Design and characterization of optimal substrates for the growth of Mediterranean plant species in extensive green roof systems under semi-arid conditions

Abstract

[SPA] Los sistemas de cubiertas verdes extensivos se basan fundamentalmente en el diseño de sustratos ligeros y de poco espesor los cuales promueven la conservación de especies vegetales en zonas urbanas. Estos techos verdes son diseñados con el fin de imitar paisajes naturales en zonas carentes de vegetación, como son las azoteas de los edificios, mediante el uso de subproductos y materiales reciclados como parte de sustratos para el crecimiento vegetal. La selección y optimización de cada componente de las cubiertas verdes es el aspecto más importante a tener en cuenta a la hora de diseñar una cubierta verde. En este sentido, el objetivo de esta Tesis es el diseño de sustratos artificiales capaces de albergar y promover la actividad de la comunidad microbiana presente en cada tipo de mezcla así como el crecimiento de varias especies vegetales de la zona Mediterránea, bajo condiciones de clima semi-árido. Además, se estimó la capacidad de fijación de C y N llevada a cabo por diversos prototipos de cubiertas verdes o Green roofs, con el fin de recomendar la mejor combinación sustrato-planta en cuanto a producción vegetal y capacidad de secuestro de contaminantes se refiere. Para llevar a cabo este objetivo, se realizaron cuatro ensayos diferentes, dos ensayos en laboratorio y dos en campo. Concretamente, el primer ensayo de laboratorio tuvo por objetivo estudiar el efecto de la composición del sustrato y la dosis de materia orgánica (compost) sobre las propiedades fisicoquímicas y bioquímicas del sustrato, así como su influencia en la comunidad microbiana presente en cada una de las mezclas diseñadas, tanto a nivel estructural como funcional. Se observó que la combinación compost-ladrillo triturado fue capaz de mantener el desarrollo de la comunidad microbiana presente en el mismo y que, por tanto, podría ser una mezcla apropiada para su uso como sustrato de plantas. Por el contrario, la mezcla compost-suelo mostró mejores propiedades bioquímicas que la mezcla compost-ladrillo debido a la elevada actividad enzimática hidrolítica extracelular observada en esta mezcla, probablemente asociada al complejo arcillo-húmico creado en la misma. En el segundo ensayo de laboratorio se utilizaron sustratos similares a los diseñados en el ensayo anterior, en los cuales se estudió la germinación y el crecimiento de varias especies vegetales (Silene vulgaris (Moench) Garcke, Crithmum maritimum L., Silene secundiflora Otth., Lagurus ovatus L., Asteriscus maritimus L., y Lotus creticus L) mediante ensayo en macetas, bajo condiciones controladas de humedad y temperatura. En general, se observó que las mezclas más porosas (compost-arcilla y compost-ladrillo triturado) fueron más apropiadas para el crecimiento de las especies estudiadas que la mezcla compost-suelo, promoviendo especialmente su desarrollo radicular. En cuanto a las especies de plantas estudiadas, S. vulgaris mostró un mayor desarrollo radicular en las mezclas más porosas (elevado root:shoot ratio) mientras que L. ovatus se desarrolló mejor en la mezcla C+Soil. Silene secundiflora y C. maritimum también tuvieron un mayor desarrollo en las mezclas más porosas que en la mezcla con suelo, mientras que A. maritimus y L. creticus mostraron una germinación muy baja en los tres sustratos. El primer ensayo de campo fue llevado a cabo con el fin de estudiar la influencia de la composición del sustrato y su profundidad sobre el desarrollo de L. ovatus y S. vulgaris. Además, se evaluó si la presencia de riego adicional es requisito indispensable para el desarrollo vegetal en este tipo de cubiertas. Por otro lado, se estimó el secuestro de C y N llevado a cabo por cada combinación sustrato-planta. Para ello, se probaron dos sustratos diferentes (CSB: compost-suelo-ladrillo triturado, y CB: compost-ladrillo triturado, en proporción volumétrica 1:1:3 y 1:4). Estas mezclas fueron dispuestas en mesas de cultivo o ?demostradores? a dos profundidades diferentes (5 y 10 cm). Los resultados obtenidos señalan que S. vulgaris presenta cualidades óptimas para ser utilizada en este tipo de sustratos artificiales debido a la elevada actividad enzimática extracelular observada en sustratos bajo su influencia, probablemente asociada a los exudados radiculares específicos de esta especie, promoviendo así la dinámica de nutrientes y el secuestro de C y N. Se constató también que la ausencia de riego no permite el desarrollo de estas plantas bajo las condiciones probadas, pero que un riego ajustado a una demanda hídrica ?moderada? (40-50% de la ET0) es suficiente para garantizar el crecimiento de ambas especies. Por último, el segundo ensayo de campo fue realizado con el objetivo de evaluar la influencia de la composición del sustrato sobre el desarrollo de Asteriscus maritimus y Lotus creticus. Los sustratos probados fueron: CsB (compost-arena de sílice-ladrillo triturado; 1:1:8, en volumen), CB (compost-ladrillo triturado; 1:9), CSB (compost-suelo franco-arcilloso-ladrillo triturado, 1:1:8), y CsS (compost-arena de sílice- suelo franco-arcilloso 1:1:8). Todos se dispusieron a la misma profundidad (10 cm) en mesas de cultivo. En esta ocasión, el riego se fijó al 48% de la ET0. El ensayo demostró que la composición inorgánica de los sustratos influye en las propiedades químicas y bioquímicas de cada uno de ellos y, por tanto, en el desarrollo vegetal. Lotus creticus tuvo un mayor desarrollo en la mezcla CsB, mientras que A. maritimus tuvo un mayor crecimiento en las mezclas con suelo. Estos sustratos fueron también los más idóneos en cuanto a fijación de C y N.

[ENG] Green roofs are multi-layered, engineered structures with a vegetated upper surface (Razzaghmanesh et al., 2014) and are an important part of the urban green infrastructure for building sustainable cities. Extensive green roof systems are generally substrate-based with very little in the way of a true soil component, offering root zones between 5 and 20 cm deep for vegetation. Extensive green roofs concentrate on maximizing overall biodiversity with the use of lightweight substrates and encouragement of plant species diversity (Gedge and Kadas, 2005; Rumble and Gange, 2013). These roofs are typically designed to mimic open mosaic habitats on brownfield sites found in urban environments (Grant et al., 2003; Gedge, 2000), by using recycled waste materials (Molineux et al., 2009) as growing media. Selecting and optimizing each green roof component are the most important design issues faced Although green roofs have been widely used in Europe for decades and more recently in temperate areas of the United States, green roof design, implementation, and performance parameters are not yet entirely understood in semi-arid and arid climates. In this area low annual precipitation, low average relative humidity, high solar radiation due to elevation, high wind velocities, and predominantly sunny days make it more difficult to grow plants on a roof than in other climates. Because of this, specific design strategies, plant selection, growing media, and supplemental irrigation requirements are key considerations for green roof projects to continue to evolve for the climate in the semi-arid Mediterranean area (Tolderlund, 2010). Therefore, the general objective of this Thesis was the design of new artificial substrates capable of sustaining and promoting the activity of the microbial community inhabiting the resulting mixtures, thus maintaining their fertility, as well as the growth of several Mediterranean endemic plant species under semi-arid Mediterranean conditions. A further aim was to estimate the C and N sequestration potential of the different designed green roofs in order to recommend the best substrate-plant combination in this regard. To achieve this main goal, four different experiments were conducted in relation to the specific objectives of this Thesis, which were: 1) to design and characterize different organic-inorganic mixtures as green roofs substrates; 2) to study the germination and growth capacity of several Mediterranean endemic species under controlled conditions; 3) to determine the response of the tested plant species in different substrate combinations under realistic semi-arid conditions; 4) To research the evolution of biochemical activities in the substrates studied under different plant covers; and 5) to propose the best plantsubstrate combination in terms of plant production and nutrient sequestration.