Экология (раздел биологии, изучающий взаимоотношения животных или растений с внешней средой) водных растений отличается от экологии сухопутных растений. Если по экологии сухопутных растений мы располагаем довольно обширным материалом, то в отношении водных растений как отечественная, так и зарубежная литература весьма небогата. Растения, которые обычно называют водными, включаются ботаниками в особую экологическую группу так называемых гигрофитов. Одни растения этой группы живут только в воде (гигрофиты), другие на суше, но в местах с высокой или избыточной влажностью почвы. Все гигрофиты имеют общие черты в строении и образе жизни. Среда произрастания оказывает большое влияние как на внешнюю, так и на внутреннюю организацию растений. Все жизненные процессы в организмах водных растений складываются под воздействием тех же факторов, что и на суше.

В 1 л воды воздуха в растворенном состоянии бывает 20–25см3, на долю кислорода приходится 6–8см3 (это в лучшем случае, но чаще его бывает меньше). При содержании 0,5–0,3см3 кислорода в 1 л воды жизнь прекращается – гибнет не только ихтиофауна и высшая растительность, но и микрофлора. Кислород поглощается водой из воздуха на границах соприкосновения сред, особенно интенсивно при перемешивании, волнении, приливо-отливных течениях, а также выделяется растениями в процессе фотосинтеза.

Растворенная в воде углекислота образуется в процессе дыхания водных животных, в результате гниения органических остатков, а также поглощается из воздуха. Холодные и пресные водоемы богаче газами, чем теплые и соленые. Газы нужны водным растениям не только для дыхания и фотосинтеза, они увеличивают всплываемость, поддерживают органы растения в вертикальном положении.

Поступающая от солнца лучистая энергия в сильной степени отражается от поверхности воды. Очень много тепла расходуется на испарение: чем суше воздух, тем больше испарение. Весной вода прогревается намного позже суши, задерживая развитие водных растений. Даже в одном и том же водоеме каждому виду растений присущи свои температурные отклонения. Например, дикий водяной рис Zizania aquatica прорастает при 6–7 °С, а водяной орех Trapa natans – при 12–14 °С, хотя они и растут в непосредственной близости друг от друга.

Водные растения сравнительно поздно зацветают и вегетативное размножение преобладает у них над семенным. Кроме того, большинство водных растений многолетники, что, видимо, тоже объясняется недостатком тепла в течение вегетационного периода. Освещенность воды очень быстро убывает с глубиной: чем ниже солнце к горизонту, тем меньше света поступает в толщу воды. Глубина 2 м является пределом для высшей водной растительности. Водоросли в пресных водах глубже 30 м не наблюдались.

В СССР наибольшей прозрачностью обладают воды озера Байкал, а наименьшей – воды Амударьи и других среднеазиатских водоемов, несущих огромное количество взмученных веществ. С глубиной спектральный состав света изменяется: оранжево-красные лучи поглощаются поверхностными слоями, глубже проникают синие и зеленые лучи. Погруженные в воду листья находятся в особых условиях фотосинтеза: ослабленное освещение и поступление СО2 из воды.

В этих условиях выгоднее иметь листья очень тонкие и сильно рассеченные на узкие дольки. В них хлорофиллоносные клетки получают наибольшее количество света; в толстых листьях внутренние клетки испытывали бы недостаток света. В тонких и толстых листьях внутрь клеток проникает различное количество воды с CO2 и Са(НСО3)2. Рассеченность листьев на тонкие нитевидные доли характерна для погруженных листьев роголистника, перистолистника, пузырчатки и др. Широкие, но очень тонкие подводные листья имеют кувшинки и кубышки. Листья предельно тонкие у элодеи (всего два слоя клеток) и водных мхов (один слой клеток).

Вода во много раз плотнее воздуха и сама поддерживает обитающие в ней растения. Это приводит к недоразвитию или исчезновению их опорных тканей, поэтому стебли и листья многих водных растений мягкие, гибкие и легко перемещаются течением. Проточность воды, наличие в ней турбулентных движений, волнений и конвекционных токов способствуют снабжению растений питательными веществами, теплом и воздухом. Резкие температурные отклонения в воде могут создаваться вследствие ливней (особенно в условиях тропиков и субтропиков). Водоемы очень различны по тепловому режиму, по глубоководности, застойности и текучести воды, по ветровому воздействию и многим другим показателям. Даже внутри одного и того же водоема экологические характеристики для водных растений весьма неодинаковы.

С повышением температуры воды растворимость в ней газов значительно уменьшается, следовательно, уменьшается содержание кислорода и углекислоты, что отрицательно может сказаться на развитии растений. Растения обладают многими приспособлениями, предохраняющими их от недостатка кислорода и способствующими улучшению газообмена. Соприкасающиеся с водой органы водных растений могут поглощать воду с растворенным в ней кислородом всей своей поверхностью. Достигается это благодаря особому строению оболочек клеток покровных тканей. Улучшению газообмена способствует сильная расчлененность подводных листьев, благодаря которой увеличивается поверхность соприкосновения их с водой и развитие во всех органах крупных межклетников и воздушных полостей, по которым поступает воздух.

Очень большое значение имеет химический состав воды. В водоемах, где содержится много хлоридов, сульфатов, углекислого натрия, не живут пресноводные растения. Самым солеустойчивым в нашей флоре является рдест гребенчатый – Potamogeton pectinatus L.

Большинство водных растений не выносят загрязнения водоемов сточными водами, отбросами промышленных предприятий, гниющей древесиной, к чему неизбежно приводит сплав на реках. С целью декоративного оформления аквариумов иногда используют различные по форме коряги, что приносит растениям вред. Благодаря способности растений поглощать воду с растворенными в ней веществами всей поверхностью у некоторых растений слабо развивается корневая система, а также водопроводящие ткани. В некоторых случаях корневая система исчезает совсем или только прикрепляет растение к грунту, но практически не доставляет ему питательных веществ. Например, у рясковых Lemnaceae корень выполняет прежде всего роль органа равновесия. Отсутствие корневых волосков только подтверждает, что основной функцией является прикрепление растения к субстрату. Развивающиеся корневища служат кладовыми запасов питательных веществ и органами вегетативного размножения.

Разнолистие, или развитие на одном и том же растении листьев типичных водных, погруженных, и листьев, плавающих на поверхности воды или возвышающихся над нею, – явление очень частое у водных растений. Плавающие листья на своей внешней стороне, сообщающейся с воздухом, несут устьица. Сильное развитие межклетных полостей почти во всех органах обеспечивает омывание водой, содержащей газы и соли, внутренних клеток, увеличивает плавучесть. Кроме того, межклетные полости у органов, сообщающихся с воздушной средой, через устьица выполняют роль вентилирующей системы для подводных побегов и корней растений. Чем больше устьиц на верхней стороне плавающих листьев, тем сильнее развиты межклетные полости (например, сем. кувшинковые). Наиболее сильно выражена приспособленность к водной среде у растений, полностью погруженных в воду. Растения, хотя бы частично соприкасающиеся с воздушной средой, обнаруживают черты, свойственные сухопутным растениям. Например, стрелолист обыкновенный (S. sagittifolia) в глубоких водах развивает три категории листьев: подводные, плавающие и воздушные. Если стрелолист растет в болоте, он развивает только воздушные стреловидные листья, в его стебле увеличиваются сосудистые каналы, лист приобретает обычное строение наземного растения.