Экология растений учебно-методическое пособие к образовательной программе

Суккуленты – растения, приспособившихся к обитанию в местах с недостатком воды, входят в состав экологической группы ксерофитов. Их листья или стебли мясисты, сочны, содержат сильно развитую водоносную ткань. Кактусы, некоторые молочаи и др. относятся к стеблевым суккулентам, т.к. их листья редуцированны, вода запасается в стеблях. Листовые суккуленты – это алоэ, агавы, толстянка («денежное дерево») и др. На Дальнем Востоке произрастают несколько видов листовых суккулентов, обитателей песчаных бенетовых валов, морских косах, скалистых сопках, на железнодорожных насыпях. Это горноколосники (мягколистный и Иваренте), в первый год формирующие розетку сочных листьев и выбрасывающие на второй год колосовидное соцветие. Травянистые многолетники очитки (их более тридцати видов). Среди очитков особо примечательны два вида очень красивое растение – уссурийский и румянка (золотой корень), обладающий высоко ценимыми лекарственными свойствами.

Кроме способности запасать воду впрок, суккуленты обладают и другими адаптациями к аридным (засушливым) условиям. Корневая их система поверхностна, способна впитывать влагу редко выпадающих дождей и росу, очень быстро восстанавливается после отмирания в неблагоприятные периоды жизни. Колючки кактусов могут поглощать воду из влажного воздуха. Растения очень мало испаряют воды: их листья и стебли покрыты толстым слоем кутикулы и восковым налетом, устьица немногочисленны, часто погружены в ткани листа или стебля, открываются ночью. Водоудерживающая способность их очень высока. Они обладают специфическим типом фотосинтеза, позволяющим экономить воду. Протоплазма клеток обладает высокой жаростойкостью, что связано с ее вязкостью, повышенным содержанием связанной воды и синтезом специальных защитных белков теплового шока.

Целью работы является обнаружение и оценка объема водозапасающей ткани суккулентов.

Материалы и оборудование: стеклянные пластинки, миллиметровая бумага, лезвия, листья суккулентов (алоэ, толстянка, очитки и др.)

Порядок выполнения работы:

1. 
   Через центр листа сделать поперечный срез листа толщиной 1-2 мм и положить его на стеклянную пластинку.
   
2. 
   Рассмотреть срез в проходящем свете, отметить, что поверхностные слои среза представляют собой ассимиляционную ткань, содержащие зеленые хлоропласты и осуществляющую фотосинтез. Внутренняя часть среза представлена прозрачной бесцветной сочной водозапасающей тканью.
   
3. 
   На миллиметровой бумаге обведите контур среза, выделите на нем ассимиляционную ткань.
   
4. 
   Определите площадь ассимиляционной и водозапасающей ткани.
   
5. 
   Рассчитайте в процентах долю водозапасающей ткани листа:
   

• 
  Площадь среза – 100%
  
• 
  Площадь водозапасающей ткани среза – х %
  

6. 
   Рассчитайте в % долю ассимиляционной ткани листа.
   
7. 
   Исследовав листья нескольких суккулентов, составьте диаграмму и сделайте вывод, ответив на вопросы:
   

• 
  Что явилось причиной возникновения у растений в процессе эволюции водозапасающей ткани?
  
• 
  У каких исследованных растений ее больше?
  
• 
  Какие суккуленты произрастают в Вашем селе, городе и их окрестностях? Где Вы их обнаружили?
  

Транспирация – это процесс испарение воды растением. Основных функций транспирации две:

• 
  охлаждение листьев (терморегуляция),
  
• 
  создание непрерывного тока воды, объединяющего органы, ткани, клетки растения в единое целое.
  

По отношению к воде растения делятся на следующие группы:

• 
  гидрофиты – обитающие в воде,
  
• 
  гигрофиты – растущие во влажных местах обитания,
  
• 
  мезофиты – растущие в условиях достаточного увлажнения,
  
• 
  ксерофиты – произрастающие в условиях водного дефицита.
  

1. 
   В две мерные пробирки налить одинаковое количество воды.
   
2. 
   Срезать одновозрастные побеги с листьями.
   
3. 
   Опустить основания побегов в воду широкого сосуда и лезвием обновить срезы.
   
4. 
   Поместить побеги основаниями в мерные пробирки с водой, записать время и выставить на рассеянный свет.
   
5. 
   Через 1-2 часа по делениям пробирок определить объем испаренной воды.
   
6. 
   Определить площадь листовых пластинок в см², для чего на миллиметровой бумаге обводят контуры листьев и считают внутри контура количество полных и неполных клеток. Каждую неполную клетку оценивают как половину полной клетки. Пример: в контуре оказалось 7 полных клеток (по 1 см²) и 12 неполных. Площадь листа таким образом равна 13 см².
   
7. 
   Рассчитать интенсивность транспирации для каждого растения в г/м²/час, учитывая, что масса 1 мл воды равна 1 г, 1 м² = 10000см² Пример: Площадь листьев равна 60 см², за 2 часа листья испарили 6 мл воды интенсивность транспирации = 6г х 10000см² / 2часа х 60см² = 500 г/м²/час
   
8. 
   Данные заносят в таблицу и делают выводы, отвечая на вопросы:
   

• 
  Какова величина транспирации у исследуемых растений?
  

• 
  К какой экологической группе относятся исследуемые растения?
  

Нитрофилы – экологическая группа растений, предпочитающих почву с избыточным содержанием азота. Нитрофильные виды являются прекрасными индикаторами загрязнения окружающей среды бесхозными азотными удобрениями, отходами животноводства, сточными водами.

Повышенной потребностью к азоту обладает небольшое количество видов. Это лишайники, произрастающие на скалах птичьих базаров, это цветковые растения – чистотел большой, чистотел азиатский, все дальневосточные виды крапивы, мари, череды, злостный сорняк хмель японский.

Цель работы: оценка загрязнения почв исследуемого района индикаторами – нитрофилами.

Порядок выполнения работы:

1. 
   По определителям и другой учебной ботанической литературе ознакомиться с дальневосточными видами – нитрофилами, научиться отличать их от других видов.
   
2. 
   Выявить участки загрязнения избыточным количеством азотистых веществ исследуемого района.
   
3. 
   Сделать вывод о возможных источниках загрязнения почвы избыточным азотом.
   

Концентрация ионов водорода в почвенном растворе выражается специальным показателем – рН (кислотность раствора). Нейтральную среду характеризует рН=7. Ниже этого показателя, рН<7 имеет кислая среда, а выше – рН>7 – щелочная. рН среды является одним из важнейших факторов, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов почвы и поступление минеральных солей в корневую систему. Растения, предпочитающие кислые почвы с небольшим значением рН называют ацидофилами; растения щелочных почв – базифилами, а растения почв с нейтральной реакцией – нейтрофилами. Приуроченность растений к почвам с определенным значением рН дает возможность использовать растительность в качестве индикатора почвенных условий по степени кислотности. Примеры таких растений приведены в таблице.

Индикация кислотности почв по растительности имеет практическое применение. Например, если в луговом травостое появляется большое количество ацидофилов, то это говорит о нежелательных изменениях почвы, ее закислении и о необходимости известкования почвы.

1. 
   Из предложенной таблицы выбрать древесные и травянистые растения, которые, судя по оптимуму рН, являются индикаторами кислых (рН 3,5-4,5), средне и слабокислых (рН 4,5-6,5), нейтральных и околонейтральных почв (6,5-7,5).
   
2. 
   С помощью этого списка, используя при необходимости определитель растений, выявить растения – индикаторы в исследуемых растительных сообществах.
   
3. 
   Дать оценку кислотности почв.
   
4. 
   Проверить оценку путем прямого определения рН почвы. Для этого в сосуд поместить почву, добавить равное по объему количество прокипяченной воды и многократно взболтать. На следующий день отфильтровать через бумагу или плотное полотно и измерить рН фильтрата с помощью индикаторной бумаги.
   
5. 
   Сделать выводы о кислотности почв растительных сообществ Вашего города, села, его окрестностей.
   

Эдафический фактор (почва) является важнейшей составной частью комплекса условий (наряду с температурой, светом, водным режимом), определяющих первичную продуктивность растительных сообществ. Плодородие почвы формируется в результате взаимодействия почвенных экологических факторов: механического состава, органического вещества, коллоидов, почвенной воды, воздуха, живого населения.

Растения, предпочитающие почвы определенного плодородия являются индикаторными организмами, их примеры представлены в таблице:

Степень богатства почв (плодородие почв)	Растения - индикаторы
Особо бедные почвы	- Пушица низкая, Пушица влагалищная (сем. Осоковые) - Подбел полиумолистный (сем. Вересковые) - Кошачья лапка двудомная (сем. Астровые) - Осока малоцветковая (сем. Осоковые) - Водяника черная (сем. Водяниковые)
Бедные почвы	- Полевица собачья (сем. Мятликовые) - Манжетка городковатая (сем. Розовые) - Осока пушистоплодная (сем. Осоковые) - Овсяница овечья (сем. Мятликовые) -Ястребинка оранжевая, Ястребинка голая(сем. Астровые) - Линнея северная (сем. Жимолостные) - Молиния японская (сем. Мятликовые) - Орляк обыкновенный (сем. Орляковые)
Небогатые почвы	- Осока водяная (сем. Осоковые) - Земляника восточная (сем. Розовые) - Хвощ болотный (сем. Хвощевые) - Хризантеум нивяник (сем. Астровые) - Марьянник щетинковый (сем. Норичниковые) - Кислица обыкновенная (сем. Кислициевые) - Горец змеиный (сем. Гречишные)
Довольно богатые почвы	-Тысячелистник азиатский, Тысячелистник обыкновенный (сем. Астровые) - Мятлик луговой (сем. Мятликовые) - Кровохлебка лекарственная (сем. Розовые) - Вербейник даурский (сем. Первоцветные) - Чина луговая (сем. Бобовые) - Хмель обыкновенный, хмель японский (сем. Тутовые) - Будра плющевидная (сем. Яснотковые) - Ежа сборная (сем. Мятликовые) - Василек луговой (сем. Астровые) - Осока пузырчатая (сем. Осоковые)
Богатые почвы	- Лисохвост тростниковидный (сем. Мятликовые) - Цикорий обыкновенный (сем. Астровые) - Тонкопот обыкновенный (сем. Мятликовые) - Лядвенец рогатый (сем. Бобовые) - Люцерна хмелевидная (сем. Бобовые) - Мятлик луговой (сем. Мятликовые) - Лапчатка гусиная (сем. Розовые) - Тимьян Маршалла (сем. Яснотковые)

Цель работы: определение степени богатства почв исследуемого района.

Материалы и оборудование: определители растений.

Порядок выполнения работы:

1. 
   В определителе найти описание растений – индикаторов.
   
2. 
   Исследовать растительные сообщества села, города, его окрестностей, оценить степень богатства их почв.
   
3. 
   Составить итоговую таблицу, в которой обозначить растительные сообщества (например: луг, газон, кустарниковые заросли, осинник, дубняк, дачный участок и т.д.), перечислить обнаруженные растения – индикаторы и степень богатства почвы.
   

Гигрофиты – растения избыточно увлажненных местообитаний. У них отсутствуют полностью приспособления, ограничивающие испарения воды.

Гигрофиты имеют тонкие, нежные листовые пластинки с небольшим числом устьиц, со слабо развитой кутикулой, рыхлое сложение тканей листа с крупными межклетниками, слабое развитие водопроводящей системы, также слаборазветвленные корни, испаряют большое количество воды. Не переносят потерю даже небольшой части запаса воды (потеря 15-20% ведет к гибели).

Адаптации к среде обитания.

Некоторые гигрофиты избыток воды удаляют через специальные водяные устьица (процесс гуттации).

Избыточное увлажнение сокращает количество кислорода в почве, поэтому для гигрофитов характерно развитие воздушных полостей в листьях, стеблях, корнях, а также специальная воздухоносная ткань – аэренхима.

К гигрофитам относятся виды, растущие на открытых, хорошо освещенных местообитаниях, но в условиях избытка почвенной влаги – близ водоемов, в дельтах рек, в местах выхода грунтовых вод: Дербонник, Калужница, Манник, Цицания, Камыш, Бекмания восточная, Рогоз, Частуха.

Из культурных растений типичным гигрофитом является рис. Черты гигрофитов (хотя и не столь выраженные) имеют травянистые растения темнохвойных лесов – кислица, майник, Circaea alpine и др.

1. 
   Обследовать на изучаемой территории места с избыточным увлажнением, собрать растения и определить их.
   
2. 
   Убедиться в наличии воздухоносной ткани у гигрофитов. Для этого сделать поперечные срезы стебля, корня, корневищ, положить на стеклянную пластинку и рассмотреть с помощью лупы.
   
3. 
   Составить список гигрофитов исследуемой местности по схеме:
   

   № п/п	Вид	Местообитания вида
   1.	Рогоз широколистный	Прибрежная зона озера
   2.	Частуха подорожниковолистная	Придорожный кювет
   3.	И т.д.

4. 
   Сделать выводы о различиях в видовом составе гигрофитов различных мест обитания (болото, берег озера, канавы, придорожные кюветы и т.д.).
   

Для выполнения этой работы лучше использовать два комнатных растения, что позволит сравнить их потребность в воде, оценить принадлежность к конкретной экологической группе. Это могут быть: бальзамин («Ванька мокрый») и герань; традесканция и алоэ; бегония и сансевьера («щучий хвост»); фиалка узамбарская и толстянка («денежное дерево»; хлорофитум и колеус.

Постановка эксперимента требует создания одинаковых условий (кроме полива) для всех растений.

Материалы и оборудование: цветочные горшки одинакового размера без отверстия в дне, почва, укорененные черенки растений.

Ход работы:

1. 
   Шесть горшков объемом 1 литр заполняют одинаковым количеством почвы. В три из них (№ 1,2,3) высаживаются черенки одного растения, а в оставшиеся (№ 4,5,6) – другого.
   
2. 
   На каждый горшок приклеивают этикетку, в которой отмечается вид растения и порядковый номер горшка.
   
3. 
   Ежедневно в одно и тоже время растения поливают определенным объемом воды.
   

№ 2 и № 5 (средняя влажность почвы) 100 мл воды

№ 3 и № 6 (высокая влажность почвы) 200 мл воды

Влияние влажности оценивают по интенсивности процессов роста и развития. Для этого вначале опыта и через каждую неделю считают количество листьев на растении, измеряют его высоту, отмечают появление бутонов и цветков. Данные заносят в таблицу, которую составляют для каждого варианта

• 
  Какой из вариантов полива является оптимальным для исследуемых растений.
  
• 
  Какое из растений можно отнести к ксерофитам (засухоустойчивым) и мезофитам (плохо переносящих условия засухи).
  

Сельскохозяйственные культуры и большинство видов дальневосточной флоры, как правило, не относятся к галофитам – растениям засоленных местообитаний. Однако среди них можно найти виды, сорта более или менее устойчивые к засолению почвы.

Солеустойчивость растений можно оценить достаточно простым способом, проращивая семена на солевых растворах. Известно, что хлоридное засоление более ядовито для растений по сравнению с сульфатным. В этой связи интересно сравнить реакцию прорастающих семян различных видов (сортов) на различные типы засоления.

Материалы и оборудование: семена различных сельскохозяйственных культур, фильтровальная бумага или белая хлопчатобумажная ткань, чашки Петри или небольшие пластмассовые, стеклянные стаканы.

Порядок выполнения работы:

1. 
   В шесть стаканов поместить одинакового размера куски хлопчатобумажной ткани и пронумеровать их.
   
2. 
   В каждый стакан налить одинаковое количество жидкости (ткань должна быть влажной):
   

№ 2 – раствор поваренной соли 10 г/литр

№ 3 - раствор поваренной соли 20 г/литр

№ 4 – раствор поваренной соли 30 г/литр

№ 5 – раствор поваренной соли 40 г/литр

№ 6 – раствор поваренной соли 50 г/литр

3. 
   Семена по 50 штук помещают на влажную ткань стаканов и закрывают их крышками. В течение опыта ткань в стаканах поддерживают во влажном состоянии, добавляя воду.
   
4. 
   Процент проросших семян определяют каждый день, данные вносят в таблицу.
   
5. 
   По завершении опыта измеряют длину проростков и также данные вносят в таблицу.
   
6. 
   На основании полученных данных по прорастанию семян нескольких видов (сортов) сравнивают их солеустойчивость, оформляют в виде выводов, отвечают на вопросы:
   

• 
  Какая наименьшая концентрация соли тормозит прорастание семян?
  
• 
  Влияют ли концентрации соли, тормозящие прорастание на рост проростков?
  
• 
  Какие части проростков (корни или стебли) страдают больше от засоления?
  

Наличие в почве минеральных веществ является экологическим фактором, который в значительной степени определяет рост и развитие растений, массу образующихся органических веществ (первичную продуктивность). Для растений необходимы макроэлементы (азот, фосфор, калий, кальций, железо, сера, магний) и микроэлементы (медь, цинк, бор, молибден, марганец и др.). Каждый элемент важен, необходим для растения и не может быть заменен другим. Из фосфорных удобрений широко применяется суперфосфат, из калийных – хлористый калий. В большинстве почв испытывается недостаток азота, поэтому применение азотных минеральных удобрений (калийная селитра, аммиачная селитра) оказывает значительное влияние на процессы роста, развитие, урожай всех культур. Но наиболее отзывчивы на внесение азотных удобрений зеленные культуры: укроп, сельдерей, петрушка, кориандр, салат, салатная горчица, щавель, шпинат и др.

При использовании удобрений необходимо пользоваться рекомендациями, обозначенными на упаковке, т.к. различные удобрения содержат неодинаковое количество действующего элемента. Опыты по влиянию удобрений можно поставить на всех сельскохозяйственных культурах; каждый район нашего региона отличается почвами по их питательным достоинствам, и результаты эксперимента будут обладать новизной. Но особенно они интересны на новых сортах сельскохозяйственных и декоративных культур. Очень быстро получаются результаты в опытах с зеленными культурами. Опыты с минеральными удобрениями позволяют дать оценку питательным достоинствам почвы: естественно, больший положительный эффект окажет минеральный элемент, находящийся в почве в дефиците.

Цель работы: выявить, какое из удобрений обладает большей эффективностью в условиях вашего региона.

Материалы и оборудование: калийное, фосфорное, азотное удобрение, линейка, технические (торговые) весы, тетрадь для ведения полевого дневника.

Порядок выполнения работы:

1. 
   Весной подготовить десять небольших (0,5 х 0,5м) делянок.
   
2. 
   Заправить делянки удобрениями стандартной нормы (указано на упаковке) по схеме:
   

2 делянки – азотные удобрения

2 делянки – фосфорные удобрения

2 делянки – калийные удобрения

2 делянки – смесь удобрений (калийные+азотные+фосфорные)

3. 
   Посеять семена исследуемого сорта. На всех делянках соблюдать одинаковую норму высева семян способ посева.
   
4. 
   Схему опыта, сроки посева и последующие наблюдения фиксировать в полевом дневнике.
   
   1. 
      В течение опыта осуществлять регулярную прополку и рыхление почвы.
      
   2. 
      Проводить фенологические наблюдения по вариантам (фенофаза отмечается, когда ей соответствует более 50% растений).
      
   3. 
      Раз в неделю определять высоту растений (среднее из измерений десяти произвольно выбранных особей).
      
   4. 
      По окончании опыта определить общую биологическую массу в расчете на 1 растение, 1 м² делянки, массу надземной части, подземной части. У культур, урожаем которых являются семена, – массу (количество семян). Декоративные цветущие растения оценивают также по количеству цветков, их диаметру и т.д.
      
5. 
   На основании полученных данных делают выводы, отвечая на вопросы:
   
   • 
     Какое из исследованных удобрений увеличило темпы развития растений (по срокам наступления фенофаз)?
     
   • 
     Обнаружены ли различия во влиянии различных удобрений на массу надземной части, подземной части, общую биологическую массу, урожай?
     
   • 
     Какого из минеральных элементов (азота, фосфора, калия) не достает в почве исследуемого участка?
     

Растения, обитающие на засоленных почвах, называют галофитами (гликофиты – растения незасоленных местообитаний).

1. 
   Солянки (эугалофиты). Протоплазма клеток этих растений весьма устойчива к большой концентрации солей, которые могут накапливаться в количестве, составляющим 40-50% от золы. Примером солянок обитающих на Дальнем Востоке являются солерос европейский, солянка Комарова, солянка холмовая, сведа сизая. Они произрастают на песках и галечниках побережья Приамурья, Сахалина, Курил. Растения также содержат много воды: сочные членистые стебли солероса имеют редуцированные листья, у солянок листья обычные, плоские, но толстые и сочные.
   
2. 
   Солевыделители (криногалофиты). Растения выделяют наружу избыток солей через железки в листьях. К ним относятся тамариксы, франкения, многие кермеки. На Дальнем Востоке эти растения не произрастают.
   
3. 
   Гликогалофиты обладают корневой системой, малопроницаемой для солей. Такой механизм защит от высокой концентрации солей характерен для многих полыней.
   
4. 
   Псевдогалофиты избегают засоления благодаря корневой системе, проникающей глубже расположения засоленного горизонта. Примером является широкорапространенный тростник обыкновенный, кендырь сибирский.
   

1. 
   Приготовить растворы поваренной соли 1% (1г соли растворяют в 99 мл воды), 2% (2 г соли растворяют в 98 мл воды).
   
2. 
   Взять три стаканчика и налить в них одинаковое количество жидкости. № 1 – вода , № 2 – 1% раствор соли, № 3 – 2% раствор соли.
   
3. 
   Лезвием срезать три листа одного растения и сразу же поместить черешком по одному листу в каждый стаканчик.
   
4. 
   Аналогично поступить и с листьями другого вида. Очень важно, чтобы листья обеих видов были одновозрастными.
   
5. 
   В течение опыта в стаканчиках сохраняют постоянный объем жидкости, доливая при необходимости воду.
   
6. 
   Солеустойчивость оценивают по площади пожелтевших и отмерших участков листа в конце опыта: чем больше процент таких участков, тем меньше солеустойчивость.
   
7. 
   В заключение работы строят ряд солеустойчивости растений, располагая их по мере возрастания этого показателя, и отвечают на вопрос: какие из обследованных растений смогут произрастать в городе, вдоль дорог?