Зеленый оазис или источник CO2? Ученые ЮФУ выяснили, как климат меняет работу крыш будущего

Фото: пресс-служба ЮФУ

Что общего у крыши дома и городского парка? На первый взгляд — ничего. Но если на крыше появляются растения, она начинает охлаждать здание, удерживать дождевую воду и создавать среду для живых организмов.

Ученые Южного федерального университета совместно с коллегами из Москвы и Екатеринбурга выяснили, что одной зелени недостаточно. Чтобы крыша действительно работала на благо города, важно учитывать климат, состав грунта и даже особенности региона.

В условиях стремительной урбанизации города продолжают терять естественные зеленые территории. Поэтому все больше внимания уделяется природно-ориентированным решениям, способным сделать городскую среду более устойчивой. Одним из таких решений считаются зеленые крыши.

По словам профессора кафедры ботаники АБиМ ЮФУ Сергея Горбова, сегодня зеленые крыши рассматриваются уже не как декоративный элемент архитектуры, а как важная часть современной городской инфраструктуры.

«Зелёные крыши считаются важным элементом современной городской инфраструктуры, поскольку они способствуют повышению экологической устойчивости городов. В настоящее время зелёные крыши рассматриваются не просто как декоративный элемент, а как одно из ключевых природно-ориентированных решений для городской зелёной инфраструктуры», — отметил Сергей Горбов.

Такие конструкции помогают решать сразу несколько городских проблем. Они удерживают значительную часть атмосферных осадков, снижая нагрузку на ливневую канализацию. Растительный покров и субстрат уменьшают нагрев кровли и здания, ослабляя эффект городского острова тепла и могут способствовать снижению затрат энергии на охлаждение помещений в летний период. Кроме того, зеленые крыши создают дополнительные места обитания для растений и животных, поддерживая городское биоразнообразие, улучшают микроклимат и делают город более комфортным для жизни.

Однако влияние зеленых крыш на углеродный баланс до сих пор оставалось предметом научных дискуссий. Принято считать, что растения поглощают углекислый газ во время фотосинтеза, а значит, любые озелененные крыши автоматически помогают бороться с изменением климата. У ученых возникла возможность проверить данное утверждение, потому что проверка именно углеродного баланса — это вторичная задача эксперимента.

Исследование проводилось сразу в трех городах России — Екатеринбурге, Москве и Ростове-на-Дону. Они расположены в разных климатических зонах и существенно отличаются температурным режимом и количеством осадков. Это позволило оценить, как одни и те же конструкции работают в различных природных условиях и насколько климат влияет на их экологические функции.

Чтобы результаты можно было объективно сравнить, во всех трех городах использовали одинаковую схему эксперимента. На крышах оборудовали опытные участки с двумя типами субстрата — универсальным и местным, разработанным с учетом особенностей конкретного региона. Кроме того, сравнивали два варианта мощности субстрата — 15 и 25 сантиметров. На экспериментальных участках выращивали очитки (прим. род суккулентных растений семейства Толстянковые) и местные травянистые растения. Всего в каждом городе было создано 18 экспериментальных площадок.

На протяжении первого сезона после строительства исследователи дважды в месяц измеряли выбросы углекислого газа с помощью динамических закрытых камер. Одновременно непрерывно регистрировались температура и влажность субстрата, что позволило проследить влияние погодных условий на работу зеленых крыш.

Полученные результаты показали, что средние выбросы углекислого газа заметно различались между городами. Наименьшие значения были зафиксированы в Екатеринбурге, тогда как в Москве и Ростове-на-Дону они оказались примерно в два раза выше.

При этом ученые обнаружили, что причины различий зависят от региона. В Екатеринбурге и Москве сезонная динамика выбросов определялась главным образом температурой воздуха и субстрата. В Ростове-на-Дону решающим фактором оказалась влажность субстрата, что подчеркивает особую роль водного режима для южных регионов.

Не менее интересными оказались результаты сравнения разных типов субстрата. Универсальный субстрат представляет собой специально разработанную смесь органических и минеральных компонентов, которую можно использовать в различных климатических условиях. Он обеспечивает хорошую влагоемкость, воздухопроницаемость и содержит достаточное количество питательных веществ для растений. Местный субстрат, напротив, создается с учетом природных особенностей конкретного региона и включает материалы, доступные на данной территории. Его состав максимально адаптирован к местному климату и региональным видам растений.

Исследование показало, что именно тип субстрата стал одним из главных факторов, определяющих углеродный баланс зеленых крыш. Универсальные субстраты, содержащие больше компоста, обеспечивали более интенсивный рост растений, однако одновременно выделяли значительно больше углекислого газа, чем местные. В результате увеличение растительной биомассы не компенсировало дополнительные выбросы. При этом видовое разнообразие растений практически не влияли на уровень выбросов углекислого газа, в отличии от состава субстрата.

В течение первого вегетационного сезона все экспериментальные участки оказались чистыми источниками углерода: количество выделяемого CO? превышало объем углерода, который растения успевали накопить в надземной биомассе.

Однако, как подчеркивает Сергей Горбов, это вовсе не означает, что зеленые крыши бесполезны для борьбы с изменением климата:

«Для объективной оценки вклада зелёных крыш в снижение выбросов углекислого газа необходимо учитывать не только способность растений связывать углерод, но и углеродный след на всех этапах их строительства и эксплуатации. Кроме того, необходимо принимать во внимание, что основная экологическая ценность зелёных крыш заключается не столько в поглощении углекислого газа, сколько в регулировании микроклимата, снижении температуры в городе, удержании дождевой воды и повышении биоразнообразия».

По словам ученого, нельзя выделить какой-то один фактор, который определяет эффективность зеленой крыши.

«Климат определяет температурный режим и количество осадков, состав субстрата влияет на удержание влаги и обеспечивает растения элементами питания, а растения, в свою очередь, делают возможным выполнение основных экологических функций зелёной крыши. При правильном подборе растений и субстрата с учетом климатических особенностей региона зелёная крыша сможет наиболее эффективно выполнять свои экосистемные функции», –– рассказал Сергей Горбов.

Полученные результаты показывают, что универсальных решений для всей страны не существует. Конструкция, хорошо работающая в одном регионе, может оказаться менее эффективной в другом. Поэтому уже на этапе проектирования необходимо учитывать климатические особенности территории, подбирать адаптированные местные растения, использовать экологичные материалы, рассчитывать водный режим субстрата, создавать условия для формирования биоразнообразия, правильно определять глубину субстрата и минимизировать потребность конструкции в дальнейшем обслуживании.

Эксперимент рассчитан на три года, поэтому делать окончательные выводы о различиях между регионами пока рано. В ближайшие годы ученые планируют оценить, как изменяются свойства субстрата, развивается растительность, насколько устойчивы различные виды к засухе и высоким температурам, а также как меняется эффективность зеленых крыш по мере их эксплуатации.

По словам Сергея Горбова, полученные данные помогут архитекторам выбирать наиболее подходящие конструкции зеленых крыш, виды растений и параметры субстрата с учетом климатических условий региона. Строители смогут использовать результаты исследования при подборе материалов и технологических решений, а городские власти — при разработке программ озеленения, адаптации городов к изменению климата и снижению негативных последствий урбанизации.

В перспективе это позволит рассматривать зеленые крыши не только как архитектурный элемент, а как научно-обоснованный инструмент формирования более устойчивой и комфортной городской среды.

Южный федеральный университет выступает ключевым партнером Российского университета дружбы народов им. П. Лумумбы (РУДН) на Юге России в направлении создания сети экспериментальных стационаров по изучению зеленых крыш в разных регионах страны (Работа выполняется при поддержке проекта РНФ 24-17-00134 «Оценка и моделирование потоков углерода, воды и тепла в экосистеме зеленых крыш: сравнение трех климатических зон», руководитель – профессор Аграрно-технологического института РУДН Вячеслав Васенев).

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Soils and Sediments.

Кроме того, часть исследований являются компонентом масштабного научного проекта Южного федерального университета, который являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех ключевых стратегических технологических проектов вуза: «Технологии биоинженерии почв», «Технологии многофункциональной микроэлектроники и интеллектуальной сенсорики для биогибридных и киберфизических систем» и «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство».