Взаимосвязь фенологии и биологии некоторых видов древесных растений средней полосы России

Представлены результаты фенологических наблюдений за сезонными изменениями пяти видов древесных растений. Показана связь сроков наступления фенологических фаз и морфо-биологических особенностей у Tiliacordata Mill., Padusracemosa L., Populusnigra L., Syringavulgaris L., Aesculushippocastanum L. Рассмотрена возможность использования результатов работы для проведения сезонных экскурсий и факультативных занятий в школьном ботаническом кружке.

Ключевые слова: фенологический сезон; фенологическая фаза; почки регулярного возобновления; сезонные экскурсии.

Abstract. The article presents the results of phenological observations of the seasonal changes of five species of woody plants. It demonstrates the connection between the timing of phenological phases and the morphological and biological features of Tiliacordata Mill., Padusracemosa L., Populusnigra L., Syringa vulgaris L., Aesculushippocastanum L. The paper analyses the possibility of using the results of the work in seasonal excursions and optional classes in the school botanical club.

Keywords: phenological season; phenological phase; regular resuming kidneys; seasonal excursions. 

Фенология – это система знаний о сезонных явлениях природы, о сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки [9, 12].

Древесные растения, произрастающие в условиях средней полосы России, обладают разными ритмами сезонной вегетации. Cроки наступления и продолжительность фенофаз древесных растений во многом определяются их биологическими особенностями, что может дать возможность прогнозировать и моделировать процесс протекания фенологических явлений.

На скорость сезонного развития древесных растений оказывают влияние климатические и погодные условия. Весенние явления у растений тесно связаны с ходом температур. Летние фенологические фазы в немалой степени зависят от экологических условий, тепла и влаги. Сроки наступления осенних явлений во многом определяются степенью освещенности растений, сокращением длины светового дня и понижением температуры [2, 10, 11].

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования нами были выбраны пять видов древесных растений – липа сердцевидная (TiliacordataMill.), черемуха обыкновенная (PadusracemosaL.), тополь черный (PopulusnigraL.), сирень обыкновенная (SyringavulgarisL.), каштан конский (AesculushippocastanumL.). Выбор обусловлен широким использованием растений в озеленении города Арзамаса (55º37´с.ш., 43º78´ в.д.) и в использовании этих видов в экологических исследованиях, например, каштан конский, липа мелколистная, тополь черный, произрастающие вдоль улиц городов, очищают воздух, загрязненный выхлопными газами автомобилей, от свинца [1, 5].

Было исследовано и представлено ранее [6, 11] морфологическое строение почек регулярного возобновления, емкость почек, ход фенологических фаз, строение стебля, особенности ветвления и нарастания побегов и другие морфо-биологические особенности пяти видов древесных растений, что позволяет сделать попытку установить связи между фенологией и биологией растений.

Фенологические наблюдения проводили за 10 экземплярами каждого вида растения, произрастающими в сходных экологических и природных условиях, с марта 2012 года по ноябрь 2014 года. Регистрировали визуально сроки наступления и окончания явлений по предложенным в литературе методикам [7, 9, 10, 11, 12]. В результате многолетних наблюдений были установлены средние сроки каждого явления [6, 11]. Визуально наблюдая наступление фенофаз у растений, исследовали иописывали их биологические особенности.

Результаты и их обсуждения

Умеренным климатическим поясам свойственна четырехсезонная структура годичного круга природы: весна, лето, осень, зима.

У листопадных древесных растений весной наблюдали следующие фенологические фазы: набухание почек, распускание почек, развертывание листьев, появление бутонов и цветение. Наступление весенних фенофаз растений определяет температурный фактор (табл.1). В ходе наблюдения за фенологическими изменениями выявили, что самые поздние сроки наступления весенних фенофаз были зарегистрированы в 2013 году, что напрямую связано с неблагоприятными погодными условиями, а именно с низкими температурами [13].

Таблица 1. Значения суточных температур в весенне-осенние сезоны 2012–2014 гг.

Восстановление ассимиляционной способности в весенний период связано с деятельностью почек регулярного возобновления древесной флоры. В результате проведенного исследовании выяснили, что чем теплолюбивее растения (каштан конский и сирень обыкновенная), тем больше значение емкости вегетативных почек возобновления (то есть общее число почечных чешуй и листовых зачатков одной почки) и больше число почечных чешуй (табл. 2) [11]. Прослеживается следующая закономерность, чем больше почечных чешуй имеют почки, тем раньше у них происходит распускание почек (табл. 2).

Таблица 2 .Зависимость сроков распускания от морфологических особенностей почек возобновления

В почке и во время распускания почек листья покрыты мелкими волосками (у липы и каштана) и клейким веществом (у тополя и каштана), предоставляющими защитное средство против чрезмерного испарения и высыхания. Молодые листья имеют складчатую поверхность. Во взрослом состоянии лист растет, расправляется, а волоски и смолистые выделения пропадают.

Весной одним из первых зацветает тополь черный (23 апреля), который относится к ветроопыляемым растениям. Распускание сережек тополя опережает появление листьев, препятствующих переносу пыльцы ветром. Насекомоопыляемые растения (черемуха, сирень, каштан, липа) цветут позже, с наступлением устойчивой теплой погоды. Эти виды древесных растений имеют достаточно крупные многоцветковые соцветия, зачатки которых содержатся в зимующих вегетативно-генеративных почках [11]. Черемуха обыкновенная цветет в среднем с 5 по 14 мая. Сроки начала, продолжительности и конца цветения сирени обыкновенной и каштана конского сходны (с 12 по 25 мая). Липа сердцевидная цветет значительно позднее всех видов, в среднем с 17 июня по 1 июля. Зимующие почки липы не содержат зачатков соцветий, они формируются позже, во время распускания почек и формирования побега. Поэтому липа является поздноцветущим (летнецветущим) древесным растением местной флоры.

Летом ассимиляционный аппарат всех исследованных видов растений внешне не изменяется. Летом происходит созревание и рассеивание плодов тополя черного и черемухи обыкновенной. У липы рассеивание плодов растянуто до февраля. Часть плодов липы остаются на растении до следующей весны.

Осенью происходит подготовка растений к зиме. Наблюдается осеннее расцвечивание листьев, листопад, созревание плодов некоторых древесных растений. Эти явления выработались у растений как биологическое приспособление при перенесении периодически наступающих неблагоприятных условий вегетации. Фиксирование особенностей наступления осенних явлений позволяет выяснить процессы, происходящие в древесных растениях и обеспечивающие зимостойкость изучаемых видов.

Сравнив полученные данные, выяснили, что раньше всех по трем наблюдаемым годам заканчивается листопад у липы (5 октября), черемухи (15 октября), затем у тополя (17 октября). Позже завершается листопад у каштана и сирени, теплолюбивых пород, растений-интродуцентов с меньшей адаптацией к зиме. В середине октябре 2014 года в связи с понижением температуры воздуха до -16º листопад сирени и каштана приостановился, поскольку морозы помешали появлению отделительного слоя, листья побурели, не успев опасть.

Осенью наблюдается созревание и рассеивание плодов сирени и каштана, а также рассеивание плодов липы [11].

На смену осени по календарю природы приходит фенологическая зима (6 декабря) [10, 12]. Зимний период жизни растений разных жизненных форм в сезонном климате характеризуется глубоким покоем, в течение которого у них надолго замирает активная фотосинтетическая деятельность. При изучении фенологических и биологических особенностей древесной флоры установили, что основной чертой исследованных древесных растений в зимний период является явно выраженный глубокий зимний покой.

Период глубокого покоя, начинающийся с момента полного опадения листьев и продолжающийся до начала набухания почек, относительно короткий у сирени и каштана (161-165 дней), и более продолжительный у остальных видов древесных растений (184-209 дней) (табл.3). Вероятно, это связано с тем, что сирень и каштан являются растениями короткого дня, и вегетация у них затягивается до конца октября – начала ноября.

Таблица 3.Средняя продолжительность глубокого периода покоя

Как видно из представленных данных, период глубокого покоя в 2013-2014 гг.короче, что зависит от раннего наступления фазы набухания почек, по-видимому, в связи с более высокими значениями температур в марте и апреле 2014 года.

Растения, составляющие флору нашей местности, отличаются друг от друга наступлением фенологических фаз, то есть обладают разными ритмами сезонной вегетации.

Результаты о сроках наступления и ходе фенологических фаз, о зависимости фенологических явлений и морфо-биологических особенностей древесных растений местной флоры, представленные ранее [6, 11] и в данной работе, можно рекомендовать в качестве материалов для проведения сезонных экскурсий со студентами, школьниками в 5-6 классах, а также для факультативных занятий, в ботаническом кружке.

 Одной из основных целей изучения биологии в школе является воспитание у учащихся ценностного отношения к живой природе [8]. Сезонные экскурсии является важным компонентом экологического образования, они позволяют сформировать у учащихся высокую экологическую культуру и ответственное отношение к природе и всему живому [5].

Теоретические и лабораторные занятия могут способствовать углублению и расширению знаний школьников и студентов о фенологических и биологических особенностях деревьев и кустарников, формированию познавательного интереса к миру растений.

В фенологических работах при наблюдениях за листопадными древесными растениями обычно фиксируют следующие явления:

а) набухание почек

б) распускание почек

в) развертывание листьев

г) появление бутонов

д) цветение

е) созревание плодов

ж) осеннее расцвечивание листьев 

з) листопад

Сезонные экскурсии по наблюдению фенологических явлений у древесных растений необходимо планировать с учетом места проведения и видового состава флоры. Весенние наблюдения за древесными и кустарниковыми растениями следует начинать с того дня, когда температура воздуха в дневные часы в тени приближается к +5 °С [4]. В этот период важно изучить процессы набухания и распускания почек возобновления, установить зависимость распускания почек от температуры воздуха. Данные можно рекомендовать заносить в дневники наблюдения с указанием значения температуры и рисунками (фотографиями) внешнего вида почек.

В летний период на летних экскурсиях можно рекомендовать наблюдения за созреванием и рассеиванием плодов многих растений, изучение их морфологических и биологических особенностей с фиксацией данных в дневниках наблюдения. Летом можно изучить лист древесных растений и составить его полное морфологическое описание с серией фотографий последовательных этапов онтогенеза листа с весны до конца лета.

Фиксирование особенностей и сроков наступления осенних явлений позволяет выяснить процессы, происходящие у древесных растений, которые обуславливают их зимостойкость. Можно организовать несколько осенних экскурсий для формирования полного представления о переходе активной вегетации к периоду глубокого покоя у деревьев. В этот период необходимо отметить изменение окраски листьев, пронаблюдать за листопадом древесных растений.

Время перед листопадом и в начале листопада прекрасно подходит для того, чтобы научиться узнавать деревья и кустарники в безлистном состоянии. Поэтому именно осенью следует начинать проводить экскурсии и занятия с целью запоминания отличительных признаков разных видов деревьев и кустарников в безлистном состоянии. Зимой знания о безлистных побегах разных видов древесных растений, их форме кроны можно закреплять в ходе новых экскурсий и различных конкурсов [3].

Основной чертой зимнего периода является наличие глубокого покоя, в течение которого надолго замирает активная фотосинтетическая деятельность растений. Зима является удобным временем года для изучения особенностей формы кроны, типа нарастания побега, особенностей строения коры, морфологии почек регулярного возобновления, определения емкости почек в онтогенезе растений, что дает возможность выяснить особенности строения древесных растений, обеспечивающие надежное сохранение побеговой системы растения в зимний период.

Литература:

1.        Артаманов В.И. Растения и чистота природной среды. – М.: Наука, 1986. – 172 с.

2.        Горышина Т.Н. Растения в городе. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1991. – 152 с.

3.        Каплан Б.М. Методические приемы для распознавания деревьев и кустарников в безлистном состоянии // Биология. – 2000. – № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://bio.1september.ru/index.php?year=2000&num=02(дата обращения: 04.11.2014).

4.        Миронова Ю.В. Методика организации фенологических наблюдений на пришкольном участке, в сквере или лесопарке для учеников 6–8-х классов // Биология. – 2005. – №9[Электронный ресурс]. URL: http://wwwhttp://bio.1september.ru/index.php?year=2005&num=09 (дата обращения: 04.11.2014).

5.        Недосеко О.И., Широкова Н.П. Фенологические наблюдения за деревьями и кустарниками местной флоры как составляющий элемент экологического образования студентов // Экология и жизнь: сборник статей VIIIМеждународной научно-практической Конференции. – Пенза. – 2005. – С.251.

6.        Рябова М.С., Широкова Н.П. Ветвление побегов и строение стебля некоторых видов древесных растений // Исследования в области естественных наук. – 2014. – № 3 (27). – С. 11-21.

7.        Учебно-полевая практика по ботанике: Учеб.пособие для биол. спец. вузов / М.М. Старостенкова, М.А. Гуленкова, Л.М. Шафранова, Н.И.Шорина. – М.: Высшая школа, 1990. – 191 с.

8.        Фундаментальное ядро содержания общего образования / Рос.акад. наук,Рос. акад. образования; под ред. В.В.Козлова, А.М.Кондакова. – 4-е изд., дораб. – М.: Просвещение, 2011. – 79 с.

9.        Шиголев А.А., Шиманюк А.П. Изучение сезонных явлений. – М.: Учпедгиз, 1962. – 245 с.

10.    Широкова Н.П. Организация и проведение фенологических наблюдений за деревьями и кустарниками местной флоры. – Арзамас: АГПИ, 1992. – 42 с.

11.    Широкова Н.П., Рябова М.С. Сезонные изменения некоторых видов древесных растений в условиях умеренного климата средней полосы России // Проблемы современной науки: сборник научных трудов: выпуск 12. – Ставрополь: Логос, 2014. – С. 19-32.

12.    Шульц Г.Э. Общая фенология. – Л.: Наука, 1981. – 188с.

13.    http://rp5.ru/Архив_погоды_в_Арзамасе