Search

The impacts of fragmentation and recreational use on the hemiboreal urban forest understorey vegetation and the microbial community of the humus layer (the phospholipid fatty acid (PLFA) pattern, microbial biomass and microbial activity, measured as basal respiration) were examined in the greater Helsinki area, southern Finland. Trampling tolerance of 1) herb-rich OMT, 2) mesic MT, and 3) sub-xeric VT forests (in decreasing order of fertility) was studied by comparing relative understorey vegetation cover (urban/untrampled reference ratio) of the three forest types. The trampling tolerance of forest vegetation increased with the productivity of the site (sub-xeric < mesic < herb-rich). Wear of understorey vegetation correlated positively with the number of residents (i.e., recreational pressure) around the forest patch. An increase of 15000 residents within a radius of 1 km around a forest patch was associated with ca. 30% decrease in the relative understorey vegetation cover. The cover of dwarf shrub Vaccinium myrtillus in particular decreased with increasing levels of wear. The cover of mosses in urban forests was less than half of that in untrampled reference areas. Cover of tree saplings, mainly Sorbus aucuparia, and some resilient herbs was higher than in the reference areas. In small urban forest fragments, broad-leaved trees, grasses and herbs were more abundant and mosses were scarcer than in larger urban forest areas. Thus, due to trampling and edge effects, resilient herb and grass species are replacing sensitive dwarf shrubs, mosses and lichens in urban forests. Differences in the soil microbial community structure were found between paths and untrampled areas and the effects of paths extended more than one meter from the paths. Paths supported approximately 25-30% higher microbial biomass with a transition zone of at least 1 m from the path edge. However, microbial activity per unit of biomass was lower on paths than in untrampled areas. Furthermore, microbial biomass and activity were 30-45% lower at the first 20 m into the forest fragments, due to low moisture content of humus near the edge. The decreased microbial activity detected at forest edges and paths implies decreased litter decomposition rates, and thus, a change in nutrient cycling. Changes in the decomposition and nutrient supply may in turn affect the diversity and function of plant communities in urban forests. Keywords: boreal forest vegetation, edge effects, phospholipid fatty acids, trampling, urban woodlands, wear Tässä tutkimuksessa selvitettiin virkistyskäytön ja pirstoutumisen vaikutuksia kaupunkimetsien aluskasvillisuuteen ja maaperän mikrobiyhteisöön pääkaupunkiseudulla. Lisäksi vertailtiin kolmen yleisimmän metsätyypin, puolukka- (VT), mustikka- (MT) ja käenkaali-mustikkatyypin (OMT), aluskasvillisuuden kulutuskestävyyttä. Työssä havaittiin, että kasvupaikan ravinteisuuden lisääntyessä myös kulutuskestävyys lisääntyi. Tutkituista metsätyypeistä herkin oli puolukkatyypin kuivahko kangas (VT) ja kestävin käenkaali-mustikkatyypin lehtomainen kangas (OMT). Aluskasvillisuus oli kuluneinta metsiköissä, joiden ympärillä asukasmäärä oli suurin. Kun asukasmäärä kilometrin säteellä metsiköstä kasvoi 15000 asukkaalla, aluskasvillisuuden suhteellinen peittävyys väheni noin 30%. Erityisesti mustikan peittävyys väheni kulutuksen lisääntyessä. Sammalten peittävyys kaupunkimetsissä oli vain alle puolet sammalten peittävyydestä tallaamattomilla vertailualueilla. Sitä vastoin puiden taimien, erityisesti pihlajan, sekä joidenkin kestävien ruohovartisten kasvien peittävyydet olivat kaupunkimetsissä suuremmat kuin vertailualueilla. Pienissä metsäpirstaleissa lehtipuut, heinät ja ruohot olivat runsaita ja sammalet vähäisiä. Lisääntyvä virkistyskäyttö ja pirstoutuminen muuttavat siis kaupunkimetsien kasvillisuutta lehtipuu, ruoho- ja heinävaltaisemmaksi sammalten ja varpujen kustannuksella. Tutkimuksessa havaittiin, että tallauksen aiheuttama kulutus muuttaa mikrobiyhteisön rakennetta paitsi poluilla myös polkujen ympäristössä. Vaikutus ulottui yli metrin päähän poluista. Mikrobibiomassa oli 25-30% suurempi poluilla kuin tallaamattomilla alueilla. Kuitenkin mikrobiaktiivisuus biomassayksikköä kohti oli alhaisempi poluilla kuin yli metrin etäisyydellä poluista. Metsien pirstoutumisen aiheuttama reunavaikutuksen kasvu vaikuttaa mikrobiyhteisöön osin saman suuntaisesti. Metsien reuna-alueet ovat paahteisempia, tuulisempia ja kuivempia kuin metsien sisäosat. Nämä reunavaikutukset aiheuttavat suoria muutoksia sekä kasvillisuudessa että maaperän mikrobistossa. Sekä mikrobibiomassa että -aktiivisuus olivat 30-45% alhaisempia metsien reunoissa kuin metsien sisäosissa, sillä noin kahdenkymmenen metrin levyisellä reunavyöhykkeellä maaperä oli liian kuivaa kosteutta vaativille mikrobeille. Alentunut mikrobiaktiivisuus poluilla ja metsien reunoissa voi hidastaa karikkeen hajoamista ja aiheuttaa muutoksia maaperän ravinnekierrossa. Tällöin kasvien ravinteiden saanti voi heikentyä. Kaupunkimetsien alkuperäisen kasvillisuuden säilymisen ja maaperän mikrobiston normaalin toiminnan kannalta on tärkeää säilyttää riittävän suuria yhtenäisiä metsäalueita kaupungeissa. Koon lisäksi metsän muoto on tärkeä, sillä alle 40 metriä leveät metsäsuikaleet ovat kokonaan muuttunutta reunavyöhykettä. Sen sijaan esimerkiksi pyöreän, kolmen hehtaarin kokoisen metsikön pinta-alasta vähintään neljännes on reunavaikutuksen tavoittamattomissa olevaa metsän sisäosaa. Virkistyskäyttöön tarkoitettujen kaupunkimetsien suunnittelussa tulisi ottaa huomioon metsien riittävä koko sekä niiden määrä suhteessa asukaslukuun. Kulun ohjaaminen hyvin suunnitellun polkuverkoston avulla on vättämätöntä kasvillisuudeltaan herkkien alueiden suojelemiseksi. Asiasanat: boreaalinen metsäkasvillisuus, kuluminen, reunavaikutus, taajamametsät, tallaus

Microbial activity in soils is the main source of nitrous oxide (N2O) to the atmosphere. Nitrous oxide is a strong greenhouse gas in the troposphere and participates in ozone destructive reactions in the stratosphere. The constant increase in the atmospheric concentration, as well as uncertainties in the known sources and sinks of N2O underline the need to better understand the processes and pathways of N2O in terrestrial ecosystems. This study aimed at quantifying N2O emissions from soils in northern Europe and at investigating the processes and pathways of N2O from agricultural and forest ecosystems. Emissions were measured in forest ecosystems, agricultural soils and a landfill, using the soil gradient, chamber and eddy covariance methods. Processes responsible for N2O production, and the pathways of N2O from the soil to the atmosphere, were studied in the laboratory and in the field. These ecosystems were chosen for their potential importance to the national and global budget of N2O. Laboratory experiments with boreal agricultural soils revealed that N2O production increases drastically with soil moisture content, and that the contribution of the nitrification and denitrification processes to N2O emissions depends on soil type. Laboratory study with beech (Fagus sylvatica) seedlings demonstrated that trees can serve as conduits for N2O from the soil to the atmosphere. If this mechanism is important in forest ecosystems, the current emission estimates from forest soils may underestimate the total N2O emissions from forest ecosystems. Further field and laboratory studies are needed to evaluate the importance of this mechanism in forest ecosystems. The emissions of N2O from northern forest ecosystems and a municipal landfill were highly variable in time and space. The emissions of N2O from boreal upland forest soil were among the smallest reported in the world. Despite the low emission rates, the soil gradient method revealed a clear seasonal variation in N2O production. The organic topsoil was responsible for most of the N2O production and consumption in this forest soil. Emissions from the municipal landfill were one to two orders of magnitude higher than those from agricultural soils, which are the most important source of N2O to the atmosphere. Due to their small areal coverage, landfills only contribute minimally to national N2O emissions in Finland. The eddy covariance technique was demonstrated to be useful for measuring ecosystem-scale emissions of N2O in forest and landfill ecosystems. Overall, more measurements and integration between different measurement techniques are needed to capture the large variability in N2O emissions from natural and managed northern ecosystems. Typpioksiduuli (N2O) eli ilokaasu on voimakas kasvihuonekaasu alailmakehässä ja osallistuu otsonia tuhoaviin reaktioihin yläilmakehässä. Ihmistoiminnan ansiosta typpioksiduulin pitoisuus alailmakehässä on jatkuvasti kohonnut. Maan mikrobitoiminta on merkittävin typpioksiduulin lähde ilmakehään, mutta maaperän prosessit typpioksiduulin lähteinä ja nieluina ja typpioksiduulin kuljetusmekanismit maasta ilmakehään tunnetaan huonosti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää N2O-päästöjä erilaisissa pohjoisen ilmastovyöhykkeen ympäristöissä, ja tutkia typpioksiduulin tuotto- ja kuljetusprosesseja. Typpioksiduulipäästöjä mitattiin maatalous- ja metsämailla sekä kaatopaikalla. Mittauspaikoiksi valittiin sellaisia ekosysteemejä, joiden arvioitiin olevan merkittäviä typpioksiduulin päästölähteitä, mutta joista oli olemassa vain vähän aikaisempaa mittaustietoa. Laboratoriokokeissa havaittiin, että maatalousmaiden typpioksiduulin tuotto lisääntyy radikaalisti maan kosteuden kasvaessa. Maan mikrobiologisten prosessien, nitrifikaation ja denitrifikaation, osuudet typpioksiduulin tuotossa olivat riippuvaisia maalajista. Tutkimuksen toisessa laboratoriokokeessa havaittiin, että puiden taimet pystyvät kuljettamaan maaperässä tuotettua typpioksiduulia ilmakehään. Nykyiset metsäekosysteemien päästöarviot perustuvat maaperän päästöjen mittaamiseen. Mikäli merkittävä osa maassa tuotetusta typpioksiduulista kulkeutuu ilmakehään puiden kautta, nykyiset arviot metsämaiden N2O-päästöistä voivat olla aliarvio todellisista metsikkötason päästöistä. Typpioksiduulipäästöt metsämailta ja kaatopaikalta olivat hyvin vaihtelevia ajan ja mittauspaikan suhteen. Boreaalisen vyöhykkeen kangasmetsän N2O-päästöt olivat erittäin pieniä ja ajoittain metsämaa toimi typpioksiduulin nieluna. Pääosa typpioksiduulin mikrobiologisesta tuotosta ja kulutuksesta tapahtui maan orgaanisessa pintakerroksessa. Kaatopaikkojen typpioksiduulipäästöt olivat yhdestä kahteen kertaluokkaa suuremmat kuin päästöt maatalousmailta, jotka ovat merkittävin typpioksiduulin päästölähde Suomessa. Kaatopaikkojen pienen pinta-alan vuoksi niiden merkitys Suomen kokonaispäästöihin on kuitenkin pieni. Tutkimus osoitti, että N2O-päästöt erilaisista ympäristöistä vaihtelevat huomattavasti ajan ja paikan suhteen. Päästöjen suuren vaihtelun vuoksi tarvitaan lisää päästömittauksia sekä päästövertailuja eri menetelmillä, jotta typpioksiduulin virrat maasta ilmakehään voidaan arvioida tarkemmin.

The increase in global temperature has been attributed to increased atmospheric concentrations of greenhouse gases (GHG), mainly that of CO2. The threat of severe and complex socio-economic and ecological implications of climate change have initiated an international process that aims to reduce emissions, to increase C sinks, and to protect existing C reservoirs. The famous Kyoto protocol is an offspring of this process. The Kyoto protocol and its accords state that signatory countries need to monitor their forest C pools, and to follow the guidelines set by the IPCC in the preparation, reporting and quality assessment of the C pool change estimates. The aims of this thesis were i) to estimate the changes in carbon stocks vegetation and soil in the forests in Finnish forests from 1922 to 2004, ii) to evaluate the applied methodology by using empirical data, iii) to assess the reliability of the estimates by means of uncertainty analysis, iv) to assess the effect of forest C sinks on the reliability of the entire national GHG inventory, and finally, v) to present an application of model-based stratification to a large-scale sampling design of soil C stock changes. The applied methodology builds on the forest inventory measured data (or modelled stand data), and uses statistical modelling to predict biomasses and litter productions, as well as a dynamic soil C model to predict the decomposition of litter. The mean vegetation C sink of Finnish forests from 1922 to 2004 was 3.3 Tg C a-1, and in soil was 0.7 Tg C a-1. Soil is slowly accumulating C as a consequence of increased growing stock and unsaturated soil C stocks in relation to current detritus input to soil that is higher than in the beginning of the period. Annual estimates of vegetation and soil C stock changes fluctuated considerably during the period, were frequently opposite (e.g. vegetation was a sink but soil was a source). The inclusion of vegetation sinks into the national GHG inventory of 2003 increased its uncertainty from between -4% and 9% to ± 19% (95% CI), and further inclusion of upland mineral soils increased it to ± 24%. The uncertainties of annual sinks can be reduced most efficiently by concentrating on the quality of the model input data. Despite the decreased precision of the national GHG inventory, the inclusion of uncertain sinks improves its accuracy due to the larger sectoral coverage of the inventory. If the national soil sink estimates were prepared by repeated soil sampling of model-stratified sample plots, the uncertainties would be accounted for in the stratum formation and sample allocation. Otherwise, the increases of sampling efficiency by stratification remain smaller. The highly variable and frequently opposite annual changes in ecosystem C pools imply the importance of full ecosystem C accounting. If forest C sink estimates will be used in practice average sink estimates seem a more reasonable basis than the annual estimates. This is due to the fact that annual forest sinks vary considerably and annual estimates are uncertain, and they have severe consequences for the reliability of the total national GHG balance. The estimation of average sinks should still be based on annual or even more frequent data due to the non-linear decomposition process that is influenced by the annual climate. The methodology used in this study to predict forest C sinks can be transferred to other countries with some modifications. The ultimate verification of sink estimates should be based on comparison to empirical data, in which case the model-based stratification presented in this study can serve to improve the efficiency of the sampling design. Metsien kasvillisuuden biomassa ja maaperä ovat merkittäviä hiilen varastoja. Ilmakehän hiilidioksidia sitoutuu metsiin hitaasti metsien kasvun myötä, mutta sitä voi vapautua ilmakehään nopeasti ja hyvinkin suuria määriä esimerkiksi ihmisen toiminnan tai ilmastonmuutoksen vaikutuksesta. Kioton sopimuksen allekirjoittaneet maat ovat velvollisia seuraamaan metsiensä hiilivarastoja ja arvioimaan niiden luotettavuutta. Väitöskirjassa arvioitiin Suomen metsien kasvillisuuden ja kangasmaiden maaperän hiilitasetta vuosina 1922 2004, sekä verrattiin menetelmän tuottamia ennusteita metsikkökohtaisiin mittauksiin maaperän hiilivarastoista. Väitöskirjassa tarkasteltiin Suomen metsien vuotuisten hiilivarastojen muutoksien (nielujen) luotettavuuksia, niihin vaikuttavia tekijöitä, sekä arvioitiin niiden epävarmuuksien merkitystä Suomen koko kasvihuonekaasutaseelle. Väitöskirjassa esitettiin myös laskentamenetelmän sovellus, jossa malliennusteita käytettiin hyväksi maaperän hiilivarastojen näytteenotannan tehostamisessa. Laskentamenetelmä käyttää lähtötietoinaan inventointitietoa metsistä (tai simuloitua metsikkötietoa), liittää sen tilastollisiin biomassa- ja karikemalleihin, sekä dynaamiseen maaperän karikkeen ja hiilen hajotusmalliin. Keskimääräinen vuotuinen hiilivaraston muutos Suomen metsien kasvillisuudessa vuosien 1922 2004 aikana oli 3.3 Tg C a-1, ja kangasmaiden maaperän hiilivarastossa 0.7 Tg C a-1. Suomen kasvillisuuden ja maaperän nielut olivat huomattavia verrattuina kasvihuonekaasujen päästöihin muilla sektoreilla. Metsien kasvillisuuden ja maaperän nielut vaihtelivat kuitenkin vuosittain hyvin paljon. Menetelmän ennusteet metsikkökohtaisista maaperän hiilivarastoista ja niiden pitkän ajan muutoksista olivat yhteneväisiä metsiköistä mitattuihin keskiarvoihin. Suomen metsien vuotuiset nielut olivat silti lähes kertaluokkaa epävarmempia kuin esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden poltosta johtuvat hiilidioksidipäästöt, ja ne heikensivät oleellisesti Suomen kasvihuonekaasutaseen luotettavuutta. Mikäli Suomen kangasmaiden maaperän nielua arvioitaisiin toistuvilla metsikkökohtaisilla mittauksilla maaperän hiilivarastoista, mallipohjaisella näytteenotannan osituksella voitaisiin saavuttaa kohtuullisia parannuksia näytteenotannan tehokkuudessa. Suomen metsien nieluja raportoitaessa ja käytettäessä on nykyisin perustellumpaa tukeutua keskiarvoihin, jotka on laskettu useampien vuosien nieluarvioista. Metsien vuotuisia nieluarvioita ja niiden luottamusrajoja voidaan tarkentaa tulevaisuudessa yhdistämällä useampia tietolähteitä ja malleja. Tarkempia vuotuisia ennusteita metsien hiilinieluista saatetaan tarvita esimerkiksi Kioton jälkeisillä raportointikausilla, sekä ilmastomallinnuksen tukena.