EVALUATION OF THE IMPACT OF ANTHROPOGENIC PRESSURE IN ORENBURG ON THE CONDITION OF PINUS SYLVESTRIS L. NEEDLES BY PHYTOINDICATION METHODS

Современные урбоэкосистемы характеризуются сложным спектром антропогенных воздействий, среди которых ведущее место принадлежит загрязнению приземного слоя атмосферы. Приземный слой атмосферы мощностью до 50–100 м, непрерывно контактирует с земной поверхностью, что делает его зоной аккумуляции поллютантов и оказывает прямое воздействие на древесные насаждения, выполняющие важные санитарно-гигиенические и рекреационные функции

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) является классическим и широко признанным объектом фитоиндикации благодаря ряду морфофизиологических особенностей: многолетняя хвоя (срок жизни 3–5 лет), обширный ареал, прямой контакт ассимиляционных органов с атмосферным воздухом, выраженная чувствительность к газообразным токсикантам и наличие четких визуально регистрируемых повреждений

В числе приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха в промышленных центрах, ассоциированных с переработкой углеводородного сырья и интенсивным автотранспортом, особое место занимают сероводород (H₂S), формальдегид (CH₂O) и взвешенные частицы (PM₁₀, PM₂,₅). Сероводород, являясь высокотоксичным газом II класса опасности, обладает способностью блокировать цитохромоксидазу, вызывая тканевую гипоксию

Оренбург представляет собой промышленный город с высокой плотностью предприятий нефтегазового профиля, а также с неуклонно растущим парком автотранспорта. По данным ряда авторов, доля автомобильных выбросов в общем загрязнении атмосферы города достигает 49–80%

Цель настоящего исследования — провести комплексную оценку влияния газового состава приземного слоя атмосферы на морфофизиологическое состояние хвои Pinus sylvestris L. в условиях различной антропогенной нагрузки в г. Оренбурге.

Объектом исследования являлась хвоя второго и третьего года жизни Pinus sylvestris L., отобранная на трех участках г. Оренбурга с дифференцированной антропогенной нагрузкой:

– Участок 1 (фоновая зона, 51°50.219′ с.ш., 55°07.653′ в.д.) — территория лесопарковой зоны «Оренпарк», удаленная от крупных автомагистралей и промышленных предприятий. Служил контрольным участком.

– Участок 2 (жилая зона с умеренной транспортной нагрузкой, 51°46′39.8″ с.ш., 55°06′05.8″ в.д.) — район ул. Орджоникидзе с интенсивностью движения средней интенсивности, без непосредственной близости к промышленным объектам.

– Участок 3 (жилая зона с высокой промышленно-транспортной нагрузкой, 51°41′31.6″ с.ш., 55°04′44.4″ в.д.) — район ул. Донгузской, находящийся в зоне влияния крупных автомагистралей и промышленных предприятий (Оренбургский ГПЗ, завод металлоконструкций, химзавод «Спектр»).

Отбор проб воздуха и хвои проводили в летние месяцы (июль–август) 2023–2025 гг. в утренние часы (08:00–10:00) при следующих среднеметеорологических условиях: температура воздуха составляла +22…+26 °C, относительная влажность — 55–65%, скорость ветра — 1,5–3,0 м/с, преимущественно юго-западное и западное направление воздушных масс. В дни с осадками и штилевыми условиями отбор не проводили. Указанные параметры соответствуют среднестатистическим данным для данного сезона в регионе и не создавали экстремальных условий, способных исказить биоиндикационные реакции.

Отбор и анализ проб воздуха проводили в соответствии с аттестованными методиками

Для каждого участка отбирали по 100 пар хвоинок с 10 модельных деревьев 15–20-летнего возраста с боковых побегов средней части кроны. Выбор модельных деревьев проводили по следующим критериям: диаметр ствола на высоте 1,3 м (15–25 см), высота (10–15 м), отсутствие видимых механических повреждений, признаков болезней и насекомых-вредителей. Отбор хвои выполняли с четырех сторон кроны (по азимутам 0°, 90°, 180°, 270°) для нивелирования влияния экспозиции. Хвоинки собирали с побегов второго и третьего годов жизни, расположенных на одном ярусе кроны (на высоте 2,5–3,5 м). Морфометрический и визуальный анализ хвои выполняли по методике Мукминова и Шуралева

Оценивали следующие показатели:

1) процент поврежденной хвои (площадь некрозов и хлорозов > 25% поверхности);

2) процент усохшей хвои;

3) длина хвои (линейка, точность 1 мм, 20 случайных хвоинок с каждого дерева);

4) класс повреждения хвои (КП: 1 — без пятен, 2 — мелкие пятна, 3 — крупные пятна по всей ширине);

5) класс усыхания (КУ: 1 — сухие участки отсутствуют, 2 — усох кончик 2–5 мм, 3 — усохла треть хвоинки, 4 — усохло более половины длины).

Максимальный возраст хвои определяли по мутовкам боковых побегов. На основе этих данных присваивали класс загрязнения воздуха (от I — идеально чистый до VI — очень грязный)

Интенсивность движения определяли методом визуального учета в вечерний пиковый период (17:00–18:00) в течение 7 суток. Транспортный поток дифференцировали на четыре категории: легковые автомобили, грузовые автомобили, автобусы, мотоциклы. Интенсивность движения (I, авт./час) рассчитывали по разности количества транспортных средств ко времени наблюдения (час). Автотранспортную нагрузку (АТН, авт·км/ч) вычисляли как произведение интенсивности движения и длины учетного участка

Статистическую обработку данных проводили с вычислением средней арифметической (M), стандартной ошибки среднего (SEM) и стандартного отклонения (SD). Коэффициент корреляции Пирсона (r) рассчитывали для оценки линейной связи между параметрами. Интерпретацию коэффициента проводили по шкале: 0,00≤r<0,30 — слабая; 0,30≤r<0,70 — умеренная; 0,70≤r≤1,00 — сильная связь. Для подтверждения достоверности межгрупповых различий по морфометрическим показателям применяли однофакторный дисперсионный анализ с последующим пост-хок тестом Тьюки для попарных сравнений. Уровень значимости принимали p<0,05. Расчеты выполнены в среде Microsoft Excel с использованием пакета анализа данных.

В ходе семидневного мониторинга интенсивности дорожного движения установлен достоверный рост транспортной нагрузки по направлению от периферийных районов к центральной части города и промышленным зонам (см. табл. 1).

Минимальные значения зафиксированы на участке 1, где общий поток составил 789±20 авт./час, причем легковой транспорт формировал основу (86,2%). На участке 2 общая интенсивность возросла до 1383±24 авт./час, что на 75,3% превысило фоновый уровень; параллельно отмечено увеличение доли грузового транспорта до 12,1%. Максимальная интенсивность — 1831±29 авт./час — зарегистрирована на участке 3, превысив контрольные показатели в 2,32 раза, при этом доля грузовых машин достигла 19,8%. Рассчитанные значения автотранспортной нагрузки ранжировались в следующем порядке: участок 1 — 394,5 авт·км/ч (высокий уровень), участок 2 — 691,5 авт·км/ч (очень высокий уровень), участок 3 — 915,5 авт·км/ч (критический уровень). Полученные данные соотносятся с официальными сведениями о росте парка автотранспорта в регионе и подтверждают определяющую роль автомобильных выбросов в формировании качества воздушной среды урбанизированных территорий

Результаты многолетнего мониторинга свидетельствуют о стабильно высоком уровне загрязнения формальдегидом, который является приоритетным поллютантом для всех исследуемых участков. Средние концентрации формальдегида на всех участках в 1,7–3,0 раза превышают ПДК (0,003 мг/м³). Максимальные значения зафиксированы на участке 3: 0,009 мг/м³ (3,0 ПДК) в 2024–2025 гг. Концентрации взвешенных веществ на участке 3 стабильно превышают ПДК (0,075 мг/м³), достигая значений 0,080–0,081 мг/м³ (1,07–1,08 ПДК), что подтверждает значительную пылевую нагрузку в зоне влияния промпредприятий и оживленных магистралей. Концентрации сероводорода в целом невысоки, но на участке 3 в 2024–2025 гг. отмечено превышение ПДК в 1,5–2,0 раза (0,003–0,004 мг/м³ при ПДК 0,002 мг/м³).

Сопоставление динамики концентраций с показателями АТН указывает на тесную связь уровня загрязнения формальдегидом и взвешенными веществами с интенсивностью транспортного потока. Это согласуется с данными литературы о том, что формальдегид является продуктом неполного сгорания топлива и фотохимических превращений в атмосфере

Расчет суммарного коэффициента загрязнения (Ксум) выявил прогрессирующее ухудшение качества воздуха при переходе от фонового к промышленно-транспортному участку: Ксум на участке 1 оставался в пределах 3,07–3,11 (умеренная степень), на участке 2 возрос с 4,25 до 6,02 (высокая степень), на участке 3 достиг значений 8,12–10,7 (очень высокая степень) (см. табл. 2). Рост Ксум в 2023–2025 гг. указывает на негативную тенденцию накопления поллютантов в приземном слое, что коррелирует с ростом интенсивности движения и, возможно, с неблагоприятными метеорологическими условиями (температурные инверсии, слабый ветер)

При визуальном осмотре и морфометрических измерениях установлены существенные межучастковые различия в состоянии хвои (см. табл. 3).

На участке 1, выполнявшем функцию контроля, хвоя отличалась темно-зеленой окраской без видимых дефектов: длина игл составляла 9,0±0,08 см, доля экземпляров без повреждений (КП1) достигала 85%, а признаков усыхания (КУ1) — 90%. Возраст хвои достигал 3–4 лет, что позволило отнести данную территорию к I классу загрязнения (идеально чистый)

На участке 2 отмечено отчетливое ухудшение состояния хвои: средняя длина уменьшилась до 7,0±0,075 см (сокращение на 22,2% относительно контроля). Доля здоровых игл снизилась до 45%, при этом возросла встречаемость хвои с мелкими пятнами (КП2 — 40%) и с начальными признаками усыхания верхушек (КУ2 — 35%). Продолжительность жизни хвои сократилась до 2–3 лет, что соответствует III классу загрязнения (относительно чистый)

Наибольшие отклонения выявлены на участке 3: длина хвои составила 5,5±0,12 см (на 38,9% меньше, чем в контроле). Доля сильно поврежденных игл с обширными некрозами (КП3) достигла 50%, при этом только 15% хвои не имели дефектов. Усыхание разной степени выраженности зафиксировано у 80% хвоинок, причем у 10% отмечено усыхание более половины длины иглы (КУ4). Максимальный возраст хвои сократился до 1–2 лет, что свидетельствует об ускоренном опаде поврежденных органов. Интегральная оценка позволила отнести участок 3 к IV–V классам (загрязненный — грязный)

Результаты однофакторного дисперсионного анализа подтвердили высокую достоверность межгрупповых различий по длине хвои (F=342,6; p<0,001), классу повреждения (F=287,4; p<0,001) и классу усыхания (F=195,2; p<0,001). Пост-хок тест Тьюки показал, что все попарные различия между участками статистически значимы (p<0,01 для всех сравнений).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что формальдегид является ведущим фитотоксичным агентом в условиях промышленно-транспортной нагрузки г. Оренбурга. Это объясняется как прямым токсическим действием альдегидов на клеточные структуры, так и их участием в фотохимических циклах образования вторичных загрязнителей (озон, пероксиацетилнитраты), что усиливает общий окислительный стресс для растительного организма

Укорочение хвоинок у сосны обыкновенной давно рассматривается в научной литературе в качестве одного из надежных морфометрических маркеров хронического аэрогенного стресса. Данный параметр по праву считается интегральным индикатором снижения фотосинтетической продуктивности

Весьма показательной представляется высокая теснота корреляционной связи между содержанием взвешенных частиц и степенью поврежденности хвои. По-видимому, данный феномен не исчерпывается прямым физическим блокированием устьичных ходов твердыми частицами. Важную роль играет химическая составляющая: частицы сажи и аэрозоли тяжелых металлов способны выступать в качестве активных сорбентов для газообразных токсикантов, а также служить катализаторами окислительных превращений непосредственно на поверхности хвои, что многократно потенцирует токсический эффект

С применением коэффициента корреляции Пирсона установлено, что длина хвои обнаруживает сильную отрицательную зависимость от содержания в воздухе формальдегида (r=-0,98; p<0,05) и взвешенных частиц (r=-0,99; p<0,05); связь с сероводородом слабее (r=-0,61). Класс повреждения хвои, напротив, положительно коррелирует с формальдегидом (r=+0,99; p<0,05) и пылевой нагрузкой (r=+0,98; p<0,05), что подтверждает их ведущую роль в формировании некротических изменений. Это убедительно демонстрирует, что возрастание антропогенной нагрузки сопровождается прогрессирующим накоплением некротических и хлоротических изменений в тканях хвои. Связь класса повреждения с содержанием сероводорода (r=+0,64) квалифицируется как умеренная.

Умеренный уровень корреляции между величиной автотранспортной нагрузки и содержанием сероводорода (r=+0,59) вполне согласуется с устоявшимся мнением, что в условиях городской среды основные объемы эмиссии этого газа обеспечиваются не столько выхлопами автомобилей (степень которых зависит от качества горючего и полноты сгорания), сколько выбросами стационарных промышленных объектов, а также анаэробными процессами, протекающими в канализационных сетях и других инженерных сооружениях

Изложенные факты позволяют утверждать, что вклад сероводорода в формирование стресс-реакций у хвойных растений на исследованных площадках уступает таковому для формальдегида и пылевого аэрозоля, что определяется его локальным характером эмиссии и отсутствием тесной привязки к интенсивности транспортного потока.

Ранжирование участков по степени экологической напряженности, выполненное на основе интегрального показателя — суммарного коэффициента загрязнения (Ксум), — показало, что максимальный уровень неблагополучия приходится на участок 3 (Ксум > 8,0). В отношении данной территории возникает настоятельная необходимость принятия безотлагательных природоохранных решений, в числе которых — реорганизация дорожного движения, усиление контроля над промышленными источниками эмиссий и увеличение протяженности санитарно-защитных зон.

В целом, результаты работы подтверждают высокую диагностическую значимость Pinus sylvestris L. как биоиндикационного объекта при оценке комплексного загрязнения атмосферы. Предлагаемый набор морфометрических и визуальных параметров хвои может быть рекомендован к использованию в качестве методической основы для регулярного экологического мониторинга на территориях со сходными природно-климатическими и техногенными характеристиками.

Выполненные исследования позволили выявить, что в условиях г. Оренбурга определяющее влияние на ухудшение качества атмосферного воздуха и подавление витального состояния хвои Pinus sylvestris L. оказывает высокая интенсивность автомобильного движения, которая обеспечивает стойкое многократное превышение нормативов ПДК по формальдегиду (в 1,7–3,0 раза) и взвешенным веществам (в зонах с критической нагрузкой). Морфометрические показатели хвои (длина, доля некрозов и усыханий) закономерно ухудшаются от фоновой зоны к промышленно-транспортному узлу, что подтверждается высокими корреляциями с формальдегидом и взвешенными веществами (r=0,98–0,99; p<0,05), тогда как связи с сероводородом умеренные (r=0,61–0,64). Результаты дисперсионного анализа подтвердили статистическую достоверность всех межгрупповых различий (p<0,01). Комплексный подход, объединяющий инструментальный контроль, расчет автотранспортной нагрузки и биоиндикацию, эффективен для выявления зависимостей между техногенным воздействием и реакцией биоты. Полученные результаты обосновывают необходимость приоритетного снижения эмиссий формальдегида и взвешенных частиц от автотранспорта и расширения зеленых зон с использованием устойчивых пород. Для уточнения долговременных трендов целесообразно продолжить мониторинг с включением сезонных измерений и расширением перечня определяемых поллютантов.