1. Введение

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 [1], [9]. Интегральная оценка качества воздушной среды в условиях комбинированного химического загрязнения требует применения не только инструментальных методов, но и биологических подходов, позволяющих регистрировать ответную реакцию живых организмов на весь комплекс действующих факторов [2], [8].

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 [6], [8]. Хвойные породы, в отличие от листопадных, не имеют возможности ежегодно сбрасывать поврежденные органы, что приводит к накоплению эффектов стресса [1], [5].

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 [9]. Формальдегид (также II класс опасности) проявляет мутагенные свойства, вступает в фотохимические реакции и, согласно ряду исследований, оказывает выраженное фитотоксическое действие, повреждая клеточные мембраны и ингибируя ферментативные системы [7], [11]. Взвешенные частицы, оседая на поверхности хвои, механически закупоривают устьица, снижают интенсивность фотосинтеза и адсорбируют на своей поверхности другие токсичные соединения, создавая синергетические эффекты [4].

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% [3], [9]. Особую актуальность приобретает изучение комбинированного воздействия транспортных и промышленных эмиссий на состояние зеленых насаждений, в первую очередь сосны обыкновенной.

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.

2. Методы и принципы исследования

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 [10]. Массовую концентрацию сероводорода определяли фотометрическим методом по реакции образования метиленовой синей (поглощение на сорбционные трубки с гидроксидом кадмия, анализ на фотоэлектроколориметре при λ=670 нм). Концентрацию формальдегида измеряли фотометрическим методом с ацетилацетоном (реакция Ганца, образование 3,5-диацетил-1,4-дигидролютидина, λ=412 нм). Концентрацию взвешенных веществ определяли гравиметрическим методом с использованием аналитических фильтров АФА-ВП-20 [10]. Оценку проводили по сравнению с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) согласно СанПиН 1.2.3685-21. Расчет суммарного коэффициента загрязнения (Ксум) производили по формуле приведения концентраций к наиболее токсичному веществу с учетом класса опасности. Критерии оценки степени загрязнения: умеренная 2,5–4,0; высокая 4,1–8,0; очень высокая 8,1–16,0 [8].

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 [8].

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) [8].

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 [3].

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.

3. Основные результаты

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 [3], [9].

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 [7], [11], а взвешенные частицы в значительной степени формируются за счет абразивного износа шин, тормозных колодок и дорожного покрытия [4].

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) [9].

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) [8].

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) [8].

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) [8].

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).

4. Обсуждение

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 [7], [11].

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 [6], [11]. Зафиксированная в нашем исследовании тенденция полностью согласуется с данными других авторов, согласно которым повышение концентраций фитотоксичных газов в атмосферном воздухе закономерно сопровождается ингибированием ростовых процессов у хвойных пород, находя свое внешнее выражение в уменьшении длины хвои и сокращении величины годичного прироста побегов [1], [5].

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 [4]. Как показано в работах [4], [7], сажевые частицы обладают высокой адсорбционной способностью по отношению к полярным органическим соединениям, включая формальдегид. Сорбированный альдегид на поверхности аэрозоля может подвергаться фотохимическому окислению с образованием муравьиной кислоты и пероксидных радикалов, которые непосредственно повреждают эпидермальные ткани хвои и усиливают деструкцию пигментного комплекса. Кроме того, твердые частицы, оседая на хвое, создают на поверхности микросреду с повышенной концентрацией токсикантов, что локально увеличивает их действующую дозу по сравнению с газовой фазой. Данное обстоятельство со всей очевидностью указывает на необходимость обязательного учета синергетических взаимодействий при проведении оценок экологических рисков для древесной растительности.

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 [1], [9].

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.

5. Заключение

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.

The additional file for this article can be found as follows: