Сезонная изменчивость фитоценозов

Суточная изменчивость фитоценозов

Изменчивость фитоценозов во времени

Фитоценозы способны в определенных пределах изменяться, не переходя при этом в другие фитоценозы. Они изменяются в пределах суток, года, от года к году, а также при увеличении возраста особей видов-эдификаторов. Кроме этого, на изменчивость фитоценоза зачастую влияют ритмы развития отдельных видов (периодичность цветения, плодоношения и др.). В соответствии с этим различают суточную, сезонную, разногодичную и возрастную изменчивость фитоценозов. Помимо этого, можно выделять изменчивость, связанную с мелкими нарушениями.

Суточные ритмы слабо воздействуют на большинство растительных сообществ. Так, у некоторых растений (латук, клевера и др.) в течение суток способен изменяться угол наклона листьев; у туранговых тополей, растущих в поймах среднеазиатских рек, листовые пластинки во время солнцепека повернуты к солнечным лучам ребром, а утром и вечером – широкой стороной.

Суточная изменчивость, к примеру, сильно влияет на характеристики сообществ пресноводного планктона: днем многие планктонные водоросли располагаются на глубине в толще воды, а при снижении освещенности утром и вечером поднимаются к приповерхностному слою.

Значительно большее значение по сравнению с суточной изменчивостью для растительных сообществ имеет сезонная, разногодичная и возрастная изменчивость фитоценозов.

Фитоценозы существуют в разных климатических условиях и отличаются друг от друга по составу. Это приводит к тому, что каждый фитоценоз характеризуется свойственной ему сезонной изменчивостью. Этот тип изменчивости фитоценозов связан с изменением в течение года условий произрастания растений и с присутствием в составе фитоценозов видов растений, различающихся по ритму сезонной вегетации. Факторы сезонной изменчивости регулярно из года в год влияют на растительное сообщество. Следствием подобной регулярности является то, что с высокой долей уверенности характер и направление изменений фитоценоза можно предсказать заранее.

Изменение условий произрастания в течение года может быть обусловлено:

· особенностями самого климата;

· особенностями фитоклимата;

· особенностями гидрологического режима;

· воздействием человека и животных.

С особенностями климата связаны сезонные изменения светового и теплового режимов, а также обеспеченности растений водой. За исключением области распространения дождевых тропических лесов, где в течение года не происходит значительных колебаний в условиях произрастания растений, на большей части земного шара климат характеризуется сезонностью – то есть существенными изменениями длительности фотопериода, интенсивности света, поступления атмосферных осадков, а также температуры в течение года. При этом для растительности этой части земного шара характерна смена в течение года по крайней мере двух сезонов: вегетационного (периода активной вегетации растений) и периода покоя (или полупокоя) если не всех, то, по крайней мере, большинства компонентов фитоценозов. Следует учитывать, что наступление периода покоя может быть связано с двумя диаметрально противоположными причинами: либо периода низких температур (зима), либо, наоборот, периода высоких температур и связанного с этим дефицита влаги.

В некоторых типах сообществ в течение года может быть два периода покоя и, соответственно, два периода активного роста растений. Так, например, в степях имеется период зимнего покоя, связанный с низкими температурами. Затем весной и ранним летом большинство растений активно вегетирует и цветет. Летом из-за высоких температур и дефицита влаги наступает период летнего полупокоя, когда степь "выгорает". И, наконец, осенью, когда начинается дождливый сезон, растения опять начинают активно вегетировать.

Особенности гидрологического режима имеют значение для определения сезонной изменчивости фитоценозов, расположенных в пониженных элементах рельефа – низинах, поймах рек – которые в течение определенного достаточно длительного времени заливаются паводковыми или натечными водами. В этих местообитаниях на сезонную изменчивость фитоценозов накладывается колебание гидрологического режима. При этом могут изменяться время начала затопления, его длительность, быстрота схода воды с поверхности почвы и другие факторы.

Так, в связи с затоплением, в поймах можно различать период подводной вегетации растений и период после схода талых вод. Там же, где растения начинают вегетировать до наступления паводка, и в то же время период подводной вегетации достаточно длителен, можно выделить целых три сезонных состояния фитоценозов: до затопления, период подводной вегетации и послеспадовый период. В таких условиях фитоценозы могут быть представлены видами, которые начинают и заканчивают свою вегетацию в разное время:

· начинают и заканчивают вегетацию до затопления;

· начинают вегетацию до затопления, прекращают его во время пребывания под водой и продолжают свой рост после схода воды;

· вегетируют как до затопления так и во время половодья, образуя подводные побеги, а также после схода воды;

· начинают свою вегетацию только в послепаводковый период.

Изменение фитоклимата в течение сезона наиболее сильно проявляется в листопадных лесах, где условия произрастания растений, образующих нижние ярусы, меняются в течение вегетационного периода. Так, в широколиственных лесах сезонное изменение фитоклимата приводит к формированию ранней весной синузии весенних эфемероидов (хохлатки, ветреницы, гусиные луки, чистяк, пролеска и др.). Эта синузия существует недолго – до развертывания листьев деревьев, а потом в травяном ярусе начинают доминировать травы, вегетирующие в летнее время.

Весенние эфемероиды обладают целым комплексом приспособительных черт: холодостойкостью, высокой фотосинтетической активностью и способностью поглощать воду и элементы минерального питания при более низкой температуре почвы по сравнению с другими совместно обитающими с ними растениями. Результатом подобной приспособленности является их более сильная конкурентоспособность за питательные вещества по сравнению с другими растениями. Кроме того, поглощая элементы минерального питания ранней весной, эфемеры и эфемероиды предотвращают возможность их вымывания в более глубокие горизонты почвы в тот период, когда корневые системы других видов растений малоактивны.

Человек, как фактор, воздействующий на сезонную изменчивость фитоценозов, наиболее резко влияет на травяные сообщества, используемые в качестве сенокосов или пастбищ. Так, в результате использования фитоценозов в качестве сенокосов происходит отчуждение основной массы наземных органов растений, не успевших к периоду скашивания полностью завершить вегетацию. Это приводит к резким изменениям структуры травостоев и условий произрастания растений. В дальнейшем, по мере отрастания скошенных растений, формируется новый травостой, который может в очень большой степени отличаться от ранее существовавшего по структуре, внешнему виду, количественным соотношениям между видами и другим показателям. Аналогичное воздействие человек может оказывать на фитоценозы, интенсивно используя их в качестве пастбищ. При этом на пастбищах, помимо отчуждения надземных органов растений при выпасе скота, на сезонную изменчивость влияет еще и неравномерность поедания разных видов растений, а также отложение ими экскрементов. Все это в совокупности приводит к формированию все возрастающей от весны к осени временной мелкоконтурной мозаичности.

В течение года в фитоценозах может изменяться их структура, состав и количественные соотношения между компонентами фитоценозов.

Изменение структуры фитоценозов в течение вегетационного периода особенно сильно заметно в сообществах, образованных травянистыми растениями, хотя в лесах, особенно листопадных, это также довольно широко распространенное явление. Там, где травянистые сообщества не используются человеком, с начала вегетации к середине или концу лета происходит увеличение высоты и сомкнутости травостоев, а также площади листьев, изменяется вертикальное распределение надземных органов и листовой поверхности. Затем, после достижения кульминации в формировании травостоя, к концу вегетационного периода идет его постепенная деградация.

Сезонные изменения состава фитоценозов иногда могут быть довольно значительными. Если говорить о флористическом составе фитоценозов, то он в течение года и вегетационного сезона обычно не меняется. Но не следует забывать о том, что численность особей и состав ценопопуляций различных видов при этом могут быть подвержены весьма значительным колебаниям. Подобные колебания возможны в результате того, что в течение года и вегетационного периода особи разных видов растений неравномерно возникают и отмирают, переходят из одного онтогенетического состояния в другое, из активного состояния в покоящееся и наоборот. При этом изменение численности особей в течение года, как правило, наиболее сильно выражено у растений, размножающихся преимущественно или исключительно семенами. Это объясняется, в первую очередь, тем, что семена разных видов в разное время попадают в почву, прорастают, теряют жизнеспособность и др.

Очень часто, особенно во все тех же луговых фитоценозах, в течение одного вегетационного сезона могут очень сильно изменяться количественные соотношения между разными видами. Это связано с тем, что различные виды способны активно расти, накапливать большую биомассу, цвести и плодоносить в разное время, сменяя друг друга. При этом различия между видами в течение одного сезона могут быть настолько сильными, что может происходить полная, а зачастую и неоднократная смена видов-доминантов.

С сезонной динамикой структуры фитоценозов и различиями в фенологических ритмах разных растений связано такое довольно широко встречающееся понятие, как смена аспектов фитоценоза. Под сменой аспектов понимают изменения внешнего вида фитоценозов в течение года или вегетационного периода. Как правило, при этом основное значение имеют фазы цветения некоторых видов, закономерно меняющиеся в течение вегетационного периода, хотя в ряде случаев не меньшее значение имеет и фаза плодоношения. Так, например, в сообществах с большим участием одуванчика различают аспекты как в фазе его цветения, так и в фазе его плодоношения. Для ковыльных степей хорошо выражен аспект плодоношения ковылей и т.д.

Смены аспектов отражают смену сезонного состояния фитоценозов и их компонентов, в том числе продуктивность, что тесно связано с изменением условий произрастания как внутри ценоза, так и в пределах окружающей местности. Поэтому соответствующие аспекты природных фитоценозов служат достаточно точными показателями наступления или окончания сроков различных видов хозяйственной деятельности человека: времени начала и окончания выпаса скота, скашивания травы для заготовки сена, лучшего времени посева сельскохозяйственных культур и др.

Разногодичная изменчивость фитоценозов (флуктуации)

Параметры любого растительного сообщества не остаются неизменными, а колеблются год от года. Их значения в разные годы оказываются то большими, то меньшими по отношению к среднему значению за определенный, но не слишком большой период, то есть колеблются около средней характеристики. Изменяются сроки прохождения фенологических фаз, обилие видов и их соотношение, фитомасса, иногда происходит изменение и во флористическом составе. Причина, определяющая эти изменения, заключается в колебаниях погодных условий – количества солнечной энергии, поступающей к растениям, температурного режима, количества осадков. Меняющиеся условия существования дают при этом преимущества то одним, то другим видам, что приводит в изменении системы взаимодействий между растениями. Такие колебательные изменения растительных сообществ были названы флуктуациями. Термин "флуктуация" впервые применил в 1939 г. Х. Глизон.

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебания) – ненаправленные различно ориентированные или циклические (с циклом, как правило, не более 6-10 лет) разногодичные обратимые изменения растительного покрова, то есть такие изменения, которые завершаются возвратом сообщества к близкому к исходному состоянию.

Различают следующие типы флуктуаций в соответствии с причинами их возникновения:

· экотопические, обусловленные различиями в метеорологических и гидрологических условиях экотопа;

· фитоциклические, отражающие особенности жизненного цикла некоторых видов растений и (или) их неравномерное по годам семенное или вегетативное размножение;

· зоогенные, связанные с различиями в воздействии растительноядных и роющих животных, в особенности животных-землероев и насекомых;

· фитопаразитарные, обусловленные массовым размножением фитопаразитарных грибов и др.

· антропические, вызванные различиями в форме и интенсивности воздействия человека;

Экотопические флуктуации. Каждый год является своеобразным по целому комплексу климатических условий: количеству атмосферных осадков, их распределению в течение года, периода вегетации, в отдельные месяцы и декады; средней температуре, температуре отдельных периодов вегетации и другим показателям. Кроме того, что самое важное, сочетание теплового режима с количеством атмосферных осадков также является уникальным для каждого года. Так, в регионах с умеренным и холодным климатом мощность снегового покрова может сильно колебаться по годам, что, соответственно, будет сильно влиять на перезимовку различных видов растений. В отдельные годы климатические показатели могут настолько сильно отклоняться от средних значений для данного региона, что растения начинают испытывать влияние климата, характерного для более южной или, наоборот, более северной зоны.

Очень большое значение имеет также сочетание метеорологических условий данного года с условиями предыдущих лет. Так, нередко исключительно засушливые или очень дождливые годы могут следовать один за другим, и тогда наблюдается чередование периодов засушливых и дождливых лет. При этом повторение "благоприятных" и "неблагоприятных" лет оказывает на фитоценозы особенно сильное влияние.

С изменениями климата тесно связаны различия в гидрологическом режиме отдельных лет, которые также очень сильно могут изменять условия произрастания растений. К примеру, в поймах рек от года к году изменяется длительность половодья и, соответственно, мощность отлагающегося при этом наилка. В бессточных западинах могут наблюдаться большие различия в длительности и сроках заливания натечными водами. Там, где почвенно-грунтовые воды расположены близко к поверхности почвы, по годам варьирует глубина их залегания и сезонная динамика этого показателя.

Иногда косвенное (через деятельность почвенных организмов) влияние влажности и температуры почвы имеет для растений большее значение, чем непосредственное. Так, с изменением по годам среды обитания растений и почвенных организмов варьируют темпы накопления органического вещества в почве и минерализации растительных остатков, и, следовательно, обеспеченность растений элементами минерального питания.

Выраженность экотопических флуктуаций в одних и тех же метеорологических и гидрологических условиях в очень сильной степени зависит от состава и структуры фитоценозов. К примеру, в лесах флуктуации выражены гораздо слабее по сравнению с лугами и степями. При этом в лесных сообществах наиболее значительные изменения происходят в нижнем травяном ярусе. Это связано, в первую очередь, с тем, что лесные фитоценозы, по сравнению с травяными, благодаря свойственному им фитоклимату более устойчивы к колебаниям метеорологических условий отдельных лет. Дело в том, что деревья, имеющие многолетние надземные побеги, реагируют на изменения в метеорологических условиях не столь резко, как травы. Крайним же вариантом выраженности экотопических флуктуаций могут служить пустыни, где в наиболее благоприятные периоды года дают "вспышки" различные виды растений-однолетников. Так, Р. Уиттекер пишет, что в пустыне Сонора имеются "комплекты" видов для разных вариантов благоприятных периодов, и для выявления всего потенциально возможного видового состава пустыни требуется срок не менее 10 лет.

Фитоциклические флуктуации. Данный тип флуктуаций наиболее хорошо изучен в луговых сообществах, где некоторые виды травянистых растений могут доминировать лишь периодически в течение короткого времени. Это связано, главным образом, с особенностями жизненного цикла этих видов или же с обсеменением и массовым приживанием всходов лишь в отдельные годы, что и обуславливает фитоциклические флуктуации.

Так, пожалуй, наиболее изученными объектами, которые характеризуются цикличностью участия в луговых фитоценозах, являются различные виды клеверов. Они довольно широко распространены в луговых фитоценозах, но чаще всего не играют значительного участия в формировании травостоя. Однако бывают отдельные годы с особенно благоприятными условиями произрастания для клеверов. Это приводит к тому, что до этого времени угнетенные, практически не цветущие особи развиваются в пышно развитые, с обильными генеративными побегами растения, и клевера становятся преобладающими в фитоценозе видами. Но при этом у них происходит изменение жизненного цикла – если в угнетенном состоянии клевера являются типичными поликарпиками, то в благоприятных условиях произрастания они становятся моно- или дикарпиками. Из-за этой биологической особенности клеверов пышное развитие их особей завершается отмиранием в тот же или на следующий год.

Фитоциклические флуктуации имеют место не только в луговых, но и в лесных фитоценозах. Так, к примеру, дуб черешчатый обильно плодоносит в среднем лишь один раз в четыре года. Вследствие этого на следующий год после этого в фитоценозе будет особенно много его всходов.

Зоогенные флуктуации обусловлены массовым развитием какого-либо вида животных. Так, примером зоогенных флуктуаций может служить изменение состава и структуры широколиственных лесов в результате вспышек численности непарного шелкопряда. В годы своего массового развития он уничтожает практически всю листву на деревьях, что приводит, с одной стороны, к сильному ослаблению древесного яруса, а с другой стороны, к обильному удобрению земли экскрементами гусениц. Результатом подобного дополнительного питания и улучшения режима освещения становится повышение продуктивности травяного яруса в таких лесах в 1,5-2 раза.

Очень интересные зоогенные флуктуации фитоценозов наблюдаются в степях Монголии. В отдельные годы там массово размножается полевка Брандта, которая почти полностью выедает дернины ковылей и разрыхляет поверхность почвы. Это приводит к массовому развитию еще одного злака – колосняка китайского, в результате чего степь изменяется до неузнаваемости. Однако через 4-5 лет ковыли восстанавливаются, а колосняк опять становится второстепенным видом, хотя и с большим количеством покоящихся корневищ в почве, всегда готовых массово развиться при ослаблении ковылей.

Колебания численности животных очень часто могут быть тесно связаны с изменениями метеорологических и гидрологических условий местообитания. Эти факторы могут влиять на животных как непосредственно, так и косвенно, через сдвиги в составе и продуктивности фитоценозов. Примером подобного сочетания может служить массовое размножение нестадных саранчовых, которое чаще всего наблюдается в засушливые годы, неблагоприятные для большинства видов растений, слагающих фитоценозы. При этом сочетание неблагоприятного воздействия метеорологических условий и массового развития фитофагов, естественно, вызывает более выраженные флуктуации фитоценозов.

Антропогенные флуктуации связаны с изменением интенсивности или формы антропогенного влияния на фитоценозы. Например, при разном режиме пасьбы может изменяться состав травостоя пастбищ. При периодическом, чаще всего бессистемном внесении минеральных удобрений изменяемся состав естественного луга. У расположенных в сфере влияния промышленных предприятий фитоценозов состав может очень сильно изменяться под действием однократных или периодических выбросов загрязняющих веществ.

Кроме того, роль человека может проявляться и в изменении выраженности экотопических флуктуаций. Примером влияния подобного рода может служить периодическая очистка человеком мелиоративных каналов на мелиоративно-производных лугах, что очень сильно изменяет гидрологический режим их фитоценозов.

Для того чтобы понять механизм флуктуаций, следует помнить, что при формировании фитоценозов в их состав в первую очередь входят те виды, которые способны достаточно длительное время совместно сосуществовать при колебаниях условий произрастания, а также при изменениях силы и формы воздействия видов-консортов. В том случае, если экотоп более или менее константен, в состав фитоценозов будут входить виды, имеющие сходные экологические амплитуды. В случае же сильной погодичной изменяемости условий произрастания в состав фитоценозов будут способны войти виды зачастую с очень сильно различающимися экологическими нишами. Это будет определять большую стабильность фитоценозов при изменении условий обитания по годам или периодам лет.

Как уже было сказано, экотопические и сходные с ними флуктуации вызываются ненаправленными, различно ориентированными и обычно краткосрочными сдвигами в условиях произрастания, например смена засушливого года годом дождливым. Соответственно этому происходят ненаправленные, по разному ориентированные изменения фитоценозов в пределах то большего, то меньшего отклонения от "среднего состояния". Флористический состав при этом остается постоянным – "исчезновение" или "появление" видов в большинстве случаев только кажущееся. Дело в том, что в неблагоприятные для некоторых видов годы их особи могут переходить в покоящееся или угнетенное состояние, и в результате этого будет создаваться впечатление, что они исчезли. В благоприятные же годы покоящиеся особи становятся активными, а угнетенные – развивают более мощные надземные побеги.

При флуктуациях, даже со значительным отклонением от "среднего состояния", всегда происходит возврат к состоянию, близкому к исходному, что отличает их от сукцессий. Флуктуации происходят одновременно с сукцессиями, "накладываются" на них, то ускоряя, то задерживая их. Часто длительность флуктуационных циклов совпадает с длительностью 10-11-летних циклов солнечной активности.