Экологические факторы в жизни растений

Экологические факторы – это все элементы естественной среды, которые влияют на существование и развитие организмов, и на какие живые существа реагируют реакциями приспособления (за пределами способности приспособления настает смерть). Любой фактор внешней среды, который оказывает прямое или опосредованное влияние на организм, принято называть экологическим.

Нередко среди экологических факторов выделяют витальные (от лат. vita – жизнь) и сигнальные. Витальные факторы отражают потоки веществ и энергии, жизненно необходимых организму; их иначе называют экологическими ресурсами. Сигнальные факторы информируют организм о тех изменениях в среде обитания, которые существенно влияют на его жизнедеятельность.

Солнечная радиация оказывает на растение многообразное влияние. Ее действие может быть витальным (энергетическим) и сигнальным (регуляторным). С одной стороны, световую и тепловую энергию Солнца растение в процессе фотосинтеза преобразует в свободную энергию органических соединений. С другой, суточные и сезонные изменения в количестве и структуре солнечной радиации – это сигналы, которые регулируют всю жизнедеятельность растения (его рост и развитие, переход к цветению или в состояние покоя).

Таким образом, годовое поступление энергии Солнца в виде фотосинтетически активной радиации (ФАР), т. е. в виде света (от фиолетового до красного) составляет в масштабах Земли около 151023 Дж. Автотрофные организмы (растения и фотобактерии) производят за год примерно 21011 т биомассы, что эквивалентно 31021 Дж, следовательно, коэффициент полезного действия всех фотосинтетиковнашей планеты (КПДФАР) составляет всего лишь 0,2 %.

Посевы культурных растений характеризуются более высокими значениями КПД ФАР, особенно в период максимального развития фотосинтетического аппарата. В эти периоды КПД ФАР может достигать 6–8 %. Однако, у большинства наших культурных растений период высокой эффективности фотосинтеза непродолжителен. Средняя в мире урожайность пшеницы составляет 2 т/га, а кукурузы – 3,5 т/га, что соответствует КПД ФАР 0,2 и 0,4 % соответственно.

Значения КПД ФАР – это основой показатель продуктивности и урожайности культурных растений. Роль света как экологического фактора в экосистемах определяет показатель жизнедеятельности растений, как чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ). Обычно ее измеряют в граммах сухой массы на 1 м2 площади посева в сутки. В зависимости от вида растений и экологической ситуации ЧПФ варьирует в широких пределах от 7 до 20 г/м2/в сутки. От света зависят процессы роста и развития растений, которые определяют его форму и структуру. Эти зависимые от света явления получили название фотоморфогенеза. Наибольшим регуляторным влиянием обладают красные и сине-фиолетовые лучи света. Когда Солнце находится в зените, в потоке преобладают сине-фиолетовые лучи, а когда низко над горизонтом – красные лучи.

Для характеристики листовой поверхности растений используют специальный показатель – индекс листовой поверхности (ИЛП) – отношение общей площади всех листьев растения к площади почвы, занятой этим растением. Например, поверхность листьев зерновых культур на 1 га (10 тыс.м2) составляетвфазецветения20–40тыс.м2, у низкорослых (карликовых) яблонь 25 – 30 тыс. м2/га. Следовательно, ИЛП у зерновых 2–4, а у яблони 2,5–3.

В основе жизнедеятельности растений лежат многообразные биохимические процессы, для которых необходима не только световая, но и тепловая энергия. В летний полдень приход солнечной радиации на 1 м2 составляет около 30105 Дж/ч. Около половины этой энергии приходится на инфракрасную (тепловую) радиацию. Листья растений поглощают около 25 % тепловых лучей, отражают 45 % и пропускают 30 %. Значительная часть поглощенной растением энергии расходуется на испарение воды (транспирацию) до 98 %, а также рассеивается в окружающей атмосфере. Так складывается тепловой баланс растения в поле.

Рост растений возможен в сравнительно широком диапазоне температур и определяется географическим происхождением и сортовыми особенностями растений. Для роста большинства культурных растений России нижняя температурная граница соответствует температуре замерзания клеточного сока (около –1…–3 0С), а верхняя – температуре коагуляции белков цитоплазмы (около +60 0С) (таблица 2). Для появления всходов требуется более высокая температура, чем для прорастания семян.

В результате анализа роста растений ученые выделяют три температурные точки: минимальную (рост только начинается), оптимальную (она наиболее благоприятна для роста) и максимальную температуру (выше нее рост прекращается).

Для количественного выражения связи между климатическими факторами и жизнедеятельностью организмов ученые используют биоклиматические показатели. Эти показатели позволяют оценить возможность существования биологического вида в условиях конкретной экосистемы. Один из таких показателей – это сумма активных температур (САТ), которая отражает количество тепла в этой экосистеме.

Для вычисления САТ суммируют средние суточные температуры выше 10 0С в течение вегетационного периода. Таким образом, САТ служит показателем обеспеченности растений теплом в период их активной вегетации (таблица 3). Поскольку сумма активных температур выражает связь между растением и средой обитания, она имеет большое экологическое значение.

Как следует из таблицы 3, в Мурманской области и на Камчатке тепловых ресурсов для выращивания культурных растений недостаточно. В этих и других регионах с суровым климатом растениеводство развивается только в закрытом грунте в теплицах и оранжереях, при искусственном обогреве. Солнечная радиация служит не только энергетическим ресурсом, но и оказывает на растения сильное регуляторное (сигнальное) влияние. Например, свет определяет такие явления, как фотопериодизм, фототропизмы, фотоморфогенез, а температура – термопериодизм.

Температура. На жизнь растения оказывает влияние как суточная, так и сезонная динамика температуры. Чередование высоких и низких температур служит регулятором внутренних часов растений и оказывает существенное влияние на их рост и развитие. Например, относительно низкие ночные температуры в конце лета повышают урожай клубней картофеля, сахаристость корнеплодов сахарной свеклы, усиливают рост боковых корней томата. Это явление получило название термопериодизма.

Углекислый газ (СО2) как экологический фактор. В процессе фотосинтеза в растении происходит химическое связывание(ассимиляция) СО2, в результате чего углерод из неорганического соединения переходит в органические соединения. Этот процесс, является преобразованием энергии света в свободную энергию органических соединений и центральным событием в жизни растения.

Минеральное питание растений. По современным представлениям, растения питаются почти исключительно неорганическими (минеральными) соединениями. Поэтому важнейшим экологическим ресурсом в жизни растений служат элементы минерального питания. Основной источник углеродного питания растений – это углекислый газ(CO2), поглощаемый листьями из воздуха (вместе с кислородом – O2). А вот все другие элементы минерального питания растение извлекает с помощью корневой системы из почвы. Поэтому у растений выделяют два способа питания – воздушное и почвенное (корневое).

Условия корневого питания культурных растений в первую очередь определяются круговоротом (биогеохимическим циклом) питательных элементов в агроэкосистеме. Одним из важнейших экологических ресурсов биосферы является комплекс химических элементов, необходимых для минерального питания растений. Нормальная жизнедеятельность растений возможна лишь при условии постоянного поглощения ими из внешней среды этих химических элементов. За это они получили название биогенных, или органогенных, химических элементов.

Эти макро и микроэлементы необходимы всем высшим растениям. Для нормального роста и развития некоторым растениям необходимы также Co, Na, Si, Cl. Например, кобальт востребован бобовыми растениями для симбиотической фиксации азота. Натрий поглощается вотносительно больших количествах свеклой и необходим растениям, приспособленным к засоленным почвам. Кремний в больших количествах встречается в соломине злаков и необходим, в частности, при возделывании риса.

Ассимилировать газообразный азот способны лишь некоторые бактерии, обитающие в почве и водоемах. Именно благодаря этим микроорганизмам, получившим название азотфиксаторов, природные экосистемы обогащаются соединениями азота, доступными для растений – солями аммония, нитритами и нитратами. Эти азотсодержащие соединения в виде растворов поглощаются корнями растений.

Все минеральные соединения азота хорошо растворимы в воде. Поэтому в почве эти соединения не закрепляются, а выносятся с почвенным раствором в нижние почвенные горизонты, попадают в грунтовые воды и водоемы. Вот почему эффективность использования азотных удобрений нередко оказывается низкой, а вот концентрация нитратов в водоемах, напротив, чрезмерно высокой.

Последнее обстоятельство может привести к бурному размножению водорослей и создать угрозу для других обитателей водных экосистем. Фосфор. В растениях фосфор содержится как в минеральных, так и в органических соединениях. Минеральные соединения фосфора представлены солями фосфорной кислоты и используются в процессах фосфорилирования. Фосфор входит в состав органических соединений, играющих жизненно важную роль в обмене веществ: нуклеиновых кислот, сложных белков и липидов, АТФ и других. В питании растений фосфорная кислота органических соединений принимает участие только после их минерализации, которую обеспечивают микроорганизмы почвы – грибы и бактерии.

Минеральные соединения фосфора представлены фосфатами материнских почвообразующих пород, преимущественно апатитами – 3Ca3(PO4)2 х Ca(FCl). В процессе выветривания горных пород возникают растворимые в воде соли фосфорной кислоты. Фосфаты кальция и магния (двухзамещеные и трехзамещенные) в слабокислой среде постепенно растворяются и становятся доступными для растений. В нейтральной и слабощелочной почве эти соли фосфорной кислоты для растений практически не доступны. Еще менее доступны для растений фосфорные соли железа и алюминия.

Калий. Калий играет важную роль в процессах транспорта углеводов, он увеличивает гидрофильность (оводненность) растительных клеток и оказывает сильное влияние на осмотическое давление клеточного сока. Способность калия поддерживать тургор клеток объясняет его значение в повышении засухоустойчивости и зимостойкости растений. Калий повышает устойчивость растений и к паразитическим микроорганизмам (грибам и бактериям) – как в период роста растений, так и при хранении продукции (клубней, луковиц, корнеплодов).

Растения агроландшафа играют важнейшую роль в питании человека. На протяжении XX в. предпринимались многочисленные попытки заменить сельскохозяйственные источники пищи искусственными, синтетическими. Предпринимаются такие попытки и сегодня. Из общего количества видов растений Земли (около 500 тыс.) человек интенсивно использует лишь два десятка. Причем 85 % занятых ими площадей принадлежит злаковым и бобовым культурам (таблица 4).

Для каждой природной зоны Земли, в соответствии с экономическим укладом и многолетними традициями населения сложился определенный набор культурных растений. Поэтому совокупность сельскохозяйственных культур, технология их возделывания в сочетании с рельефом, климатом и почвенным покровом определяет весь облик агроландшафта.

В современном агроландшафте можно выделить 4 важнейших хозяйственно-биологических типа травянистых культурных растений, возделывание которых имеет свои особенности. Это пропашные однолетние, непропашные однолетние, многолетние злаковые и многолетние бобовые культуры. Как мы увидим далее, разные типы культур оказывают различное воздействие на агроэкосистемы, их динамику и стабильность.

Пропашными культурами в земледелии называют растения, выращивание которых сопряжено с периодической обработкой почвы между рядами посеянных растений (в междурядьях). Это, например, картофель, свекла, морковь, подсолнечник, капуста и др. Не пропашные однолетние культуры – это растения, которые с момента появления всходов и до уборки не рыхляти не окучивают. Это все зерновые злаки (пшеница, рожь, ячмень), зерновые бобовые (горох) и другие.

Наряду с однолетними зерновыми возделывают и однолетние кормовые культуры: злаковые (райграс однолетний, суданская трава) и бобовые (вика яровая и озимая, сераделла). Эти растения в основном используют в кормлении сельскохозяйственных животных. У однолетних растений различают биологические формы озимые и яровые. Озимые высевают в конце лета – в начале осени; они остаются зимовать в поле, а на следующий год их убирают. Яровые высевают весной, а урожай убирают в конце лета – осенью.

В агроландшафте травостой многолетних злаков может быть культурным (сеяные луга) или дикорастущим (природные луга). Эти угодья используют для получения зеленого корма для сельскохозяйственных животных или сена, а также для выпаса животных. Для создания культурных лугов используют: тимофеевку луговую, райграс многоукосный, ежу сборную, костер безостый, овсяницу луговую, пырей бескорневищный и др. Продолжительность жизни растительного покрова из злаковых трав может достигать 5–6, а иногда 10 лет. Урожай сена многолетних злаковых трав достигает 50–100 ц/га.

Среди многолетних бобовых растений наибольшие посевные площади занимают клевер и люцерна. Долговечность клеверного травостоя составляет 5–8 лет, а урожаи сена – 50–60 ц/га. Люцерна дает в течение 4–6 лет стабильные урожаи сена, достигающие 100 ц/га. Клевер и особенно люцерна очень питательны, богаты белками и витаминами, а их сено хорошо поедается животными. По этим показателям они превосходят злаковые травы, хотя и отличаются более высокими требованиями к почвенно-климатическим условиям.

В каждой природной зоне формируются свои типы лугов: в нашем крае распространены суходольные пастбища и сенокосы. На севере края, где выпадает сравнительно большое количество осадков, они по составу травянистой растительности приближаются к степным участкам лесостепной зоны. На юге им на смену приходят ковыльные и ковыльно-типчаковые степи с преобладанием злаков ксерофильного типа. Здесь встречаются ковыли, типчак, вейник, виды полыни, из бобовых люцерна желтая и астрагалы. Весной растительный покров таких степей кажется зеленым и ярким от большого количества цветущих и быстро отцветающих растений, многие из которых успевают обсемениться до наступления засушливых знойных дней. К концу лета растительность высыхает и степь кажется безжизненной. Эти угодья формируются на черноземах, нередко солонцеватых. Урожай зеленой массы 12–25 ц/га.

Степные реки во время весенних разливов в своих устьях иногда заливают огромные пространства, нередко десятки тысяч гектаров. Благодаря стоку воды в пониженные места к концу весны и началу лета большие площади от нее освобождаются и здесь появляется растительность, ценная в кормовом отношении. На влажных незасоленных лиманах растут пырей ползучий, костер безостый, лисохвост луговой, вейник, осоки. Урожай зеленой массы может достигать 30 ц/га и более. Луговые растения в течение всего вегетационного периода образуют зеленый покров почвы. Поэтому продолжительность их жизни (как на природных пастбищах и сенокосах, так и на сеяных лугах) служит важным показателем устойчивости агроэкосистемы луга.

Основу любой системы земледелия составляют севообороты. Севооборот – это научно обоснованное чередование сельскохозяйственных культур в агроландшафте. Причем речь идет как о чередовании культур во времени, так и в пространстве. Севообороты могут включать не только разнообразные культуры, но и поля, свободные в течение вегетационного периода от возделываемых растений. Такое свободное от растений поле называют паром, или паровым полем.

Под паром пахотный слой поддерживают в рыхлом состоянии, почва очищается от сорняков, накапливает элементы питания в результате минерализации органического вещества, а в засушливых районах она к тому же накапливает влагу. Таким образом, севооборот способствует пополнению и лучшему использованию питательных веществ почвы и удобрений, улучшению физических свойств почвы, ее защите от разрушения, а также ограничивает распространение вредных организмов (сорняков, возбудителей болезней и вредителей сельскохозяйственных культур). Правильный севооборот приводит к повышению плодородия почвы, неправильный – к ее истощению.