Vegetated roofs as habitats for arthropods in urban areas

Abstract

Urbanisation drives drastic changes in land cover and land use with multiple environmental impacts. A compact city structure, e.g., helps to reduce energy consumption and fossil fuel emissions. Yet, the increase in urbanized land cover has become a major cause of habitat loss and fragmentation – factors that are rated among the greatest threats to the variety of life on earth. Thus, there is an urgent call to search for tools that mitigate and, eventually, halt the decline of wildlife and plants with urbanization.

In this thesis, I study vegetated roofs as tools for arthropod conservation in urban environments. Vegetated roofs, also known as green roofs, are purposely covered with substrate or soil and plants. They avert a multitude of environmental problems caused by the replacement of natural habitats with anthropogenic land use. They can be used, e.g., for stormwater retention and carbon sequestration. In addition, they turn building tops into habitat for plants and mobile animals. Thus, they are assumed to mitigate the loss of habitat and biodiversity due to urban development, but knowledge from vegetated roofs as habitat patches has not been sufficient to evaluate this assumption.

I use arthropod data from vegetated roofs with low-growing, drought tolerant vegetation dominated either by forbs and/or grasses or succulents and mosses. I describe arthropod assemblages (beetles in Chapter I and multi taxa assemblages in Chapters II & III) using taxonomic and trait data and apply island biogeography theory and community ecology as frameworks to study the effects of biophysical roof characteristics, roof age and the landscape on arthropod abundance, richness and community composition.

I found vegetated roofs to host arthropods with active and passive aerial dispersal strategies and either tolerating a wide range of habitats or associated with dry habitats. Most species were common generalists, but a few rare and endangered species also occurred on roofs. In addition, I found indication that vegetated roofs may sometimes serve as platforms for introductions of exotic arthropod species. Both local roof characteristics and the landscape shaped arthropod community composition on vegetated roofs.

Roof characteristics, particularly vegetation, but also roof height and age, shaped arthropod abundance with taxon-specific effects. Most taxa responded positively to forb cover or to a combined cover of forbs and grasses, and some phytophagous groups were rare on roofs that had vegetation consisting almost exclusively of succulents and mosses. The vertical isolation of roof habitats is an effective filter that excludes less mobile species, but species that were able to colonize the roofs responded even positively to roof height, possibly because of decreased competition and/or predation. Roof age had a variable effect on arthropod abundance and richness, which are likely connected to variation in the vegetation and changes in biotic interactions.

In this thesis, I have shown that urban vegetated roofs with shallow substrate benefit native arthropods associated with dry habitats and open vegetation, but do not automatically provide high biodiversity values and may sometimes serve as agents for exotic species. The ecological value of roofs can be improved by designing them from a habitat provision perspective and as part of the habitat network existing at ground level. My results point to the benefits of planting roofs with diverse vegetation instead of using only a few succulent species, when designing vegetated roofs to support a rich arthropod fauna.

Kaupungistuminen muokkaa voimakkaasti maisemaa ja maankäyttöä. Ilmiön ympäristövaikutukset ovat monitahoisia. Tiiviis kaupunkirakenne voi mm. auttaa pienentämään energian kulutusta ja vähentämään kasvihuonekaasujen päästöjä. Kaupunkialueiden kasvu ja tiivistäminen kuitenkin aiheuttavat elinympäristöjen häviämistä ja pirstoutumista, jotka ovat tärkeimpiä syitä hälyttävää vauhtia etenevään luonnon monimuotoisuuden hupenemiseen. Tarvitsemme pikaisesti työkaluja, joiden avulla kaupunkien kasvusta johtuvaa elinympäristökatoa saadaan hillittyä – ja lopulta katkaistua yhteys kaupungistumisen ja luonnon monimuotoisuuden köyhtymisen väliltä.

Tässä väitöskirjassa tutkin kasvikattojen muodostamien elinympäristöjen merkitystä niveljalkaisille kaupungeissa. Kasvikatot ovat kattoja, joille on tarkoituksella tuotu kasvualustaa ja kasveja. Kasvikatot muuttavat rakennusten katot elinympäristöiksi joukolle kasveja ja eläimiä. Ne saattavat näin lieventää kaupungistumisesta johtuvaa elinympäristökatoa, mutta tutkimustieto kasvikattojen roolista elinympäristölaikkuina on ollut puutteellista tämän oletuksen arvioimiseksi.

Työssäni keskityn kattoihin, joiden kasvillisuus on kuivuutta kestävää ja koostuu erilaisista yhdistelmistä ruohovartisia kasveja, heiniä, mehikasveja (maksaruohoja) ja sammalia. Tutkin kattojen korkeuden, koon, iän ja kasvillisuuden sekä kattoa ympäröivän maiseman rakenteen vaikutusta niveljalkaisten yksilö- ja lajimääriin sekä yhteisön koostumukseen.

Osoitan, että kaupunkien ohutkasvualustaiset kasvikatot hyödyttävät lentokykyisiä ja muilla tavoin ilmateitse leviäviä niveljalkaisia, jotka ovat joko sopeutuneet kuiviin elinympäristöihin tai pärjäävät monenlaisissa ympäristöissä. Katoilta löytämäni lajit olivat lähinnä yleisiä ja runsaslukuisia, ravinnonkäytöltään joustavia generalisteja, mutta joukossa oli myös erikoistuneita herbivoreja ja joitakin harvinaisia lajeja. Useimmat niveljalkaislajit ja -ryhmät runsastuvat ruohovartisten kasvien tai ruohojen ja heinien peittävyyden kasvaessa, ja jotkin ryhmät puuttuvat lähes täysin katoilta, joiden kasvillisuus koostuu maksaruohoista ja sammalista. Tulosten mukaan kaupunkien kasvikattojen niveljalkaislajisto ei ole automaattisesti monimuotoista, ja löysin myös viitteitä siitä, että kasvikatot saattavat joskus tarjota elinympäristöjä ja leviämisväyliä vieraslajeille. Kasvikattojen ekologista arvoa voidaan kuitenkin parantaa suunnittelemalla katot siten, että niillä on monimuotoinen kasvillisuus ja ne kytkeytyvät maanpinnan olemassa olevaan elinympäristöverkostoon.

Väitöskirjani tulokset auttavat suunnittelemaan kasvikattoja, jotka tukevat niveljalkaisten monimuotoisuutta. Työni myös nostaa esiin kysymyksiä kattolajiston ajallisista, kasvillisuuden kehittymiseen kytkeytyvistä muutoksista, lajien välisten vuorovaikutusten roolista kattoyhteisöissä ja katon koon merkityksestä niveljalkaisyhteisöjen vakaudelle.