Использование зеленых крыш и городского ландшафта для фильтрации и удаления природных питательных веществ

Городские районы сталкиваются с растущими проблемами загрязнения воды, вызванными избытком питательных веществ, таких как азот и фосфор. Эти загрязнители часто происходят из стока, содержащего удобрения, сточные воды и другие отходы. Для борьбы с этим города обращаются к устойчивым решениям, таким как зеленые крыши и городской ландшафт, чтобы естественным образом фильтровать и удалять эти питательные вещества из ливневой воды. Этот подход, часть более широкого движения, известного как зеленая инфраструктура, предлагает экономически эффективный, экологически безопасный метод для улучшения качества воды при одновременном повышении городской пригодности. Поскольку города продолжают расти, интеграция растительности в построенную среду больше не просто эстетический выбор, но необходимость устойчивого управления водными ресурсами.

Что такое зеленые крыши и городской ландшафт?

Зеленые крыши, также называемые живыми крышами или экокрышами, представляют собой растительные системы, установленные на крышах зданий. Они состоят из нескольких слоев: водонепроницаемой мембраны, корневого барьера, дренажного слоя, фильтрующей ткани, растущей среды (почвы или подложки) и самой растительности. В зависимости от глубины растущей среды зеленые крыши классифицируются как обширные (мелкие почвы, растения с низким содержанием, такие как седум) или интенсивные (более глубокие почвы, поддерживающие кустарники и мелкие деревья). Оба типа обеспечивают удержание ливневых вод и фильтрацию питательных веществ, хотя интенсивные крыши предлагают большую емкость из-за более глубоких подложек.

Городское озеленение в этом контексте относится к стратегической посадке деревьев, кустарников, трав и травянистых растений в парках, вдоль улиц, в дождевых садах и в других общественных или частных открытых пространствах.Это включает системы биоудержания, биосвалы и фильтровальные полосы растительного происхождения, предназначенные специально для захвата и обработки стока.В отличие от декоративного озеленения, городское озеленение для фильтрации питательных веществ отдает приоритет местным, глубоко укоренившимся видам, которые процветают с минимальным вводом удобрений и обладают высокой эффективностью поглощения питательных веществ.

Вместе зеленые крыши и городское озеленение создают сеть растительной поверхности, которая перехватывает осадки, медленный сток и позволяет воде просачиваться через почву и корни растений. Этот процесс имитирует естественный гидрологический цикл в непроницаемых городских средах, уменьшая объем и загрязняющую нагрузку ливневых вод, которые достигают принимающих вод.

Механизмы фильтрации питательных веществ

Эффективность зеленых крыш и городского озеленения в удалении азота и фосфора зависит от нескольких взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов.

Поглощение растений

Растительность поглощает растворенные питательные вещества, в первую очередь азот (в виде нитрата и аммония) и фосфор (в виде фосфата), из почвенного раствора или непосредственно из стока воды. Эти питательные вещества включаются в растительные ткани — листья, стебли и корни — тем самым удаляя их из водного цикла до тех пор, пока растение не умрет и не разложится. Многолетние растения с большой биомассой и глубокими корневыми системами особенно эффективны, потому что они продолжают секвестрировать питательные вещества из года в год, сохраняя их в древесных тканях или накапливая их в подземных резервах. Коренные виды, адаптированные к местным условиям, обычно не требуют дополнительного оплодотворения, что делает их идеальными для зеленой инфраструктуры.

Микробная трансформация

Почвенные микробы осуществляют критические питательные превращения. Бактерии превращают аммоний в нитрат (нитрификацию) и затем уменьшают нитрат до инертного азотного газа (денитрификацию), который высвобождается безвредно в атмосферу. Этот процесс денитрификации навсегда выводит азот из экосистемы. Циклирование фосфора более сложно; микробы обездвиживают фосфор в органические формы, снижая его подвижность. Микороризальные грибы, связанные с корнями растений, усиливают поглощение фосфора, еще больше ограничивая его экспорт в стоке. Присутствие органического вещества в растущей среде поддерживает разнообразное микробное сообщество, которое управляет этими реакциями.

Физико-химическое удержание почвы

Частицы почвы, особенно глина и органические вещества, адсорбируют растворенный фосфор и аммоний посредством электростатического притяжения и катионного обмена. Фосфор также может осаждаться в виде нерастворимых фосфатов кальция или железа при определенных условиях рН. Эти механизмы удержания временно хранят питательные вещества, замедляя их высвобождение и позволяя больше времени для поглощения растениями и микробами. Процесс фильтрации также захватывает связанные с частицами питательные вещества - те, которые прикреплены к осадку или органическим частицам - когда вода просачивается через субстрат. Хорошо спроектированные растущие среды с адекватными мелкими и органическими веществами оптимизируют как адсорбцию, так и дренаж.

Ключевые преимущества зеленой крыши и городского ландшафта для управления питательными веществами

Сокращение погрузки питательных веществ Stormwater

Полевые исследования последовательно показывают, что зеленые крыши могут снизить концентрацию азота и фосфора во стоке на 50-90% в зависимости от дизайна, видов растений и климата. Городские особенности озеленения, такие как дождевые сады, достигают аналогичных или лучших показателей. Например, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) задокументировало, что системы биоудержания удаляют 40-80% общего фосфора и до 90% общего азота в городском стоке. Это сокращение напрямую борется с эвтрофикацией - переобогащением водоемов, что приводит к цветению водорослей, гибели рыб и мертвым зонам.

Во многих старых городах были объединены канализационные системы, которые несут как ливневые, так и санитарные сточные воды. Во время сильных дождей эти системы переполняются, выгружая неочищенные сточные воды, содержащие высокие питательные нагрузки в реки и озера. Сохраняя ливневые воды на месте, зеленые крыши и озеленение уменьшают объем входа в канализационные системы, уменьшая частоту и величину комбинированных канализационных переполнений (CSO). EPA отмечает, что зеленая инфраструктура является экономически эффективной стратегией контроля CSO, особенно при интеграции в долгосрочные планы управления влажной погодой.

Смягчение последствий на острове тепла

Растительность охлаждает окружающую среду за счет испарения и обеспечения тени. Зеленые крыши могут снизить температуру поверхности крыши на 30–40 ° F (15–20 ° C) по сравнению с обычными темными крышами, снижая потребность в энергии здания и улучшая тепловой комфорт на открытом воздухе. Этот охлаждающий эффект также снижает скорость испарения из почв и замедляет окисление органического вещества, сохраняя способность удерживать питательные вещества.

Биоразнообразие и создание среды обитания

Зеленые крыши и хорошо продуманный городской ландшафт создают участки среды обитания насекомых, птиц и других диких животных в иных негостеприимных построенных ландшафтах. Коренные цветущие растения привлекают опылителей, а разнообразные растительные сообщества поддерживают паутину полезных организмов. Сам субстрат становится микрорайоном для беспозвоночных почв. Со временем эти зеленые насаждения могут функционировать как ступеньки, соединяя фрагментированные природные территории в городской матрице.

Улучшение качества воздуха

Растения поглощают газообразные загрязнители, такие как диоксид азота и диоксид серы и секвестр диоксида углерода. Твердые частицы оседают на листовых поверхностях, смываясь в почву, где они могут быть обездвижены или преобразованы. В то время как прямой вклад в удаление питательных веществ является вторичным, чистый воздух уменьшает количество сухого осаждения азота на непроницаемые поверхности, которые в противном случае смывались бы в стоки.

Соображения по реализации для максимального удаления питательных веществ

Растущий средний дизайн

Субстрат является наиболее важным компонентом для фильтрации питательных веществ. Он должен сбалансировать способность удержания воды с быстрым дренажем для предотвращения образования прудов, а также обеспечить достаточную способность обмена катионами и органическое вещество. Типичные зеленые среды крыши состоят из 60-80% легких агрегатов (например, сланца, глины или сланца) и 20-40% органического вещества (компост, торф или кир). Для городского озеленения используются инженерные почвы с высокими показателями инфильтрации. Поправки с биоугольом - стабильной формой древесного угля - как было показано, усиливают фосфорную сорбцию и микробную активность, предлагая дополнительные преимущества удержания питательных веществ.

Выбор растений

Предпочтение следует отдавать местным, глубоко укоренившимся вечнозеленым многолетникам, которые имеют высокие показатели поглощения питательных веществ и не требуют удобрений. Для обширных зеленых крыш распространены засухоустойчивые суккуленты, такие как Sedum , но они имеют ограниченную способность поглощения питательных веществ в сухие периоды. Включение трав, форбов и даже небольших кустарников (на интенсивных крышах) значительно улучшает круглогодичное удаление питательных веществ. В районах биоудержания растения, такие как мутная трава Panicum virgatum , радужная оболочка радужной оболочки глаза Iris versicolor и красное озировочное древесина , превосходят поглощающие питательные вещества. Разнообразное сообщество растений гарантирует, что некоторые виды активно растут и поглощают питательные вещества