Экологические факторы и экологические свойства растений (определение, примеры).

1. Те элементы среды (свет, тепло, вода, воздух, почва и др.), которые влияют на растения, получили название экологических факторов. Эти фак-торы создают среду обитания, или условия местопроизрастания растений.

Раздел биологии, изучающий условия существования растений и взаимосвязи между растительными организмами и средой, в которой они обитают, называется экологией растений. Те элементы среды (свет, тепло, вода, воздух, почва), которые влияют на растения, получили название экологических факторов. Каждый ботанический вид занимает в биосфере свою экологическую нишу - ту среду обитания, условия существования которой соответствуют экологическим свойствам организмов и позволяют успешно конкурировать с другими видами.
Основные группы экологических факторов: абиотические (рельеф, климат, почва), биотические (растения, животные и микроорганизмы), антропогенные.
Анализируя роль отдельных факторов среды, следует иметь в виду два принципиальных момента: во-первых, растения не только зависят от внешних условий, но и сами активно воздействуют на них, особенно в сомкнутом состоянии; во-вторых, значение одного фактора может существенно изменяться при сочетании с другими, т.е. среда влияет на растения комплексно, и направление и сила такого влияния зависят от всего комплекса параметров внешней среды. Хотя в экстремальных условиях часто лимитирующим может служить один конкретный «фактор в минимуме», но и его значение может варьировать в зависимости от прочих условий, далее это будет рассмотрено более детально.
Роль света в жизни растений
Источник света на Земле - солнечная радиация.

Экологические группы растений по отношению к свету:

Светолюбивые - максимальная интенсивность фотосинтеза при 25-33 (50) % от полной освещённости. Лиственница сибирская, сосна обыкновенная, берёза повислая, ясень обыкновенный, осина. Это породы пионерной стратегии, они требуют полного освещения с момента прорастания семени.
Теневыносливые - лучше растут и развиваются при достаточно полной освещённости, но могут приспосабливаться к слабому свету (10 % от полной освещённости). Тисс, ель, пихта, самшит, бук, граб. Это породы конкурентной стратегии, в молодом возрасте нуждаются в притенении (как при естественном возобновлении под пологом леса). Однако для полноценного развития и прохождения всех стадий онтогенеза им необходимо достаточное количество прямого света. Иными словами, если в течение 10-20 (иногда до 50) лет изреживания верхнего полога не происходит, подрост погибает. Тенелюбивых - среди древесных нет.
При интродукции растений сказывается сезонная ритмика продолжительности светового дня. Она служит ориентиром для подготовки к определенным фенофазам (распусканию почек, цветению и к листопаду), а изменения привычного режима приводят, например, к обмерзаниям.
Визуальные признаки светолюбия - крона сквозистая, высокоподнятая, листва (хвоя) светлая. У теневыносливых растений крона плотная, достаточно низко опущена, а в тёмно-зелёных листьях повышенное содержание хлорофилла для усвоения малого количества света.
Городские посадки чаще всего достаточно разреженные, световой режим в них достаточный. Даже те деревья, которые растут с северной стороны от высоких зданий, не затенены сверху и не проявляют признаков угнетения. Возможно, некоторое отрицательное воздействие ночного освещения имеет место, но вряд ли оно значительно, так как интенсивность такого света очень невелика.
Роль рельефа в жизни растений
Рельеф - совокупность неровностей земной поверхности, включает в себя высоту над уровнем моря, крутизну и экспозицию склона. Выделяются три категории рельефа, в зависимости от их масштаба и происхождения: макрорельеф, мезорельеф и микрорельеф. Макрорельеф сформирован эндогенными процессами Земли, мезорельеф - экзогенными (поверхностными) процессами, а микрорельеф характеризует поверхность элементов предыдущих категорий.
Рельеф не является условием, определяющим жизнь растения, он влияет на растения опосредованно, через изменение других экологических факторов. Высота над уровнем моря определяет влажность воздуха, амплитуду температуры, атмосферное давление, парциальное давление кислорода и углекислого газа.
От крутизны склона зависит гидрология участка, а также интенсивность эрозии почвы. Экспозиция склона играет очень важную роль в тепловом балансе участка, а тепло влияет не только непосредственно на растения, но и на почвенные процессы.
Что касается мезорельефа, он воздействует слабее, в основном через гидрологию и ветровой режим участка. Микрорельеф определяет пестроту растительного покрова, в некоторой степени ускоряет почвенные процессы, служит лучшему прогреву и аэрации почвы.
В свою очередь, древесная растительность стабилизирует рельеф, предотвращает появление и развитие оврагов, а в горах закрепляет почву на склонах, препятствуя ее смыву.
Климатические экологические факторы
В естественном растительном покрове Земли различают зональную, азональную, интразональную и экстразональную растительность. Зональная растительность занимает плакоры - дренированные водораздельные пространства. Такая растительность является климатически обусловленной, ее характер определяется количеством тепла и балансом влаги, она служит основой для выделения растительных (так называемых «природных») зон. Основным температурным критерием, определяющим территориальные границы растительных зон, является средняя температура июля. Южная граница тундры в целом совпадает с июльской изотермой 10-12 °С, лесная зона расположена между 14 °С на севере и 19,5 °С на юге, пустыни начинаются приблизительно от изотермы июля 25 °С. В условиях достаточного количества тепла определяющим фактором будет служить режим осадков, и здесь растительность не только зависит от влажности, но и сама активно влияет на водный баланс. Именно в условиях дефицита влаги лесные сообщества за счет задержания и максимального усвоения осадков, связи с грунтовыми водами глубокого залегания, а также снижения ветра, интенсивно иссушающего почву и растительность, способны поддерживать водообеспеченность себя и прилегающих территорий.
Однако при сведении леса в таких условиях возобновление его практически невозможно. Азональные сообщества не образуют обширной зоны, а встречаются в разных поясах и приурочены к экстремальным субстратам -растительность каменистых выходов, перевеваемых песков, засоленных морских побережий.
Интразональная растительность чаще всего связана с особыми гидрологическими условиями, занимает сходные ландшафты в разных природных зонах - например, пойменные леса и кустарники, заливные луга, болота.
Экстразональная растительность - это фрагменты одной растительной зоны внутри другой, например, лиственничный массив Ары-Мас в таймырской тундре или остепненные луга в центральной Якутии.
Значение тепла для жизнедеятельности растений Основную часть теплового баланса составляет энергия Солнца в виде прямой и рассеянной радиации. Необходимость тепла обусловлена тем, что процессы роста и развития возможны в определённом интервале температур от +1°С до +45 °С: ниже нуля замерзает вода, выше +45 °С свертываются белки. Оптимальный интервал для активной жизни растений - 15 - 30 °С. Отношение растений к теплу рассматривают в двух аспектах: потребность растений в тепловой энергии и устойчивость к экстремальным воздействиям низких и высоких температур.
По способности переносить понижения температуры древесные породы подразделяют на пять групп:
1. Очень морозостойкие (до-35... -50°). Деревья: береза пушистая, ели обыкновенная и сибирская, лиственницы даурская и сибирская, кедр сибирский, осина, тополь бальзамический, можжевельник обыкновенный; Кустарники: боярышник багряный, бузина красная, дерен сибирский, акация желтая, кедровый стланник, лох серебристый, сосна горная.
2. Морозостойкие (до-25...-35°). Деревья: ели канадская и Энгельмана, колючая и тянь-шанская, ива белая, ильм (вяз), дуб черешчатый, клены остролистный, липа мелколистная, метасеквойя, орехи маньчжурский и серый, рябина обыкновенная, сосна Веймутова, черемуха обыкновенная, ясень обыкновенный; Кустарники: боярышник обыкновенный, жимолость татарская, ирга, калина обыкновенная, роза морщинистая, сирень обыкновенная, туи западная и восточная.
3. Умеренноморозостойкие (до-15...-25°С). Деревья: акация белая или робиния, гледичия, бук, граб, лжетсуга тисолистная, катальпа великолепная, каштан конский, клен полевой, липы серебристая, крупнолистная и крымская, софора японская, тис ягодный, кедр (при непродолжительных холодах), кипарис аризонский, фисташка, шелковица белая и черная, платан кленолистный, гингко, фанат, розмарин; Кустарники: самшит, лавровишня, бирючина обыкновенная, айва японская, дейция, калина, лох узколистный, скумпия золотистая, спирея, чубушник или жасмин, шиповник.
4. Неморозостойкие (до-10...-15°С). Деревья: ива вавилонская, кипарис обыкновенный, кедр (при длительных холодах), павловния, эвкалипт, сосны приморская и гималайская, итальянская или пиния, секвойя вечнозеленая, чинара или платан восточный. Кустарники: гортензия крупнолистная, глициния, юкка, хебе.
5. Наименее морозостойкие (не ниже -10°С) субтропические древесные породы - пальмы, вечнозеленые лиственные и некоторые хвойные. Морозостойкость древесных растений зависит от наличия у них защитных покровов, способности переносить обезвоживание плазмы клеток, от интенсивности накопления защитных веществ, степени концентрации клеточного сока, также от возраста и условий местопроизрастания (режима увлажнения и плодородия почвы).
В настоящее время принято районирование суши по зимним температурам, разработанное W. Heinze и D. Schreiber. Самые суровые условия в 1-й зоне (-45 °С и ниже); 2-я зона -40...-45 °С, 3 - -34...-40°С, 4 - -28...-34 °С, 5 - -23...-28 °С, 6 - -17...-23 °С и т.д. По этой схеме Москва относится к пятой зоне, Подмосковье - к четвертой.
Древесные растения, эволюционно приспособившиеся к произрастанию в условиях постоянного чередования тёплых и холодных сезонов, выработали в себе потребность в воздействии определённых доз пониженной температуры, необходимой для выведения почек из состояния органического покоя, для обеспечения нормального хода процессов микро-и макроспорогенеза, а многие виды - также для прорастания семян.
Древесные растения различных экологических групп по-разному реагируют на экстремально высокую или низкую температуру.
Устойчивость растений к очень высокой температуре воздуха и почвы - жаростойкость (жароустойчивость). Устойчивость растений к пониженным температурам - холодостойкость, к отрицательным -морозостойкость.
При оценке устойчивости древесных растений к низкой температуре при их осенне-зимнем покое пользуются показателями зимостойкости -способности растений к длительному перенесению низких температур, а также к зимнему режиму конкретного места (длительность зимы, сочетание температуры с длиной светового дня, количество снега и температура и влажность почвы под снегом, вероятность зимних оттепелей). Зимостойкость коррелирует с морозоустойчивостью. При интродукции древесных растений наблюдаются случаи, когда морозостойкие растения оказываются малозимостойкими (пихта сибирская при разведении в Западной Европе).
Способность растений переносить поздневесенние, ночные летние и раннеосенние заморозки без повреждений - заморозкоустойчивость.
Способы приспособлений растений к экстремальным температурам: к жаре - глянцевое покрытие листовой пластинки, а также толстая кутикула, восковой налет; ориентация листьев торцом к солнцу, светлая окраска стволов и пр.
к морозу - заблаговременное прекращение роста и вызревание (одревеснение) побегов, листопад, защитные покрытия на вечнозеленых листьях (хвое), перевод крахмала в сахара клеточного сока.
Тепловой режим крупных городов существенно отличается от естественного. Температуры здесь достоверно выше за счет так называемого «теплового загрязнения». Дополнительные источники тепла в городе - промышленность, транспорт, здания и асфальтовое покрытие, подземные сооружения и коммуникации. Нескольких градусов превышения достаточно, с одной стороны, чтобы в городе существенно вырос безморозный период (нивелируются поздневесенние и раннеосенние заморозки, типичные для средней полосы). С другой стороны, зимы в городах часто «гнилые», с оттепелями, что для большинства аборигенных растений является стрессовым фактором, ослабляющим иммунитет.
Роль воды в жизни растений
Вода - это необходимый компонент внутренней среды любого живого организма (в активном состоянии), так как все физиологические процессы в клетках протекают только в жидкости или в геле. Без воды невозможна выделительная функция, а значит, организм погибнет от самоотравления. Испарение воды (транспирация листьями) обеспечивает восходящий ток в растениях, а также предотвращает их перегрев.
Естественный источник воды - атмосферные осадки и грунтовые воды.

Принципиальное значение имеет соотношение осадков и испаряемости. На поверхности суши Земли выделяют: аридные (пододефицитные) области - где испаряемость превышает годовую сумму осадков; гумидные (водоизбыточные) - где сумма осадков превышает испарение; семиаридные - с нейтральным балансом.
Экологические группы древесных растений по отношению к содержанию воды в атмосфере и почве:
► гигрофиты - растения влажных местообитаний. Ольха чёрная и бородатая, многие виды ив и тополей.
► ксерофиты - растения, способные произрастать в условиях постоянного или сезонного дефицита влаги. Саксаул, тамарикс, джузгун, эфедра, дрок безлистный.
► мезофиты - растения среднеувлажнённых местообитаний (подавляющее большинство древесных растений).
Листья требовательных к влажности растений имеют много устьиц, они, как правило, довольно крупные и мягкие. Для растений засушливых мест характерны противоположные признаки - листья мелкие и жесткие с различными защитными покрытиями, при длительной засухе сбрасываются; хлорофилл может содержаться в эпидермисе других органов (чаще это побеги); возможны метаморфозы органов растения для хранения запасенной влаги.

В городских условиях гидрологический режим отличается от естественного. Большая часть поверхностного стока оторвана от грунтовых вод. Крупные подземные сооружения и коммуникации нарушают водоносные горизонты и приводят к подтоплению вышележащих участков либо, напротив, к изоляции от грунтовых вод расположенных над ними посадок.
Количество осадков в городах, как правило, выше вследствие загрязнения воздуха, частицы пыли служат дополнительными ядрами конденсации атмосферной влаги. Дожди и снег существенно очищают воздух, но, абсорбируя вредные газы, загрязняют ими почву, поверхностные воды и водоемы.
Воздух. Ветровой режим в городе
Воздух как экологический фактор рассматривают с точки зрения газового состава и перемещения воздушных масс.
В жизни растений основную роль играют углекислый газ в фотосинтезе и кислород в дыхании. Воздух городов характеризуется сильной степенью задымлённости и загазованности. Воздействие загрязнения атмосферного воздуха на растения проявляется в изменениях морфологической структуры, макроскопических особенностей древесины, протекания физиологических процессов, характера прохождения фенофаз.
Загазованность атмосферы лучше переносят засухоустойчивые растения, так как различные приспособления, снижающие транспирацию
(защитные покрытия побегов и листьев, физиологические механизмы) одновременно ограничивают газообмен с окружающим воздухом: ель колючая, туя западная, лиственницы, клён татарский, сирень венгерская, из лесных пород - виды липы, вяза, тополя (при условии достаточного увлажнения почвы).
Негазостойкие - виды пихты, ель европейская, сибирская, сосна обыкновенная, веймутова, берёза повислая, ясень обыкновенный.
Интенсивное движение воздуха оказывает влияние на физиологические процессы древесных растений, вызывает деформации растений, а также усиливает транспирацию (древесные породы лесной зоны при выращивании в городских условиях чувствительны к сквознякам). Ветер вызывает бурелом и ветровал.
Древесные растения делят на:
► ветроустойчивые - с мощной стержневой корневой системой (граб обыкновенный, дуб черешчатый, дуб каменный, каштан съедобный, ильмовые, клён остролистный, клен полевой, тополь белый, тополь чёрный, лавр благородный, магнолия крупноцветковая, кедры, лиственница сибирская, сосна обыкновенная, тисе ягодный),
► ветровальные - с поверхностной корневой системой (ель),
► ветроломные (буреломные) - со слабым стволом (клен ясенелистный, пихта, осина).
Положительная роль ветра - осуществление перекрёстного опыления у анемофильных растений и распространение зрелых плодов и семян. В городских условиях ветер способствует газообмену и снижению концентрации вредных примесей в воздухе.