Фенологичекая реакция на изменения погоды

РЕФЕРАТ

Курсовая работа состоит из 32 страниц, включает в себя введение, три главы, заключение, список из 19 источников и 2 приложения.

Ключевые слова: ФЕНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ, ПОГОДА, КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА, ФЕНОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ.

Актуальность исследования. В современную эпоху в связи с широким распространением локальных и региональных экологических кризисов, планетарный масштаб приобрели антропогенные нарушения природной среды. Изменения химического состава атмосферы, разрушение растительного покрова и преображение естественного гидрологического режима суши обусловили постепенное глобальное потепление климата. В связи с этим актуальной становится тема фенологической реакции растительных организмов на изменения погодных условий.

Цель исследования – изучение фенологической реакции растений на изменение погоды.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:

1. Обзор литературы по теме исследования, изучение основных понятий;

2. Подбор методов и материалов для проведения исследования;

3.  Изучение влияния аномальной погоды на фенологию растительного покрова.

Методы исследования: анализ и синтез, фенологические наблюдения, метеорологические исследования, статистические методы, моделирование.

Практическое значение. Материалы исследования могут являются основой для фитофенологического мониторинга территории. На основе данных по изучению фенологических реакций растений на изменения погоды возможно построение прогностических моделей, предсказывающих изменения сезонного развития лесных растений при дальнейшем изменении климата. Результаты исследования могут быть использованы в курсах лекций по экологии и при разработке природоохранных мероприятий.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ....................6

1.1 Зимний покой растений................................................................................6

1.2 Температура воздуха.....................................................................................7

1.3 Температура почвы.....................................................................................10

1.4 Суточные колебания температуры воздуха..............................................11

1.5 Влияние времени схода снега на сезонное развитие растений...............11

1.6 Влагообеспеченность..................................................................................12

1.7 Влияние направленного изменения климата на фенологию растений..13

1.8 Фенологическая реакция растений на изменения погоды.......................14

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................16

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................31

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

В современную эпоху в связи с широким распространением локальных и региональных экологических кризисов, планетарный масштаб приобрели антропогенные нарушения природной среды. Изменения химического состава атмосферы, разрушение растительного покрова и преображение естественного гидрологического режима суши обусловили постепенное глобальное потепление климата. Опубликованные в последние годы результаты многолетних фенологических наблюдений свидетельствуют о существенном изменении сезонного развития растений в Европе и Северной Америки в результате потепления климата. Эти изменения проявляются, главным образом, в смещении весенних фенофаз на все более ранние сроки (отрицательные тренды времени раскрывания почек и зацветания) и в увеличении продолжительности вегетации (положительные тренды) за счет более позднего наступления зимнего покоя. Основанный на этих результатах прогноз предполагает, что дальнейшее повышение температуры воздуха обусловит, прежде всего, значительные отрицательные сдвиги весенних фенофаз растений бореальной зоны Северного полушария.

Однако такая оценка не учитывает множественный характер контроля сезонного развития растений, экологические и ритмологические различия видов и, оперируя средними значениями, как правило, допускает однотипность фенологических реакций на потепление климата. Между тем многочисленные исследования фенологической изменчивости растений свидетельствуют о том, что не все виды реагируют на более раннее наступление весны и более поздний приход холодов одинаково. Сезонное развитие растений изменяется не только в зависимости от температуры воздуха и количества осадков, но и от многих других факторов, включая температуру, влажность и химический состав почвы. При этом в зависимости от соотношения индуцированного и автономного контроля развития возможны 3 основных сценария «поведения» вида в условиях дальнейшего потепления климата: 1) вымирание, 2) миграция или сокращение (расширение) ареала и 3) формирование нового феноритмотипа (адаптация) на основе модификационных или генетических изменений.

В связи с этим изучение фенологической изменчивости растений является не только основой для прогностической оценки изменения биологического разнообразия при дальнейшем потеплении климата, но и позволяет выделить виды, наиболее чутко реагирующие на изменение климатических параметров – потенциальные индикаторы естественного или антропогенного изменения климата.

Цель исследования – изучение фенологической реакции растений на изменение погоды.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:

1. Обзор литературы по теме исследования, изучение основных понятий;

2. Подбор методов и материалов для проведения исследования;

3.  Изучение влияния аномальной погоды на фенологию растительного покрова.

Методы исследования: анализ и синтез, фенологические наблюдения, метеорологические исследования, статистические методы, моделирование.

Практическое значение. Материалы исследования могут являться основой для фитофенологического мониторинга территории. На основе данных по изучению фенологических реакций растений на изменения погоды возможно построение прогностических моделей, предсказывающих изменения сезонного развития лесных растений при дальнейшем изменении климата. Результаты исследования могут быть использованы в курсах лекций по экологии и при разработке природоохранных мероприятий.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одно из самых ярких проявлений жизни растений в сезонном климате – это последовательная смена фенологического состояния, отражающего интенсивность ростовых процессов в связи закономерными изменениями окружающей среды. В течение года, начиная с раскрывания почек весной, растение проходит следующие основные этапы развития: начало вегетации, цветение, плодоношение, окончание вегетации и покой.

Закономерная смена покоя и роста обусловлена эндогенной ритмикой, благодаря которой жизнь растений синхронизирована с ежегодно повторяющимися изменениями окружающей среды. При этом кардинальные этапы сезонного развития растений – покой, раскрывание почек и зацветание, детерминированы тремя взаимосвязанными программами: фотопериодическим, термопериодическим и возрастным контролем. В результате осуществляется подгонка сезонного развития под однонаправленные (например, потепление) или случайные изменения погоды. Такая фенологическая пластичность позволяет рассматривать растения как фитоиндикаторы изменения климата. К основным факторам, обуславливающим отклонения от средних дат начала фенофаз, обычно относят температуру воздуха и почвы, сход снегового покрова и количество осадков.

1.1 Зимний покой растений

Начало весеннего роста растений связано с их выходом из зимнего покоя. Покой, как физиологическое состояние, при котором отсутствует видимый рост особи, представляет собой приспособление для переживания неблагоприятных условий, обусловленных в умеренных и холодных широтах сезонным понижением температуры воздуха. У многих растений это необходимый этап сезонного развития, в течение которого происходит формирование почек возобновления. В связи с этим различают два основных типа покоя особи: глубокий покой, обусловленный внутренними причинами (эндогенный или органический покой), и вынужденный покой, обусловленный факторами внешней среды. В течение эндогенного покоя различают три фазы (глубокий, средний и вынужденный покой), каждая из которых характеризуется определенными физиологическими состояниями тканей растения. Например, в фазу глубокого эндогенного покоя растения наиболее устойчивы к отрицательным температурам в зимний период года.

Продолжительность покоя у разных органов или частей растения может быть не одинаковой. Например, у генеративных и вегетативных почек Corylus avellana и Betula alba, у зимующих и покоящихся почек Betula alba и В. рendula или у корней и почек возобновления эфемероидов.

Хорошо известно, что у видов с эндогенным покоем его продолжительность изменяется в зависимости от условий произрастания. Например, у таких плодовых деревьев, как вишня или яблоня, продолжительность глубокого покоя больше на юге, чем на севере. Кроме того, даже в пределах одной географической зоны местные экологические условия могут оказывать заметные воздействия на продолжительность эндогенного покоя. Такая экологическая изменчивость может быть связана с генетическим полиморфизмом вида или с частичной заменой продолжительности периода отрицательных температур длинным фотопериодом.

1.2 Температура воздуха

Изменения температуры воздуха рассматривается как один из важных факторов сезонного развития растений. Причем, прежде всего это относиться к «весенним» фенофазам. Например, Н.Е. Булыгин [2, c. 43], проведя статистическую оценку влияние различных факторов среды на погодичную изменчивость зацветания яблонь показал, что в основном она обусловлена изменением температуры воздуха в период от заложения генеративных почек до их распускания. В самых общих чертах влияние температуры воздуха проявляется в следующем: повышение температуры (в пределах нормы) обуславливает ускорение роста и сокращение фенологических интервалов, а понижение (в пределах нормы), напротив, — замедляет развитие и увеличивает фенологические интервалы. При этом чувствительность растения к температуре изменяется в течение его сезонного развития. Так холодостойкость хлебных злаков бореальной зоны после прорастания постепенно понижается: от 0 °С (проросток) и +2°С в фазу первых листьев до +6°С (выход в трубку) и +8°С в фазу колошения.

Для начала вегетации различным видам растений требуются различные «пороги» температур. К пороговым относят следующие значения температуры воздуха: 0 °С, +3°С и +5°С. В условиях холодного и умеренного климата для начала вегетации растений оказывается достаточным устойчивый переход среднесуточных температур воздуха к положительным значениям. Такой переход обычно совпадает со сходом снега.

Применение в фенологии метода температурных порогов имеет ряд недостатков. Во-первых, для определения точного значения порога требуется многолетний непрерывный ряд наблюдений. При этом уровень температуры, при которой может начаться вегетация какого-либо вида, изменяется от года к году в зависимости от других условий, таких как, например продолжительность и характер зимы или эндогенный покой растения. Многие растения способны приступить к вегетации при кратковременных оттепелях, эпизодических переходах температуры через 0 градусов или даже при слабых отрицательных температурах. Так, Picea abies обладает способностью фотосинтезировать в зимний период при температуре не ниже —3 градусов. По данным Т.К. Горышиной [4, c. 29] у Carex pilosa и Asarum europaeum фотосинтез, а, следовательно, и вегетация, может начаться до схода снегового покрова. Вероятно, многие растения с зимующими листьями и вынужденным покоем могут фотосинтезировать в зимний период года. Например, Galeobdolon luteum, у которого отсутствует глубокий зимний покой, способен к фотосинтезу в течение всей зимы, если слой снега тонкий и пропускает какое-то количество света.

Повышение температуры воздуха может спровоцировать начало вегетации и у летнезеленых растений. Так сокодвижение у Betula sp. может начаться даже при небольших отрицательных температурах воздуха до схода снега. У многих эфемероидов, таких как Scilla sibirica, Corydalis solida, Ficaria verna, Anemone ranunculoides и Gagea luteum почки могут раскрываться при небольших отрицательных температурах или тогда, когда почва еще промерзшая.

С раскрыванием почек до схода снега связано явление подснежного развития, которое интерпретируют либо как приспособление к короткому вегетационному периоду в северных широтах или в горах, либо как приспособление к недостатку освещенности летом в листопадных лесах. Впрочем, способность растений к вегетации при небольших отрицательных температурах проявляется не каждый год и в значительной степени зависит от характера зимы и условий предыдущего вегетационного сезона.

Другой подход определения начала вегетации растений представляет метод эффективных или накопленных положительных температур. Согласно ему для начала той или иной фенофазы растению требуется определенный, из года в год одинаковый запас «накопленного» тепла (определенное число теплых дней). Считается, что уровень эффективных температур - это видоспецифическая черта, которая отражает климатические условия формирования таксона.

Расчет эффективных температур наиболее оправдан для поздноцветущих растений или для видов, весеннее развитие которых в значительной степени связано с эндогенной ритмикой. Например, среди отечественных исследователей такой подход часто используется при изучении фенологии древесных растений, для которых в отличие от трав свойственна большая консервативность времени начала вегетации.

1.3 Температура почвы

Температура почвы, как и температура воздуха, является существенным фактором сезонного развития растений, особенно в весенний период. Например, в буковых лесах Центральной Европы у Carex digitata, Anemone ranunculoides, Asarum europaeum, Luzula pilosa и ряда других ранневесенних видов почки возобновления раскрываются весной после того как почва прогревается до +5°С и выше. По данным Т.К. Горышиной [4, c. 34] время зацветания Anemone ranunculoides, Scilla sibirica, Corydalis solida и Ficaria verna в различных местообитаниях широколиственных лесов тесно связано с температурой почвы. Многие авторы отмечают, что интенсивность прогревания почвы в весенний период является ограничивающим фактором для раскрывания почек при оптимальной температуре воздуха. По данным И.Н. Елагина [7, c. 67] при достаточной для активной вегетации температуре воздуха почки у березы, сосны и осины не раскрываются, пока почва не прогреется до +5-6°С. В горах Дальнего Востока низкие температуры почвы препятствуют началу роста побегов сосен, несмотря на то, что из-за прогревания воздуха у них уже началось сокодвижение и полностью набухли почки. Очевидно, что, благодаря такому взаимодействую температуры почвы и воздуха, неравномерность освещенности под пологом леса, хорошо выраженный микрорельеф или различия в механическом составе почвы будут обуславливать внутрипопуляционную изменчивость начала. Например, у брусники, злаков и осок почки раскрываются раньше на кочках, температура которых весной на 2°С выше, чем между кочками. Впрочем, влияние интенсивности прогревания почвы на начало и продолжительность фенофаз наиболее отчетливо выражено только в весенний период года и у тех видов, которые приступают к активной вегетации и цветению сразу или почти сразу после схода снега.