Экология растений учебно-методическое пособие к образовательной программе

Краевое государственное образовательное учреждение

Учебное пособие к образовательной программе краевой очно-заочной экологической школы по направлению «Экология растений» содержит теоретический материал и рекомендации по проведению практических работ по основным разделам программы I и II ступени обучения. Каждая практическая работа включает краткую теоретическую информацию, методические указания к проведению соответствующих работ, вопросы для обсуждения и список рекомендуемой литературы.

Материалы сборника представляют интерес для школьников, интересующихся исследовательской деятельностью в области водной экологии, а также для педагогов дополнительного образования и учителей общеобразовательных учреждений, организующих исследовательскую деятельность учащихся в этой области или работающих по образовательной программе краевой очно-заочной экологической школы.

Адрес: ул. Монтажная, 12, г. Хабаровск, 680001

КГОУ ДОД ХКЦДЮТиЭ

Структурное подразделение «Хабаровский краевой эколого-биологический центр»

Телефон/факс: (4212) 50-81-89, 50-81-91
ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ ОБУЧЕНИЯ
ТЕМА 1. СВЕТ И ЕГО РОЛЬ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ
Теоретические сведения

Математическая обработка результатов опытов.

Для получения объективной информации в биологическом эксперименте недостаточно результатов, полученных с единичных особей, т.к. они могут быть случайными и не отражать закономерности, характерные для всей популяции. Наблюдения должны быть многократными.

Для анализа используются не все особи популяции, а только часть, путем случайного отбора.

Исследуемые признаки следует измерять с одинаковой точностью. При изучении влияния экологического фактора на растения особое внимание необходимо обращать на однородность материала, т.е. все особи должны принадлежать к одному виду, сорту.

Приведем пример по изучению влияния света на рост растений. Для эксперимента мы выбрали сою сорта Амурская – 41. В два ящика с влажными опилками мы посеяли по 50 семян. Один ящик поставили в полную темноту, а другой – оставили на свету (при одинаковой температуре и влажности опилок). Через три недели в вариантах «свет» и «темнота» путем случайного отбора мы измеряем высоту стебля 10 растений с точностью до десятых долей сантиметра и данные вносим в таблицу.

Вариант «свет»			Вариант «темнота»
№ расте ния	Высота, см	Отклонения от среднего, V1	№ растения	Высота, см	Отклонения от среднего, V2
1	4,5	0,2	1	6,3	1,8
2	2,5	1,8	2	8,0	0,1
3	6,3	2,0	3	7,4	0,7
4	3,2	1,1	4	9,2	0,9
5	3,5	0,8	5	8,5	0,4
6	4,8	0,5	6	7,5	0,6
7	6,1	1,8	7	9,0	0,9
8	3,7	0,6	8	9,3	1,2
9	3,9	0,4	9	9,7	1,6
10	4,1	0,2	10	6,1	2,0

n M₁ = 4,3 ΣV₁= 9,4 n М₂ = 8,1 ΣV₂= 10,2

Как мы видим, растения с высотой 6,3 см и 6,1 см встречаются в каждом варианте. И только многочисленные измерения дали возможность удостовериться, что в варианте «темнота» встречаются растения, высота которых превышает высоту растений в варианте «свет».

Статистическая обработка полученных данных предполагает следующие действия:

1. 
   Определение средней арифметической (М), для чего все результаты измерений варианта складывают и делят на число измерений. В варианте «свет» М₁= 4,3 см, а в варианте «темнота» М₂ = 8,1 см.
   
2. 
   Определение отклонений от среднего для каждого из измерений (V).
   
3. 
   Вычисление суммы отклонений. В варианте «свет» она составила 9,4 см, в варианте «темнота» - 10,2 см.
   
4. 
   Расчет квадратичного отклонения σ по формуле
   

или приближенное вычисление по упрощенной формуле:

σ = ΣV/ n × 1,253

Для варианта «свет» σ₁ = 9,4/10 × 1,253 = 1, 18

Для варианта «темнота» σ₂ = 10,2/ 10 × 1,253 =1,28

5. 
   Вычисление величины, которая называется ошибкой средней арифметической (m)
   

Для варианта «свет» m₁ = 1,18 / √10 = 1,18/ 3,16 = 0,37

Для варианта «темнота» m₂ = 1,28 / √10 = 0,40

Таким образом, окончательная форма записи показателя высоты растения в см выглядит: вариант «свет» 4,30 ± 0,37

вариант «темнота» 8,10± 0,40

6. 
   Расчет коэффициента достоверности разности между средними двух вариантов (t)
   

Для нашего эксперимента

t = 8,10 – 4,30 / √0,37² + 0,40² = 3,8 / √0,14 + 0,16 =3,80 / 1,73 = 2,2

• 
  Если t больше или равно 3 (t≥3), то различия между средними арифметическими достоверны, неслучайны;
  
• 
  Если t≥2, то различия между средними арифметическими достоверны, неслучайны (но это заключение справедливо в 95 случаев из 100);
  
• 
  Если t<2, то различия между средними арифметическими могут быть случайными. Чтобы окончательно удостовериться, необходимо в эксперименте увеличить число повторностей.
  

В агроценозе, где имеется возможность выровнять напряженность экологических факторов (освещенность, минеральное питание, водный режим и др.) очень четко выявляется в эксперименте зависимость интегральных показателей роста и развития от изменения одного из факторов. Если растения посеяны на почве в достаточной степени обогащенной питательными веществами, то световое довольствие, получаемое каждым растением определяется густотой посева.

1. 
   Подготовить на участке 6 делянок плодородной почвы размерами 0,75 х 50 см, выровненных по питательным достоинствам, освещенности.
   
2. 
   Посеять семена моркови (свеклы) строчками, между которыми расстояние составляет 10 см. В строчках, в зависимости от варианта опыта, густота посева будет различной:
   

• 
  Вариант 1. Делянки №№ 1,3 Расстояние между семенами в строчке: морковь – 2,5 см; свекла – 5 см
  
• 
  Вариант 2. Делянки №№ 2,5 Расстояние между семенами в строчке: морковь – 5,0 см; свекла – 7,5 см
  
• 
  Вариант 3. Делянки №№ 4,6 Расстояние между семенами в строчке: морковь – 7,5 см; свекла – 10 см
  

3. 
   В течение вегетационного периода за посевами осуществляют обычный уход: прополка, при необходимости полив.
   
4. 
   После уборки урожая произвольно с каждой делянки взять по 10 растений и у каждого снять параметры: длина надземной части, масса надземной части, длина черешка, ширина листовой пластинки листа (третьего снизу), длина корня, диаметр корнеплода, масса корнеплода.
   
5. 
   Определить среднее арифметическое параметров по каждому варианту, данные внести в таблицу, использовать их для построения диаграмм, графиков.
   
6. 
   Сделайте вывод, ответив на вопросы:
   
   • 
     Как изменяется длина надземной части при уменьшении светового довольствия (увеличение густоты посева)? Чем это можно объяснить?
     
   • 
     Как изменяется масса корнеплодов? Чем это можно объяснить?
     
   • 
     Как изменяется суммарная масса надземной и корневой части при уменьшении светового довольствия? Чем это можно объяснить?
     
   • 
     Какую густоту посева Вы можете рекомендовать для измененных сортов?
     

Одной из адаптаций растений к неблагоприятным температурам нашей зимы является переход почек в состояние глубокого покоя. Для растений это очень важно, так как предохраняет почки от распускания осенью в случае провоцирующего кратковременного возврата тепла.

1. 
   После опадения листьев секатором (ножом) срезать 15-20 см черенки в количестве 10 штук и принести их домой (лабораторию).
   
2. 
   Приготовить два стакана с водой, на одном из них написать «опыт», на другом «контроль» и дату.
   
3. 
   Черенки погрузить основанием в широкую посуду с водой и с помощью секатора (под водой!) обновить срезы. Это делается для того, чтобы воздух не закупорил сосуды черенков.
   
4. 
   Пять черенков сразу же ставят в стакан «контроль».
   
5. 
   Оставшиеся пять черенков перевязывают и опускают в ведро с водой 40⁰ (теплые ванны), закрывают крышку и оставляют до следующего дня, затем помещают в стакан «опыт».
   
6. 
   Ведут наблюдения, отмечая начало появления листьев.
   
7. 
   Опыт нужно повторять несколько раз через каждые полмесяца (месяц).
   
8. 
   Составить сводную таблицу:
   

9. 
   Сделайте вывод, ответив на вопросы:
   

• 
  Как влияют теплые ванны на выход почек из покоя у разных растений?
  
• 
  Как влияют сроки постановки опыта на результат опыта в контрольном варианте и почему?
  
• 
  Есть ли разница в глубине покоя почек у разных видов?
  

Семена многих растений не могут прорастать сразу же после созревания, потому что находятся в состоянии органического покоя. Органический покой семян является адаптацией растений к неблагоприятным условиям окружающей среды, снижает риск гибели проростков, способствует созданию запаса семян в почве, поддержанию численности популяции.

Суть органического покоя заключается в том, что в одном случае в семени может быть недоразвит зародыш, в другом – покровы семени непроницаемы для воды, и наконец, семена ряда видов не могут прорасти в связи с неблагоприятным соотношения растительных гормонов в зародыше.

Цель работы: смоделировать в лаборатории природные условия, необходимые для выведения семян из состояния органического покоя.

Оборудование: прокипяченные песок или опилки, полиэтиленовые пакеты, холодильник, семена.

Порядок выполнения работы:

1. 
   Стратификация семян лимонника китайского. Семена имеют недоразвитый зародыш и неблагоприятное сочетание гормонов.
   
   1. 
      Свежие (урожая этого года) семена перемешать с влажными опилками или песком и поместить в пакет.
      
   2. 
      Пакет с семенами оставить при температуре 18-20⁰ на 1 месяц (теплая стратификация). За это время зародыш вырастает до нормальных размеров.
      
   3. 
      Затем пакет помещают в холодильник под морозильную камеру, температура +3⁰, +5⁰ на 1 месяц (холодная стратификация).
      
   4. 
      Следующий, третий месяц пакет выдерживают внизу холодильника при температуре 10⁰ (холодная стратификация).
      
   5. 
      Готовые к прорастанию семена «открываются» – покровы лопаются вдоль. Такие семена отбирают и используют для посева.
      
2. 
   Стратификация семян яблони Палласа, черемухи азиатской, абрикоса маньчжурского.
   
   1. 
      Семена перемешивают с влажным песком, помещают в пакет.
      
   2. 
      Пакет выдерживают при температуре +3⁰ , +5⁰. Через 1-2 месяца семена «открываются» – они готовы к прорастанию.
      

1. 
   Опилки (песок) в опыте всегда должны быть влажными (но не мокрыми!).
   
2. 
   Каждый месяц семена в пакете перемешивают, обогащая кислородом воздуха.
   
3. 
   Если в опыте использовать семена растений, произрастающих в различных экологических условиях и просчитывать % открывшихся каждую неделю, то можно выявить зависимость глубины покоя от условий формирования семян.
   

Необходимость тепла для жизни растений в первую очередь обусловлена тем, что процессы жизнедеятельности возможны лишь на тепловом фоне, определяемом количеством тепла и продолжительностью его действия. Разнообразие тепловых условий на Земле в значительной степени обусловливает географическое распространение растений. С изменением температурного режима в течение года тесно связаны сезонные явления в жизни растений умеренных и высоких широт. Самая низкая температура, при которой начинается вегетация (рост) растений или фенологическая фаза – называется нижним температурным порогом вегетации. Порог вегетации, конечно, различен для растений с разным отношением к теплу: для холодостойких культур, видов он условно принят за 5º C, для большинства культур умеренной зоны за 10º С, для теплолюбивых – за 15º С.

Растения за весь вегетационный период получают «сумму эффективных температур». Для подсчета этого показателя суммируются ежедневные повышения среднесуточной температуры воздуха над величиной порога вегетации. Теплолюбивое растение хлопчатник требует для своего развития 3000º С, а менее теплолюбивое – ячмень – 1600º С «суммы эффективных температур». Наиболее ярко различия потребности растений в тепле проявляются при прорастании семян.

Цель работы: убедиться в различиях требований к теплу прорастающих семян растений (теплолюбивых, холодоустойчивых).

Материалы и оборудование: семена культурных растений гороха, ячменя, пшеницы, фасоли, арбуза и т.д. и семена дикорастущих видов; бытовой холодильник, фильтровальная бумага или хлопчатобумажная ткань, чашки Петри или небольшие стеклянные, пластмассовые банки.

Порядок выполнения работы:

1. 
   Замочить семена на 1 сутки в воде для набухания.
   
2. 
   На дно банок или чашек Петри поместить по кружку влажной фильтровальной бумаги или влажной ткани.
   
3. 
   Поместить по 25 семян в каждую банку на влажную ткань, закрыть банки фольгой.
   
4. 
   Две банки с семенами каждого растения поставить в холодильник на самую нижнюю полку (tº C – 10º C), другие две оставить в темном шкафу при комнатной температуре (tº - 20- 25º C).
   
5. 
   В течение двух недель через день необходимо подсчитывать количество проросших семян, рассчитать процент проросших по формуле:
   

25 шт – общее количество семян в банке

А шт – количество проросших семян

Х% – процент проросших семян

6. 
   Полученные данные занести в таблицу и использовать для построения графика.
   

7. 
   На основе полученных данных построить график «Влияние температуры на прорастание семян».
   

По оси ординат отложить % проросших семян.

8. 
   Зарисовать или сфотографировать результаты эксперимента.
   
9. 
   Сделать вывод о зависимости прорастания семян от температуры и различиях в требованиях к теплу при прорастании семян теплолюбивых, холодоустойчивых растений (расположить растения в ряд по мере возрастания потребностей в тепле).
   

• 
  Ильм низкий – крупный куст или дерево до 16 м высоты и до 1 м в диаметре. Листья со сравнительно разнобоким основанием, двоякопильчатые, мелкие, 3-5 см длины. Цветет в конце апреля. Широко используется в озеленении населённых пунктов.
  
• 
  Ильм лопастный – дерево до 23-25 м высоты. Листья крупные, 5-10 см. длины, на плодущих ветвях трех - пятилопастные. Цветет в конце апреля или начале мая.
  
• 
  Ильм сродный – дерево от 3-4 до 25-28 м высоты. Листья различной консистенции, от мягких и голых до жестких и шершавых, по краю неправильно пильчатые, с сильно изогнутыми и оттянутыми вверх зубчиками. Цветёт в начале мая. I
  

• 
  Лещина разнолистная – листья широкие на конце с лопастями, центральные лопасти не превышают боковые. Обвёртка орехов листоватая, не колючая.
  
• 
  Лещина маньчжурская – листья без резко выдающихся боковых лопастей. Обвёртка в 2-3 раза длиннее ореха, с многочисленными колючими волосками.
  

Перечисленные виды имеют адаптации на физиологическом, биохимическом, морфологическом уровнях, позволяющих им осуществлять ранневесеннее цветение.

1. 
   Они имеют заранее накопленный строительный материал - органические вещества. Уместно вспомнить, где откладываются у растения в запас органические питательные вещества и на что они расходуются. Эти вещества синтезируются листьями прошлого го­да и откладываются с осени в коре и сердцевине корней и стеблей. Весной, когда почва прогреется, корни начинают поглощать влагу из почвы и вода поднимается вверх по сосудам. С установлением весеннего восходящего тока, отложенные запасные пластические вещества переходят в растворимое состояние и по системе проводящих тканей вместе с восходящим током подаются к почкам. Если ранней весной до распускания листьев просверлить в дереве отверстие, то из него будет выделяться сок – пасока. Это явление называется "плачем". Наиболее значителен плач у берёзы, клёна, дуба.
   
2. 
   Соцветия у них закладываются летом предыдущего года.
   
3. 
   Большинство раноцветущих деревьев и кустарников – ветроопыляемые растения. Их мелкие невзрачные цветки собраны в легко раскачиваемые ветром серёжки. Они производят массу мелкой сухой пыльцы, парящей в воздухе. Отсутст­вие листьев в период цветения благоприятствует опылению, так как пыльца беспрепятственно переносится на большие расстояния, что повышают вероятность осуществления перекрёстного опыления. Из рассмотренных растений только ива и рододендрон опыляются насекомыми. Насекомые находят в этих цветках кроме пыльцы нектар. Привлечению насекомых у ивы способствует приятный запах её цветков, а у рододендрона яркая окраска венчика.
   

Наиболее распространенными растениями из числа подснежников в наших кедрово-широколиственных лесах являются: весенник звездчатый, адонис амурский, различные виды ветрениц и прострела, хохлатки, лесной мак весенний, джефферсония сомнительная, селезеночники, гусиный лук, ллойдия трехцветковая.

• 
  Ветреница амурская – растение 7-28 см высоты. Цветки 2.5-3 см в диаметре, листочков околоцветника 6 и более, они уз­кие белые. Доли листочков обвёртки острые перистораздельные или надрезанные. Зацветает в конце марта - начале апреля. Растение явля­ется лекарственным. Траву применяли как тонизирующее нервную систему средство, как болеутоляющее при ревматизме и зубной боли.
  
• 
  Ветреница удская – зацветает позднее - в мае. Отличается от Ветреницы амурской тем, что имеет 5 листочков околоцветника. Доли листочков обвёртки зубчато-лопастные, широкие. Сте­бель покрыт оттопыренными волосками. У обоих видов в цветках много пыльцы, из-за которой их охотно посещают насекомые; возможны случаи опыления ветром. На ночь и в плохую погоду цветоножки сгибаются, цветки поникают, листочки околоцветника закрываются.
  

• 
  Прострел китайский – имеет прямостоящие крупные фиолетовые или тёмно-пурпурные цветки. Листья тройчатые, сег­менты их более или менее глубоко надрезанные на широкие доли. Цветёт в конце апреля - начале мая.
  
• 
  Прострел даурский – цветки бледно-фиолетовые, небольшие, около 2 см длины. Листья перисто-рассечённые, сред­няя доля листьев на конце цельная или с зубцами, из которых боковые мельче конечного.
  
• 
  Прострел поникающий – цветки фиоле­тово-красные или малиновые, около 3 см длины. Прикорневые листья перисто-рассечённые; листья покрывала с линейными долями. Лекарственное растение. В Китае корни применяют как противовоспалитель­ное, кровоостанавливающее и вяжущее средство, a траву – как жаропонижающее и мочегонное средство. В народной медицине прострел исполь­зуют при заболевании суставов.
  

• 
  Хохлатка бледная – двулетнее растение с вертикальным слабо развитым корневищем. Листья рассечены на узкие доли, пе­ристые. Цветки жёлтые с коротким шпорцем. Зацветает в апреле-мае.
  
• 
  Хохлатка дымянковолистная – растение с небольшим шаровидным клубнем. Листья трижды или четырежды тройча­тые. Цветки розово-фиолетовые с тупой шпорой.
  
• 
  Хохлатка расставленная – растение с шаровидным клуб­нем. Цветки фиолетово-розовые или синеватые с приятным запахом. Прицветники клиновидные, спереди гребенчато надрезанные. Листья дважды тройчатые. Хороший ранний медонос. Лекарственное растение.
  
• 
  Хохлатка обманчивая – клубень небольшой находится глубоко в почве. Листья дважды тройчатые. Кисть малоцветковая. Цветки фиолетово-лиловые, реже синие без запаха или со слабым запахом. Прицветники цельнокрайние. Население Сибири клубни растения применяют при детской эпилепсии. В Китае их включа­ют в состав порошков вяжущего действия, а также употребляют в ка­честве болеутоляющего, кровоостанавливающего, тонизирующего, моче­гонного средства.
  

• 
  Селезёночник очереднолистный – растение без надземных бесплодных побегов. Стебель 5-15 см высоты с 1-3 листья­ми, прикорневые листья на длинных черешках, округло-почковидные. Растение голое или с белыми редкими волосками. Является лекар­ственным растением. Настой травы принимается при желту­хе, а наружно как кровоостанавливающее и ранозаживляющее средство.
  
• 
  Селезёночник побегоносный – растение до 20 см высоты, имеет надземные бесплодные побеги, которые заканчива­ются розеткой листьев. Растение опушено беловатыми, красноватыми или рыжеватыми волосками.
  
• 
  Селезёночник шероховатосемянный – расте­ние имеет длинные бесплодные побеги с розеткой крупных листьев. Стеблевые листья более мелкие округло-яйцевидные, расположены супротивно. Цветки немногочисленные в правильном округлом щитке.
  
• 
  Селезёночник ветвистый – растения более или менее опушенные. Стебель в нижней части ветвится. Прицветные листья зе­лёные. Цветки плоские с красным сильно выпуклым диском.
  
• 
  Селезеночник волосистый – растение хорошо опушено прицветные листья ярко-желтые. Цветки бокальчатые, с зеленоватым невыпуклым диском.
  

• 
  Гусиный лук мелкоцветковый – растения с очеред­ными листьями. Цветки собраны в кисть. Рыльце пестика трёхраздельное.
  
• 
  Гусиный лук гиенский – растения с безлистным стеблем и узким (до 2 мм) прикорневым листом. Луковица с мелкими луковичками при основании. Цветки собраны в зонтик. Рыльце голов­чатое.
  
• 
  Гусиный лук Накая – у растений более широкий при­корневой лист (7-10 мм), стебли также безлистные; в основании их находится луковица без луковичек. Соцветие зонтик.
  

Адаптации подснежников, обеспечивающие их ранневесенний рост и развитие:

1. 
   Все подснежники имеют в почве многолетние органы- корневища, клубни, луковицы. В этих органах откладываются в запас органические вещества, а в почках ещё осенью завершается формирование всех частей цветка будущего года. Достаточный запас питательных веществ в подземных органах, раннее заложение почек, наряду со своеобразным тепловым режимом почвы в смешанном лесу – всё это и обусловливает быстрый рост и развитие ранневесенних травянистых растений. Ритм развития этих растений связан с распусканием листьев на деревьях. Ранневесенние растения светолюбивы и, когда смыкается полог леса, они отмирают. Побеги желтеют, а затем погибают, и жизнь переключа­ется под землю.
   
2. 
   Цветение подснежников происходит в тот период, когда ещё ма­ло насекомых опылителей. В связи, с чем у растений в процессе эво­люции выработалось ряд замечательных приспособлений, способствую­щих осуществлению успешного опыления. Цветки у большинства ранневесенних растений крупных размеров, нередко яркой окраски, что де­лает их заметными для опылителей. Часто встречающаяся белая окраска лепестков у самых ранних весенних растений (сенник, ветреницы, ллойдия в др.) имеет своеобразное приспособительное значение. Счи­тают, что белые чашеобразные щетки при помощи фокусировки солнеч­ных лучей могут аккумулировать тепло внутри себя, а это способству­ет ускорению созревания завязи. Согласно другой точки зрения, по­вышенная температура внутри цветка по сравнению с температурой ок­ружающего воздуха, привлекает в холодное время насекомых, «стремя­щихся согреться», увеличивая тем самым эффективность опыления растений.
   
3. 
   В связи с малым количеством опылителей ранней весной, существует опасность остаться неопыленными и не образовать семян. Поэтому ранневесенние растения наряду с семенным размножением способны интенсивно размножаться вегетативно – корневищами, клубнями, луковицами.