Recently, the design of new substrates capable of sustain an adequate plant
development in Green Roof systems under Mediterranean climatic conditions is a
challenge due to the unfavorable hot and dry conditions. The use of suitable lightweight
substrates which can promote an adequate plant growth and maintenance
over time is an important achievement as well as the plant species selection. The most
commonly used plants in Green Roof systems are the Crassulacean since they are
perfectly fitted to drought conditions. In this sense, the use of herbaceous and shrub
endemic Mediterranean species could provide an added value in green roof designing
under semi‐arid conditions. Therefore, we aim to evaluate the growth of two endemic
species (Silene vulgaris (Moench) Garcke and Lagurus ovatus L.) in two different
substrate types with two different depths. To be precise, one substrate was made of
a mixture of compost and crushed bricks (CB) (1:4; v:v), and the other one was made
of compost‐soil‐bricks (CSB) (1:1:3; v:v:v). Physichochemical, biochemical as well as
microbiological properties were evaluated in both substrates in order to study its
suitability as plant growth basis. The results showed that both substrates showed
adequate physichochemical properties to promote plant growth, but the CSB mixture
presented better biochemical and microbiological properties than CB, allowing a
suitable environment for microbial and plant development. Furthermore, both plant
species had higher coverage and grater SPAD values in CSB than in CB mixture, and
this growing was higher above deeper substrates (10 cm) than on 5 cm‐substrate
depth, being this parameter more significant for plant development than substrate
composition.The authors thank the INNPACTO project (IPT‐
2011‐1017‐310000) by funding from the
relevant trial

Martínez, J.J.

Moreno, J.L.

Ondoño Tovar, Sara

English

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena

III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  175 | 274   Composition and depth of Extensive Green Roof substrate affect the growth of two Mediterranean plant species under different irrigation conditions    S. Ondoño(1), J.J. Martínez (2), J.L. Moreno (2)  (1)  Grupo de Enzimología y Biorremediación de Suelos y Residuos Orgánicos. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS‐CSIC), Murcia. sotovar@cebas.csic.es (2)  Departamento de Producción Vegetal (ETSIA), Universidad Politécnica de Cartagena.    RESUMEN Recently,  the  design  of  new  substrates  capable  of  sustain  an  adequate  plant development  in Green Roof  systems under Mediterranean  climatic  conditions  is  a challenge due  to  the unfavorable hot and dry conditions. The use of suitable  light‐weight  substrates which  can promote an adequate plant growth and maintenance over time is an important achievement as well as the plant species selection. The most commonly used plants  in Green Roof  systems are  the Crassulacean  since  they are perfectly fitted to drought conditions. In this sense, the use of herbaceous and shrub endemic Mediterranean species could provide an added value in green roof designing under semi‐arid conditions. Therefore, we aim to evaluate the growth of two endemic species  (Silene  vulgaris  (Moench)  Garcke  and  Lagurus  ovatus  L.)  in  two  different substrate types with two different depths. To be precise, one substrate was made of a mixture of compost and crushed bricks (CB) (1:4; v:v), and the other one was made of compost‐soil‐bricks  (CSB)  (1:1:3; v:v:v). Physichochemical, biochemical as well as microbiological  properties were  evaluated  in  both  substrates  in  order  to  study  its suitability  as plant  growth basis.  The  results  showed  that both  substrates  showed adequate physichochemical properties to promote plant growth, but the CSB mixture presented  better  biochemical  and microbiological  properties  than  CB,  allowing  a suitable environment for microbial and plant development. Furthermore, both plant species had higher coverage and grater SPAD values  in CSB than  in CB mixture, and this  growing was higher  above deeper  substrates  (10  cm)  than on 5  cm‐substrate depth, being  this parameter more significant  for plant development  than substrate composition.     Keywords: Green roof; artificial substrates; irrigation; plant coverage; SPAD.    1. Introduction Extensive green  roofs are  light‐weight  systems with  minimal  substrate  depth  and  minimal maintenance  requirements  [1].  Green  roof substrates  should  be  light‐weight,  chemically inert, physically  stable, and  they  should  retain adequate  amounts  of water  and minerals  for sufficient plant growth [2]. The majority of green roof  substrates  tend  to  be  dominated  by mineral‐based  components  with  an  organic matter  that varies according  to  the green  roof type  [1].  Typically,  its  composition  is made  of 80%  to  100%  of  mineral  and  0%  to  20%  of organic matter, which contribute to water‐ and nutrient‐holding capacities [3].    Recently, the design of new substrates capable of  sustain  an  adequate  plant  development under  Mediterranean  climatic  conditions  is  a challenge due  to  the unfavorable hot  and dry semi‐arid  conditions.  Therefore,  the  use  of suitable  light‐weight  substrates  which  can promote  an  adequate  plant  growth  and maintenance  over  time  is  an  important achievement in the Mediterranean area as well as  plant  species  selection.  The  use  of herbaceous  and  shrub  endemic  plants  could provide an added value in green roof designing, taking  into  account  that  endemic  species  are also well adapted to these conditions.  On  the  other  hand,  irrigation  is  needed  in extensive  green  roofs  under  Mediterranean climate, but  the  amount  and  the  frequency  is related to plant species and substrate type and depth.  A  high  substrate  depth  would  be desirable  for  water  retention  in  a  dry  roof III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  176 | 274  management scenario, but on  the other hand, this  would  pose  the  risk  of  excessive  weight after heavy downpours [4]. Therefore, we have to  find  a  suitable  substrate‐depth  to  promote plant growth and, at the same time, to avoid an excessive substrate bulk. For  this proposal, we have  tested  two  different  materials  in  two different depths in order to find an appropriate substrate  for being used under Mediterranean climatic conditions. To be precise, one substrate was made of a mixture of compost and crushed bricks  (CB)  in  1:4  volumetric  proportions,  and the other one was made of compost‐soil‐bricks (CSB) (1:1:3; v:v:v). Both of them were prepared in two depths: 5 and 10 cm. We conducted an assay  at  field  level  to  evaluate  the  effect  of substrate  composition  and  depth  into  two Mediterranean  plant  species  under  irrigated (40% of ET0 values) and non‐irrigated regime. In this  sense, we postulated  that  in an extensive green‐roof experiment:  i) the mixture CSB may have  better  biochemical  and  microbiological properties to enhance plant growth than CB, ii) both plant species will have better development in  deeper  substrates  than  in  5  cm‐substrate depth,  iii) 40% of ET0  irrigation  conditions  can allow plant growth, but plants could not develop properly under non‐irrigated conditions.   2. Materials and Methods 2.1.  Substrates,  plant  species  and  irrigation conditions We  tested  two  different  substrates  in  two depths:  5  and  10  cm.  These  substrates  are compost mixed with crushed bricks (CB), in a 1:4 volumetric  ratio, and  compost mixed with  soil and  crushed  bricks  (CSB)  in  1:1:3  (v:v:v).  Two plant  species were  tested  in  these  substrates; Silene  vulgaris  (Moench)  Garcke,  and  Lagurus ovatus L. Seeds of both plant species were sown  in each substrate using a planting framework (5x5 cm). Each type of substrate was prepared in triplicate for each species and  for each substrate depth. For  this  proposal,  we  designed  six  stainless “cultivation tables” with dimensions of 3x1.5 m everyone. Each cultivation table was composed of eight units of planting, measuring 0.75 x 0.75 x 0.20 m, so there were 48 different units. Three of those cultivation tables were assigned to non‐irrigated  conditions  and  the  other  three were subjected  to  irrigation at 40% of  the potential evapotranspiration  (ET0) registered values. The essay was  conducted  in  an experimental  farm located in Santomera (Murcia) from November‐12 to July‐2013.   2.2. Substrate measurements Physichochemical  properties  (water  holding capacity,  wilting  point,  bulk  density,  porosity, organic  matter  content,  TC,  and  TN)  were measured in each substrate. Besides, analyses of principal  biochemical  and  microbiological properties were  carried out  (enzyme  activities related to C, N, and P cycles)  in order to study each substrate from an agronomic point of view initially and at the end of the trial.  2.3. Plant measurements Plant coverage was measured by digital  image analysis using a digital camera and the RSI ENVI 4.0 software to process the images. SPAD (soil‐plant  analysis  development)  index  was measured in both plant species to estimate the chlorophyll  state  during  the  growing  season (April‐May 2013). Finally, all plants were cut and dried to estimate the aboveground‐biomass dry weight of each species as well as the water‐use efficiency  (WUE)  by  each  unit.  Plant  samples were  pulverized  in  a  grinder,  and  then  the nutrient  content  was  also  measured  in  plant tissues.  2.4. Statistical analysis All the results are reported as means of triplicate analyses  (n=3).  The  ANOVA  for  repeated measures was carried out in order to determine the statistical significance of  the differences  in the  values  of  each  variable  between  the sampling  times  (intra‐subject).    Thereafter, Tukey´s  post‐hoc  test  was  performed  to determine  the  HSD  (honestly  significant differences) of the mean values of each variable between  substrate  type  and  depth  (inter‐subjects).  3. Results and Discussion 3.1. Substrate measurements CB  had  higher  porosity  and  less  density  than CSB, which are both good properties for green roof  substrate  designing  [5‐8],  while  CSB presented  greater  organic  matter  content  as well as higher water‐holding capacity  (Table 1) owing to organic matter can act as an adhesive between  soil  particles,  resulting  in  improved moisture‐holding  capabilities  [9].  All  these properties  are  of  paramount  importance  in plant growth.  An  enhancement  of  TC,  TOC,  and  TN  was observed in all substrates for both plant species regarding to the start of the trial, and between irrigated  and  non‐irrigated  conditions, especially  in  CSB  substrates,  being  this enhancement  more  significant  with  substrate III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  177 | 274  type than with substrate depth. The amount of humic  substances  also  increased  in  CSB,  and especially to the depth of 10 cm, whereas in CB5 the amount of fulvic acids significantly (p<0.05) decreased with time. These C and N trends can affect the enzyme activity in each substrate. β‐GLA  and  URA  are  extracellular  hydrolase enzymes which are  involved  in C and N cycles, respectively,  and  are  related with  the  organic matter decomposition pathways. Both activities increased with the experimental time, and were promoted  in CSB mixture as well as  in deeper substrates.  3.2. Plant measurements Plant coverage was significantly higher (p<0.05) in deeper  substrates, above all  in CSB mixture for  both  species,  being  this  coverage significantly  higher  for  L.  ovatus  than  for  S. vulgaris (Fig. 1).  Chlorophyll content (SPAD index) was greater in S.  vulgaris  than  in  L.  ovatus  for  all  substrates tested (Fig. 2) due to the first one is a perennial specie  which  remains  green  throughout  the year,  and  the  other  one  is  an  annual  specie which withers  to  the  arrival  of  summer.  Both species  showed  higher  SPAD  values  in  deeper substrates than in 5 cm‐substrate depth. Other authors  [10]  also  obtained  the  same  results; significantly  higher  SPAD  values  in  deeper profiles.  The  aboveground  biomass  measured  in  each unit also  followed this tendency; the substrate depth is more influential than the substrate type in  plant  growth,  being  the  most  important indicator of plant successful  in green roofs  [5]. WUE  was  also  significantly  higher  in  deeper substrates  than  in  shallower  ones  (Table  2), being higher  in CSB10  substrate  than  in CB10, and was significantly greater for L. ovatus than for S. vulgaris for every substrate.  In general, some authors [11, 12] have found the substrate depth as a most  influential  factor on plant physiology than the substrate type when grown on green roof systems.   4. Conclusions It has been shown that the soil made substrate (CSB)  better  promote  the  enzymatic  activity than  CB  mixture,  being  these  effects  more pronounced with  the  substrate  depth.  In  CSB mixtures  there were a great enzymatic activity related  to  C,  and  N  cycles,  which  increased throughout  the  experiment.  These characteristics  lead  to  an  adequate  plant development  in  these  substrates  for  both Mediterranean species. Regarding  to plant  growth  and production we assess  that  the  substrate  depth  is  a  more influential  factor  than  the  substrate  type, although  CSB10  mixture  is  the  most  suitable combination  from  every  point  of  view.  Both plant species had an appropriate development under  irrigation  conditions  (40%  of  ET0),  but none could grow without water supplies.    5. Acknowledgments The authors  thank  the  INNPACTO project  (IPT‐2011‐1017‐310000)  by  funding  from  the relevant trial.   6. References [1]Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung  Landschaftsbau  e.V. (FLL).  2008.  Richtlinien  für  die  Planung, Ausführung und Pflege von Dachbegrünungen. Richtlinien für Dachbegrünungen (Guideline for the planning,  execution  and  upkeep  of  green‐roof sites). Selbstverlag, Troisdorf. [2]  Kotsiris,  G.,  P.A.  Nektarios,  and  A.T. Paraskevopoulou. 2012. Lavandula angustifolia growth and physiology  is affected by substrate type  and  depth  when  grown  under Mediterranean  semi‐intensive  green  roof conditions. HortScience 47, 311‐317. [3] Beattie, D.J. and R.D. Berghage. 2004. Green roof media  characteristics:  The basics, p. 411‐416. In: Proc. of 2nd North American Green Roof Conference: Greening Rooftops for Sustainable Communities, Portland, OR, 2 – 4 June 2004. The Cardinal Group, Toronto, Canada.  [4]  Benvenuti,  S.  and  D.  Bacci.  2010.  Initial agronomic  performances  of  Mediterranean xerophytes in simulated dry green roofs. Urban Ecosyst. 13:349‐363.  [5] Molineux, C.J., Fentiman, C.H., Gange, A.C., 2009. Characterising alternative recycled waste materials for use as green roof growing media in the UK. Ecol. Eng. 35, 1507‐1513. [6]  Steila,  D.  and  T.E.  Pond.  1989.  The Geography of Soils: Formation, Distribution, and Management,  second  ed.  Rowman  and Littlefield Publishers. [7] Dunnett, N. and N. Kingsbury. 2010. Planting green  roofs  and  living  walls.  2nd  Ed.  Timber Press, Cambridge, UK.   [8] Friedrich, C.R., 2005. Principles for selecting the proper components for a green roof growing media, p. 262‐273. Proc. 3rd North Amer. Green Roof Conf.: Greening Rooftops  for  Sustainable Communities, Washington, D.C. 4 – 6 May 2005. Cardinal Group, Toronto. III Workshop en Investigación Agroalimentaria – WiA3.14. Cartagena, 12‐13 de mayo de 2014 P á g i n a  178 | 274  [9] Alexander, R. 1996. Field guide to compost use. Composting Council, Alexandria, VA. [10] Nektarios, P.A., I. Amountzias, I. Kokkinou, N. Ntoulas. 2011. Green roof substrate type and depth  affect  the  growth  of  the  native  species Dianthus  fruticosus  under  reduced  irrigation regimens. HortScience 46, 1208‐1216. [11] Thuring, C.E., R.D. Berghage, and D.J. Bettie. 2010. Green  roof  plant  responses  to  different substrate  types  and  depths  under  variuos drought  conditions.  HortTechnology  20:395‐401. [12] Durhman, A.K., D.B. Rowe, and C.L. Rugh. 2007. Effect of substrate depth on initial growth, coverage,  and  survival  of  25  succulent  green roof plant taxa. HortScience 42:588‐595.    Tables and Figures   Table 1. Main physichochemical characteristics of two substrates tested. Values in brackets represent standard deviations.    Table 2. Plant characteristics and nutrient concentrations in plant tissues measured for each specie grown in each substrate after harvest. For each variable, same letters means that there are not significant statistical differences (p<0.05) between substrates and between values according to Tukey‐b test.       Figure 1. Plant coverage measured by digital image analysis. Results are expressed in percentaje of the total sampling area for each sampling time. The asterisk denotes significant differences at p<0.05 level regarding the first sampling time and substrates followed by the same letter do not present significant differences (p<0,05) between them according to Tukey‐b test. Error bars represent standard error.        Figure 2. Plant chlorophyll content (SPAD) measured in irrigated units. The asterisk denotes significant differences at p<0.05 level regarding the first sampling time and substrates followed by the same letter do not present significant differences between them according to Tukey‐b test. Error bars represent standard error.    

Composition and depth of Extensive Green Roof substrate affect the growth of two Mediterranean plant species under different irrigation conditions

https://repositorio.upct.es/bitstream/10317/10854/1/42-cde.pdf

Composition and depth of Extensive Green Roof substrate affect the growth of two Mediterranean plant species under different irrigation conditions

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena