, оплетая растение полыни, побеги ивы, черемухи и др.,
  
• 
  борец дуговидный и др. виды (сем. Лютиковые) – произрастают в кустарниковых зарослях, лугах,
  
• 
  ломонос бурый и др. виды (сем. Лютиковые) – произрастает в кустарниковых зарослях,
  
• 
  вьюнок полевой (сем. Вюнковые) – произрастает на лугах.
  

• 
  лимонник китайский,
  
• 
  виноград амурский,
  
• 
  актинидия коломикта,
  
• 
  древогубец.
  

1. 
   Определить видовой состав лиан исследуемой местности, составить их список, разделив на травянистые и деревянистые, вьющиеся, цепляющиеся.
   
2. 
   Вначале лета выбрать несколько лиан и измерить их высоту.
   
3. 
   Измерения проводить каждые два дня, данные заносить в таблицу в форме прироста.
   
4. 
   Параллельно производить измерения высоты у рядом растущих растений другого вида, не являющегося лианой.
   

5. 
   Сделать вывод, ответив на вопросы:
   

• 
  Какие травянистые лианы растут в вашей местности (вьющиеся, цепляющиеся)?
  
• 
  Какие деревянистые лианы растут в обследованном районе (вьющиеся, цепляющиеся)?
  
• 
  Отличается ли прирост побегов лиан и растений других жизненных форм, населяющих одно и тоже растительное сообщество?
  

Фенологические наблюдения – это основа всех экологических прогнозов. Так, изменение микроклимата в городской экосистеме сразу же скажется на сроках схода снега, прилета птиц или их зи­мовки, на изменении видового и популяционного состава городских животных, на распускании листьев деревьев, ходе вегетации, сроках цветения ряда видов и т.д.

Под влиянием неблагоприятных изменений абиотических, биотических и антропогенных факторов среды у растений в пределах генетически обусловленной нормы реакции происходит смещение фенофаз, иногда – накладка одной фенофазы на другую, выпадение фенофаз. Так, например, при сильном суховее пшеница, посеянная на полях с полезащитными полосами оптимальной конструкции, будет проходить последовательно все фенофазы вплоть до форми­рования полноценных семян. А на полях без защиты полос может быть сокращение сроков прохождения фенофаз, их неполное протекание и в результате – формирование щуплого зерна и его раннее осыпание.

При сильном воздействии антропогенных факторов среды (вред­ные выбросы предприятий и автотранспорта) у древесных видов появляются пигментные пятна, хлоротические и некротические из­менения и повреждения листьев и плодов, раннее опадание листо­вой пластинки без полного ее расцвечивания и главное – сокращение вегетационного периода на весьма ощутимые величины (по нашим наблюдениям - иногда до 1-1,5 месяцев).

В условиях городских экосистем Черноземья при большой загрузке улиц автотранспортом наиболее сильно на антропогенные воздействия реагируют такие древесные породы, как каштан конс­кий, все виды липы, клен остролистный, ель обыкновенная и сосна обыкновенная. Они могут служить биоиндикаторами, хотя на ряд антропогенных факторов реагируют в той или иной степени все виды. И только комплексная оценка по ряду признаков у разных видов при большой выборке принесет желаемый результат.

Различают следующие фенофазы растений.

У травянистых злаковых: всходы, кущение, выход в трубку, образование листьев, цветение, начало созревания плодов, полное их созревание, начало рассеивания плодов и семян.

У древесных растений:

1. 
   Зимний покой. Начинается тогда, когда осенью почти у всех листьев изменилась окраска, характерная для летнего состояния, сформировалась почка. Различают стадии покоя: предпокой, глубокий покой, вынужденный покой.
   
2. 
   Начало весеннего сокодвижения - «весенний плач» (у кленов, берез, винограда). Признаком начала фазы является появление капелек сока после прокола коры.
   
3. 
   Набухание почек. Наступает тогда, когда почки заметно увеличиваются в размерах, кроющие чешуйки расходятся.
   
4. 
   Распускание почек. Появляются кончики самых первых лис­тьев (хвоинок), опадают почечные чешуи.
   
5. 
   Развертывание листьев. Появляются первые листочки, кото­рые могут быть еще очень маленькими, иметь складчатую по­верхность, светло-зеленую окраску.
   
6. 
   Рост побегов. У одних видов (сосна) начинается до появле­ния листьев - хвоинок, у других (тополь, липа) во время рос­та листьев, у третьих (ольха, береза, лиственница) после появления первых листьев.
   
7. 
   Летняя вегетация. Начинается тогда, когда первые по време­ни появления листья приобретут характерные для их летнего состояния размеры и окраску.
   
8. 
   Осеннее расцвечивание листьев. Начинается со времени по­явления первых по-осеннему окрашенных листьев. Часто пер­вым признаком фазы служит появление в кронах деревьев отдельных веток с полностью пожелтевшими листьями. У веч­нозеленых растений фаза характеризуется отмиранием самых старых листьев (хвои).
   
9. 
   Осеннее опадение листьев. Обычно начинается одновремен­но с расцвечиванием листьев. У растений из рода ольховых, тополевых - со времени опадения первых зеленых листьев.
   

1. 
   Бутонизация. Распознается при появлении первых признаков бутонов (яблоня, слива, черемуха) или разрыхлении сережек (ольха, береза).
   
2. 
   Цветение. Признак начала фазы – раскрывание кончиков у первых появившихся цветков (клен, боярышник, яблоня) или высыпание пыльцы (ольха, береза, ель, сосна).
   
3. 
   Созревание плодов. Начинается со времени достижения плодами размеров, характерных для их зрелого состояния.
   
4. 
   Рассеивание плодов. Признаком вступления растения в эту фазу является опадение зрелых плодов и поедание их животными.
   

Наиболее информативным суммарным признаком влияния антропогенных или других (абиотических и биотических) факторов среды является длина вегетационного периода. За начало вегетационного периода в метеорологии условно принимается момент, ког­да среднесуточная температура воздуха превышает +5°С. При этом надо различать место проведения наблюдений. Так, в Сибири, при сильном промерзании почвы в зимний период, весной, даже при среднесуточной температуре воздуха, превышающей +5°С, вегета­ция у растений часто не наблюдается. В районах же с непромерзаю­щей почвой (Ставропольский, Краснодарский края) весной при температуре воздуха выше нуля может начаться вегетация у неко­торых растений.

Биологи за начало вегетации у растений принимают первые признаки набухания почек, реже – появление кончиков листьев. Другие ученые за начало вегетации принимают те весенние из­менения в растениях, при которых обязательно поступление воды. У многих растений таким признаком может считаться наступле­ние набухания почек, т. е. времени очень заметного и почти бес­прерывного роста.

У вечнозеленых растений, помимо восстановления тургора (если он был утрачен), очень хорошим признаком начала вегетации сле­дует считать ясно отмечаемое приобретение листьями багульника, брусники и хвоей можжевельника, сосны, ели типичной для лета темной окраски. В лесах начало весеннего плача у березы, клена является первым признаком начала вегетации. Таким же информа­тивным признаком является развертывание первых листьев у ве­сенних эфемероидов.

За конец вегетации метеорологи принимают образование снеж­ного покрова. Многие исследователи концом вегетации считают опадение листьев у древесных пород. Другие принимают за конец вегетации у летнезеленого растения момент, когда заканчивается фаза осеннего расцвечивания листьев, т.е. фактически – разруше­ние хлорофилла и окончание фотосинтеза. У вечнозеленых расте­ний за окончание периода вегетации считается правильным отмечать ту дату, когда начнется изменение летней окраски листьев или хвои (частичное разрушение хлорофилла).

Индикаторами осенних заморозков служат сельскохозяйственные культуры: картофель, помидоры, огурцы, на юге – хлопчатник, а также деко­ративные виды – георгины, бархатцы, на юге – канны. Отмечаются для каждого вида первые повреждения и полная гибель растений от данного вида заморозков.

Фенологические наблюдения за индикационными объектами проводятся или на отдельных модельных экземплярах (при этом обычно затруднен выбор средней модели), либо на всей популяци­ей или группе особей. Следует отметить, что все весенние фенофазы проходят в более короткие сроки по сравнению с осенними. Так, фазы облиствения и зацветания обычно проходят довольно дружно и завершаются за 9-11 суток и менее, а фазы расцвечивания листь­ев, осеннего их опадения, созревания плодов могут быть растянуты на 1 -1,5 месяца. Примерно такую же разницу наблюдали и мы, срав­нивая прохождение фенофаз у одних и тех же видов в условиях улич­ных посадок городской экосистемы но сравнению с более чистой зоной загородных территорий.

Вполне очевидно, что попытка характеризовать осеннее пожелте­ние листвы по случайно выбранному модельному дереву обречена на неудачу. В ряде руководств за начало фазы рекомендуется при­нимать день, когда в фазу вступило 5-10% состава популяции, а за начало массового прохождения фенофазы принято считать момент, когда в фазу вступило не менее 40- 50% состава взятой под наблю­дение популяции.

3. 
   Лист миллиметровой бумаги размером 20x30 см делят пополам линией по более длинной стороне. Линия делится на равные отрез­ки, обозначающие 12 месяцев (или 6-7 месяцев вегетации); каждый месяц делится на декады. Подекадно наносят на том же листе графи­ки: в виде столбиков осадки и ломаной линией - температуру возду­ха. Эти данные необходимы для объяснения характера прохождения фенофаз в зависимости от климатических или микроклиматических условий (например, год влажный или засушливый). В случае одина­ковых абиотических факторов и различий только в антропогенном влиянии показатели температуры и осадков можно опустить.
   
4. 
   Выбирают условные обозначения для отдельных фенофаз, со­гласно легенде и заданию строят график, называемый феноспектром. Преподаватель объясняет, что каж­дая фенофаза постепенно переходит в другую фенофазу, поэтому линии раздела между фенофазами наклонные (это означает, что ра­стения переходят из одной фазы в другую не все одновременно). Удлинение сроков тех или иных фенофаз возможно из-за измене­ния экологических условий: например, переувлажнения почвы в зимний период, большого количества осадков на фоне длительного теплого лета и др. Сокращение фенофаз наблюдается в случае стрес­совых условий: внезапный легкий заморозок или суховей, внезап­ные аварийные выбросы предприятий. В этих случаях переход одной фенофазы в другую может быть резким.
   
5. 
   После объяснения принципов построения феноспектров учащимся дается задание, которое они должны выполнить, обдумать отве­ты на вопросы преподавателя по характеру прохождения фенофаз в тех или иных условиях среды.
   

1. 
   а. Построить и объяснить феноспектры (прохождение фенофаз) для одной и той же древесиной породы (например, каштан конский) при ее произрастании в районе водохранилища с большой аквато­рией (типа Воронежского), расположенного в пределах городской экосистемы, и при произрастании этого же вида в посадках цент­ральных улиц города.
   

2. 
   Нанести на феноспектр длину вегетационного периода дре­весных пород в резко различающихся условиях среды.
   
3. 
   Выдвинуть версию – объяснение изменения феноритмов при произрастании древесных пород в разных экологических условиях и возможности использования этого интегрального показателя как весьма информативного биоиндикатора.
   

Фенологические наблюдения – это основа всех экологических прогнозов. Так, изменение микроклимата в городе сразу же скажется на распускании листьев деревьев, ходе вегетации, сроках цветения ряда видов и т.д. Под влиянием неблагоприятных изменений экологических факторов (абиотических, биотических, антропогенных факторов) среды у растений происходит смещение фенофаз, иногда фенофазы накладываются одна на другую, выпадение фенофаз.

При сильном воздействии антропогенных факторов среды (вредные выбросы предприятий и автотранспорте) у древесных видов появляются пигментные пятна, частичная потеря зеленой окраски листьев (хлороз), омертвление участков листьев (некроз), раннее опадение листьев, сокращение вегетационного периода на значительные величины (0,5-1,5 месяца).

На загрязнения среды автотранспортом очень сильно реагируют липы, клены, ель, сосна (они могут служить индикаторами загрязнения). Другие виды также в различной степени реагируют на загрязнение среды.

1. 
   Выбрать две зоны, различающиеся по степени загрязнения: 10 м от дороги и 1000 – 500 м от дороги.
   
2. 
   Определить виды древесных растений, с которыми будете работать. Например: липа, ясень, клен, береза.
   
3. 
   Провести фенологические наблюдения в течение весны – осени, заполнить таблицу 1.
   
4. 
   Сделать выводы о влиянии исследуемых условий на прохождение фенофаз, расположите виды в порядке увеличения чувствительности к изучаемым условиям среды (например, загрязнению среды автомобильным транспортом).
   

Таблица 1. Сроки начала и окончания фенофаз у древесных видов в разных экологических условиях.