Влияние микроклимата на растительность в системе зеленых крыш

Введение

В настоящее время во всем мире возрастает интерес к тематике «зеленых крыш», что связано с изменением климата и давлением со стороны урбанизации. Чтобы поддержать уровень экоситемных услуг в условиях плотной городской застройки целесообразно размещать объекты озеленения на крышах зданий. Зеленые крыши также позволяют поддерживать уровень биоразнообразия на фоне его постоянного снижения.

Однако создание зеленых крыш связано с рядом проблем. Во-первых, на высоте наблюдаются неблагоприятные климатические условия, что создает серьёзные трудности при формировании зеленых насаждений на крышах зданий. Во-вторых, зеленые крыши создаются путем размещения растений в подготовленном субстрате. Тем не менее, такой субстрат часто характеризуется нехваткой питательных веществ, по сравнению с естественным грунтом. При этом выбор субстрата для озеленения играет решающую роль.

Пониженная биологическая активность субстрата связана с тем, что он, как правило, проходит перед высадкой стерилизацию или состоит из сухих минеральных материалов, а следовательно такой субстрат не содержит микроорганизмов, которые в естественных условиях обитают в почве.

Микробная активность является важным фактором производства питательных веществ, способных повысить рост растений. Существуют исследования подтверждающих положительное влияние дождевых червей на почвенные микроорганизмы. Дождевые черви могут жить в достаточно сложных условиях, например в сильно загрязненной почве, но при этом их редко можно встреть на зеленых крышах. Для дождевого червя очень важна глубина грунта, чтобы можно было избегать влияния абиотических факторов. Субстрат зеленых крыш, зачастую не соответствует таким требованиям.

Ранее проведенные исследования отмечают повышение плодородия почвы за счет компоста. Недавнее исследование было посвящено использованию вермикомпоста для повышения долговременной стабильности органического вещества почвы, что позволяет добиться усиления биологической активности субстрата (Bass et al., 2016).

В данном исследовании авторы ставили перед собой цель определить, способно ли добавление дождевых червей и вермикомпоста улучшить биологические и химические свойства стандартного зеленого субстрата крыши. Авторы провели эксперимент, в рамках которого проверили три гипотезы: 1) микроклимат крыш имеет значимое влияние на экосистему зеленых крыш, 2) добавление дождевых червей и компоста стимулирует микробную активность и улучшает развитие растений в системе зеленых крыш, и 3) добавление дождевых червей и компоста поддерживает такие экосистемные услуги, как опыление.

Ход работы

Эксперимент проводился на кампусе Университета Париж-Эст-Кретей (UPEC) в Валь-де-Марне. Для проверки влияния микроклимата крыши на развитие растений были установлены контейнеры (мезокосмы) на двух высотах: на крыше высотой 20 м и на уровне земли.

Контейнеры (120 × 80 × 33 см) на основе случайного выбора были заполнены двумя видами субстрата:

1. субстрат низкой сложности (LC), состоящий из 25-сантиметрового слоя коммерческого кровельного субстрата (керамзит, камень, щебень, перлит и компост из зеленых отходов, субстрат типа E, Optigreen, Германия);

2. субстрат высокой сложности (HC), состоящий из 5-сантиметрового слоя вермикомпоста и дождевых червей, поверх 20 см слоя коммерческого материала, аналогичного, примененному для формирования субстрата LC.

Вермикомпост был получен путем добавления земляных червей Eisenia foetida и Eisenia Andrei к местным зеленым отходам из района Валь-де-Марне. Кроме вермикомпоста, каждый контейнер HC был засеян 53 (около 170 г) взрослыми земляными червями Lumbricus terrestris

Растительное сообщество состояло из пяти многолетних видов Hylotelephium maximum (Очитник наибольший), Centaurea jacea (Василёк луговой), Lotus corniculatus (Лядвенец рогатый), Koeleria glauca (Тонконог сизый), Dianthus carthusianorum (Гвоздика полевая). Растения были выбраны за их пригодность для озеленения крыш в регионе Иль-де-Франс, а также за возможность опыления насекомыми (за исключением K. glauca, который опыляется ветром). Растения были случайным образом распределены в каждой растительной смеси в отдельном контейнере.

Продолжительность эксперимента: июнь – август 2015 года. Микроклимат на крыше и на земле измерялся при помощи метеостанции Pro WMR86 (Oregon Scientific®, Франция). В процессе эксперимента определялись параметры растений: вегетативный покров, надземная биомасса, содержание хлорофилла в листьях H. maximum, C. jacea, и L. corniculatus, объем нектара и концентрация сахара в нектаре H. maximum. Физические и химические свойства субстрата были измерены в Лаборатории анализа почв ИНРА (Аррас, Франция) в соответствии с ISO/IEC 17025.

Общая микробная активность субстратов определялась гидролизом диацетата флуоресцеина (FDA) (Schnurer and Rosswall, 1982). Минерализацию органического фосфора оценивали путем измерения активности щелочной фосфатазы (ALP) и кислотной фосфатазы (ACP) (Nelson and S.L.E., 1982). Анализы проводились в пяти экземплярах. Микробное дыхание было измерено в соответствии с рекомендациями Гарсиа и соавт. (Garcia et al. 1994). Для оценки микробной метаболической активности субстратов использованы 96-луночные EcoPlates (AES Laboratory France). В течение 3 недель подряд в период цветения в июле и августе 2015 года регистрировалось общее число опылителей, посетивших цветы.

Статистический анализ полученных данных проведен с использованием программы Statgraphics (Centurion XVI, Sigma Plus, Франция). Статистическая значимость результатов определялась на основе теста Колмогорова Смирнова (P < 0,05), одношагового и двухшагового дисперсионного анализа (ANOVA, 5% уровень значимости). Роль абиотических факторов оценена с применением коэффициента корреляции Пирсона (r).

Эксперимент показал следующие результаты. Интенсивность света на крыше во второй половине дня была выше, по сравнению с землей. Индекс УФ-излучения на крыше был всегда выше, чем на уровне земли. Скорость ветра не зависела от высоты, однако его направление менялось быстрее на крыше. Влажность воздуха была значительно выше утром, но от высоты она не зависела.

По физико-химическим показателям отмечается, что субстрат HC имел более высокую доступность минеральных питательных веществ (C, N и P), более высокое содержание воды, относительно низкий pH и более высокую влагоёмкость, независимо от высоты. Влагоёмкость субстрата HC была на 23% (на земле) и на 55% (на крыше) выше, чем у субстрата LC.

В течение всего эксперимента все растения выглядели здоровыми (т.е. не было признаков атак патогена или травоядных). Субстраты HC имели на 55% (на крыше) и 67% (на земле) больше надземной растительной биомассы, на 16% (на крыше) и 7% (на земле) больше вегетативного покрова, и на 53% (не крыше) и 41% (на земле) больше почек H. maximum, чем субстраты LC. Субстраты HC имели значительно более высокие значения для всех параметров растений: надземная биомасса, вегетационный покров, максимальное количество бутонов, содержание хлорофилла H. maximum, C. jacea и L. corniculatus, максимальный средний объем нектара, концентрация сахара в нектаре. Растительный покров и максимальная средняя концентрация нектара была зафиксирована ниже на уровни земли, а содержание хлорофилла в H. maximum меньше на крыше, независимо от субстрата. Микробная активность наблюдалась в период нескольких фаз: вегетативная и фаза цветения. Субстрат HC обладал большим разнообразием микробного сообщества, более высокой активность ферментов, чем LC во всех периодах и на разных высотах.

Одиночные пчелы, медоносные пчелы и шмели были самыми распространенными насекомыми-опылителями, которых наблюдали за кормлением мезокосов. Среднее число посещений и численность опылителей были значительно выше на субстрате HC, чем на LC.

Результаты

Влияние микроклимата на растительность в системе зеленых крыш

Известно, что зеленые насаждения крыш подвержены значительно большему влиянию абиотических факторов (скорость ветра, интенсивное солнечное излучение, влажность, температура), нежели растения, произрастающие на уровне земли. Тем не менее, влияние микроклимата на растительный покров крыш изучено недостаточно. В рамках данного эксперимента было отмечено, что растительный покров и надземная биомасса у растений, произрастающих на крыше оказалась ниже, чем на уровне земли. Тем не менее, влажность субстрата на крыше оказалась выше, чем на земле и это различие является статистически значимым. Также, содержание сахара в нектаре H. maximum, собранного на крыше, было выше, что могло быть связано как с абиотическими факторами среды (свет, вода, температура и концентрация CO2).