Search

Arctic sea-ice cover is decreasing at an alarming rate with severe consequences for ecosystems across the Arctic and the climate system globally. The changes observed in the ice cover amplify global climate warming by decreasing the ice-albedo effect and may alter ocean circulation and weather patterns. The loss of sea ice is likely to increase primary production in the Arctic, leading to drastic changes in marine food webs and biodiversity at all trophic levels. For over four decades, satellite imagery has provided high-resolution spatial and temporal understanding of changing Arctic sea-ice cover. However, the paucity of any human observations of Arctic sea ice beyond a few centuries limits our understanding of the current trajectory and its implications for ecosystems and the global climate. Marine sediments provide a natural archive of past sea-ice variability over timescales from centuries to millions of years. Commonly used sedimentary sea-ice proxies are biogenic: (sub)fossil remains and biogeochemical tracers originating from micro-organisms inhabiting sea ice (sympagic), or ice-associated under-ice and ice-edge ecosystems. State-of-the-art sea-ice reconstructions typically use diatoms, resting stages (cysts) of dinoflagellates and the highly branched isoprenoid (HBI) lipids IP25, IPSO25, HBI III and HBI IV, which are synthetized by certain diatom species. Current understanding of the associations of these proxies with sea ice is largely based on their relative abundances in surface sediment assemblages with respect to sea-ice cover, as well as limited ecological field and laboratory studies. Each of these proxies has some advantages over others, but there are important limitations to consider, largely stemming from the lack of adequate understanding of their behaviour in modern environments seasonally with respect to habitat source (sea-ice, under-ice, ice-edge or open-water) and factors controlling proxy production, vertical transport and deposition on the sediment. While certain diatom species are known to inhabit the sea-ice matrix, these species are rarely observed in sediment archives. In contrast, dinoflagellate cysts are preserved exceptionally well in the sediment, but observations of key sea-ice proxy species from modern habitats are rare. Furthermore, the motile stage forms for the dinoflagellate cyst species routinely used as sea-ice proxies are in many cases unknown or only recently discovered, which is why ecological knowledge of these species is very limited. The sea-ice source specificity for IP25 and IPSO25 is well established, but the diatom species producing specific HBIs need further work, particularly for HBI III and HBI IV, which are generally used as proxies for ice-edge or open-water production. Furthermore, the environmental regulators of HBI production are still incompletely understood. Very little is also known of the seasonal dynamics of proxy production with respect to sea-ice cover, especially at Arctic coastal sites. This thesis aims to fill some of the knowledge gaps in sea-ice proxy understanding by examining the seasonality of proxy production, their habitat (ice, under-ice, ice-edge, open-water) sources and vertical export to the sediment, as well as taxonomic relationships of Arctic dinoflagellate cysts. This was achieved by investigating 1) diatom species assemblages and vertical fluxes over a full annual production cycle using automatically sequencing sediment traps at two sites in Greenland with differing ice regimes (high-Arctic Young Sound and sub-Arctic Godthåbsfjord), 2) seasonal changes, habitat sources and vertical transport of diatom, dinoflagellate cyst and HBI assemblages during spring and summer from sea-ice, water-column, sediment-trap and surface-sediment samples from a Hudson Bay Archipelago and 3) taxonomic relationships (single-cell LSU rDNA) of spiny brown dinoflagellate cyst sea-ice proxies with unknown motile affinities from Disko Bay area, Greenland. The results provide novel evidence of the seasonality and habitat sources of the three proxies and offer insights into their association with sea ice in different geographical settings. The results support state-of-the-art interpretations of diatoms associated with under-ice or ice-edge blooms, namely Fragilariopsis oceanica, Fragilariopsis reginae-jahniae and Fossulaphycus arcticus, as reliable indicators for seasonal sea-ice conditions when sympagic diatom species are not detected in the sediment archives and provide important new insights into their seasonal and source dynamics. Fragilariopsis oceanica, Fragilariopsis reginae-jahniae and Fossulaphycus arcticus were highly abundant in both Young Sound and the Hudson Bay Archipelago, the two sites experiencing seasonal sea ice. The species showed clearly seasonal bloom windows associated with spring ice break-up both in Young Sound and the Hudson Bay archipelago. Although sympagic diatoms were abundant in some of the sediment-trap assemblages, their signal in the surface-sediment assemblages was diluted by the significant summer open-water bloom in the Hudson Bay archipelago. Despite this, the under-ice and ice-edge species F. oceanica, F. reginae-jahniae and F. arcticus nevertheless formed a significant portion of the surface sediment assemblage. While these species were also present in minute abundances in ice-free Godthåbsfjord, their presence was linked with drifting ice from a nearby area. Importantly, grazing and dissolution appear to have a marked effect on diatom fluxes to the sediment, likely controlled by differences in the water-column depth between the sites and possibly varying grazing rates. Thus, comparing species fluxes from sites with different water depths should be treated with caution, since it may significantly affect the species composition. Here, the sympagic diatom communities were highly diverse, but species composition was largely decoupled from that of the water column, in particularly in sediment traps and surface sediment. Unlike diatoms that were abundant in sea-ice, water-column and sediment-trap samples throughout the spring melting season, dinoflagellate cysts were absent. One cyst of Islandinium minutum subsp. minutum and one of Echinidinium karaense, both routinely used for sea-ice reconstruction, were detected in the sediment trap after the ice break-up, while the surface sediment assemblage displayed a typical sub-Arctic composition (11% contribution by the two species). This indicates that key dinoflagellate cyst proxies for sea ice are not unequivocally associated with the sea-ice environment, but are likely produced later in the season, and their use as sea-ice proxies should be carefully considered for each research site and question. The most common HBI in the spring sea-ice samples was surprisingly HBI IV, which also exhibited trends in concentrations similar of those of the diatom Pleurosigma rhomboides, a known IP25 producer. IP25 was the second most abundant HBI in the sea ice and predominated in the sediment-trap samples towards the ice break-up. It was also the most abundant HBI in the surface sediment. While two IP25-producing diatom species were detected (P. rhomboides and Haslea kjelmannii), all HBIs were found in all sample types. This suggests that further research is needed to identify not only the potential diatom source species, but also to understand the environmental factors affecting the physiological responses to lipid synthetization, since this study implies seasonal trends in the production of HBI IV and IP25, in particular. Furthermore, the use of HBI IV as a proxy for ice-edge or open-water conditions also needs re-evaluation. This study revealed a previously undiscovered complexity in taxonomic relationships with the spiny brown dinoflagellate cysts routinely used as sea-ice proxies. Single-cell LSU rDNA and phylogenetic analyses revealed that the dinoflagellate cyst species Protoperidinium tricingulatum, previously reported only from temperate areas and bearing conspicuous morphological similarity to common sea-ice proxy species Islandinium? cezare (morphotype 1, Head et al. 2001), was present in Disko Bay sediment. Morphological variation of P. tricingulatum and I.? cezare (morphotype 1) specimens was also described from standard microscopic slides from the same material. This raises questions whether I.? cezare morphotype 1 is indeed P. tricingulatum or whether these species co-exist in the Arctic. Past sea-ice records are of high relevance to climate science and society. This work addresses the critical need for better understanding of the sea-ice proxies routinely used to produce these records. While the results provide enhanced understanding for the use of biogenic sea-ice proxies generally, they also highlight the importance of understanding the site-specific differences affecting the proxies. Importantly, this work also raises questions that need to be resolved by future studies. Arktisen merijääpeitteen nopea väheneminen vaikuttaa voimakkaasti arktisen alueen ekosysteemeihin, ravintoketjuihin ja monimuotoisuuteen, mutta samanaikaisesti myös maailmanlaajuisiin ilmasto-olosuhteisiin. Satelliittihavaintoihin perustuvat aikasarjat merijään muutoksista kattavat vain muutaman vuosikymmenen, vaikkakin muutoksia on tärkeää tutkia erityisesti pidemmällä aikavälillä. Tutkimuksessa voidaan hyödyntää luonnonarkistoja, kuten merenpohjan sedimenttikerrostumia, joihin tallentuu tietoa menneistä olosuhteista jopa miljoonien vuosien aikajänteellä. Sedimenttiin tallentuneista eloperäisistä (sub)fossiilisista ja biogeokemiallisista mikro-organismien jäänteistä käytetään nimitystä paleoekologinen merijääproksi. Näihin lukeutuvat muun muassa piilevät, panssarisiimalevien lepoitiöt ja korkeasti haarautuneet isoprenoidilipidit (HBI), joita tietyt piilevälajit tuottavat. Nämä proksityypit ovat yleisiä sedimentin pinnalla alueilla, joilla merijäätä esiintyy. Sen sijaan proksien esiintymisestä merijäässä ja merijääympäristöissä eri vuodenaikoina, niiden kulkeutumisesta merenpohjaan sekä yhteydestä ekologisiin tekijöihin ja tunnettuihin nykyorganismeihin, on rajallinen määrä tietoa. Tämän työn tarkoitus on lisätä tietämystä arktisista merijääprokseista tutkimalla lajiston vuodenaikaista tuotantoa, elinympäristöä ja kulkeutumista merijäästä merenpohjan sedimenttiin, sekä tutkimalla keskeisten arktisten panssarisiimalevien lepoitiöiden välisiä taksonomisia suhteita. Näihin asioihin vastataan tarkastelemalla 1) piileväyhteisöjen lajikoostumusta ja niiden vertikaalista kulkeutumista vesipatsaassa yhden vuoden kierron ajalta 2) piilevien, panssarisiimalevien lepoitiöiden ja HBI-lipidien vuodenaikaista vaihtelua eri elinympäristöissä sekä niiden vertikaalista kulkeutumista merenpohjaan ja 3) panssarisiimalevien lepoitiöiden välisiä taksonomisia suhteita käyttäen LSU rDNA -menetelmää. Tutkimuskohteet sijaitsivat Kanadan ja Grönlannin rannikkoalueilla. Tämän työn tulokset antavat uutta tietoa lajien tuotannon vuodenaikaisesta vaihtelusta ja lähteistä, sekä niiden suhteesta merijäähän erilaisissa maantieteellisissä kohteissa. Tulokset tukevat aiempia havaintoja tiettyjen merijääympäristöissä esiintyvien piilevälajien soveltuvuudesta menneiden merijääolosuhteiden rekonstruointiin. Tulokset osoittavat, että monet jäässä elävät piilevälajit eivät joko säily sedimenteissä tai niiden tuotannon vähäisen määrän vuoksi niiden esiintyvyys on verrattain heikko kevätkukkijoihin nähden. Jääpeiteajan pituus ja jään sulamisen ajoitus vaikuttavat piileväkukintoihin vahvasti, ja kukinto voi olosuhteista riippuen olla erittäin lyhytaikainen, mutta voimakas. Sen sijaan panssarisiimalevien itiöitä ei löytynyt merijäästä lainkaan, vaikka niitä esiintyy runsaasti pintasedimentissä. Tämän vuoksi niiden käyttöä merijääproksina tulee harkita tutkimuskysymys- ja aluekohtaisesti. Vaikka kullekin HBI-lipidille on todistetusti osoitettu useampia tuottajalajeja, tulokset osoittavat, että tuottajia saattaa olla tiedettyä enemmän. Tulokset painottavat, että olisi tärkeää tarkentaa eri HBI-lipidien käyttöä merijää- tai avovesi-indikaattoreina. Lisäksi DNA-tutkimukset osoittivat, että panssarisiimalevien lepoitiöiden väliset taksonomiset suhteet ovat monimutkaisempia kuin on aiemmin ymmärretty, ja lisää tietoa tarvitaan, paitsi lajien välisistä suhteista, mutta myös niiden yhteydestä merijäähän. Menneiden merijääolosuhteiden rekonstruktiot tuottavat sekä ilmastotieteelle että yhteiskunnalle merkittävää tietoa. Tässä työssä vastattiin akuuttiin tarpeeseen ymmärtää tavanomaisissa merijäärekonstruktioissa käytettyjä paleoekologisia menetelmiä paremmin. Tutkimustulokset helpottavat eloperäisten merijääproksien sedimentissä esiintymisen tulkintaa arktisella alueella, mutta myös korostavat tarvetta ymmärtää tutkimusalueiden välisiä eroja.

Verkkoversio: Helsingin yliopisto, 2023 Esseemuotoinen tutkielma on intellektuaalinen omaelämäkerta, elämänvaiheet taustakuvana. Teos koostuu kahdesta yhteen liittyvästä aihepiiristä ja osiosta: Ensimmäinen, Ympäristöestetiikan tulevaisuus, kuvaa nykymuotoisen ympäristöestetiikan muotoutumista, menetelmiä, ohjelmia ja kohteita sekä suhteita ympäristötieteisiin ja ympäristönmuutosten aiheuttamiin paineisiin. Mihin jo avatut polut tieteenalan johtavat, millaisia uusia avauksia on odotettavissa? Toinen, Esteettinen ympäristösivistys, käsittelee manifestin luonteisesti yksilön ja yhteiskunnan pyrkimystä hyvään elämään. Tavoitteeksi asettuu globaali, planetaarinen esteettinen sivistys. Puolikkaat yhdistämällä hahmottuu ympäristöestetiikan suuri kuva ja tiekartta. Tutkielma on ajatuskulkujen jäsentämistä ja tiivistämistä mutta myös tarkistamista ja uudistamista spiraalimaista kehää nousten. Näin kirjoittaja on uudelleenlukemassa ja päällekirjoittamassa tuotantoaan, tähtäimessä omapohjainen ja näkemyksellinen synteesi.

Highlights • Analysis of the science-law relationship as an interdisciplinary exchange of problems. • The problem-feeding model of interdisciplinarity is used in this analysis. • Highlight mismatches in expectations between actors. • Differing concepts of uncertainty and understandings of values-science central. Legal decision-making often relies on scientific knowledge and information of other kinds, not least in environmental law where legal institutions use environmental modeling to, for example, project expected effects of projects when approving or denying permits. In this paper, using use the problem-feeding model of interdisciplinarity, we analyze this relationship as an exchange of problems and solutions between different communities of expertise. Drawing on recent examples from Finland, we use the problem-feeding model to explore the conditions under which problem-solution coordination breaks down. We argue that tensions between the notions of uncertainty used by the different communities of expertise can lead to differing understandings of the way the relationship between legal institutions and scientific experts works, and that this may disrupt the orderly exchange of problems and solutions. We illustrate our views in a fictional discussion between a lawyer and a modeler.

The high-latitudes are warming at more than twice the rate of the global average. Warming and the consequent changes in hydrology affect peatland functioning, especially through changes in vegetation and carbon dynamics. The majority of the world’s peatlands are found in the Northern Hemisphere, forming a globally significant carbon storage and they are in constant interaction with the atmosphere through carbon uptake and release. The global importance of peatlands is widely recognised; however, the role played by high-latitude peatlands in changing climates is still unclear. It is not thoroughly understood how warmer future climates and hydrological changes will affect peatland vegetation and carbon processes. These uncertainties result from the complexity of peatlands and from the manifold future trajectories that are affected by different forcing factors from climate to local conditions. In this dissertation, I aim to increase our knowledge of high-latitude peatland vegetation and carbon dynamics under changing climatic conditions. My approach is palaeoecological, because I use peat records as an archive to reconstruct the response of high-latitude peatlands to known changes in climate. Peatlands function as important archives, since under anoxic and acidic conditions, peat-forming plant remains are well preserved. By identifying these plant remains, we can reconstruct past vegetation compositions. The various peat-forming plants have their own ecological niche, since they prefer and require specific hydrological or nutritional conditions and thus are good indicators for past hydrological changes and conditions. For this dissertation, I collected, in total, 47 peat records from eastern Canada, northern Sweden and Finland, the Kola Peninsula and the northeast of European Russia. I investigated how peatland habitats, carbon accumulation and cycling of our study sites have changed in response to changes in climate. For this, I used plant macrofossils, peat geochemical measurements and dating methods. In addition, I statistically inspected the change in vegetation compositions over time and used a model of carbon accumulation that considered peat decay aspects to determine whether carbon accumulation has been higher or lower than what we would otherwise predict, based on carbon accumulation models. My results show that during recent centuries, the vegetation compositions of the microhabitats examined have mostly changed from typical wet sedge fen vegetation to Sphagnum moss-dominated intermediate surfaces and dry moss- and dwarf shrub-dominated surfaces. During recent decades, these vegetation compositions have remained rather stable, with no major changes in vegetation. However, the spatiotemporal variation within and between the study sites was prominent, and thus to detect any large-scale signals from the data it was essential to use multiple samples and sampling points. Based on my data, it was plausible to consider that if high-latitude peatland vegetation changes from sedge fen vegetation to more hummocky vegetation types, high-latitude peatland carbon accumulation and sink capacity may remain significant or even increase. To better predict the role of peatlands under changing climates, it is crucial that peatland vegetation responses, carbon dynamics and their linkages with climate are more thoroughly understood. My data also support the prevailing understanding that peatlands are important carbon sinks and storages and thus preserving ecosystems that form a nature-based solution to the problem of mitigating the effects of climate warming is highly important. Pohjoinen pallonpuolisko lämpenee yli kaksi kertaa nopeammin kuin maapallo keskimäärin. Lämpeneminen ja sen aiheuttamat muutokset hydrologisessa kierrossa vaikuttavat soiden toimintaan, etenkin kasvillisuuteen ja hiilen kiertoon. Suurin osa maapallon soista sijaitsee pohjoisilla alueilla ja ne ovat maailmanlaajuisesti merkittävin hiilen varasto ja jatkuvasti vuorovaikutuksessa ilmakehän kanssa hiilen sitoutumisen ja vapautumisen kautta. Soiden maailmanlaajuinen merkitys on laajalti tunnustettu, mutta on kuitenkin edelleen epäselvää, mikä niiden rooli on muuttuvassa ilmastossa ja miten lämpeneminen muuttaa kasvillisuutta ja hiilen kiertoa. Syynä tähän on suoekosysteemien monimutkaiset ja toisiinsa liittyvät yhteydet, jotka ohjaavat niiden toimintaa, ilmastosta paikallisiin olosuhteisiin. Tässä työssä pyrin lisäämään tietoa pohjoisten soiden kasvillisuuden ja hiilen kierron vasteesta muuttuviin ilmasto-olosuhteisiin. Lähestymistapani on paleoekologinen eli käytän turvekerrostumia arkistona, jonka pohjalta pyrin rekonstruoimaan ja ymmärtämään soiden vastetta muuttuviin ilmasto-oloihin menemällä ajassa taaksepäin. Suot ovat tunnustetusti hyviä ja tärkeitä arkistoja, sillä hapettomissa, happamissa olosuhteissa esimerkiksi turvetta muodostavien kasvien jäänteet säilyvät hyvin. Tunnistamalla nämä kasvien jäänteet saamme käsityksen suolla aiemmin vallinneesta kasviyhteisöstä. Eri suokasveilla on oma ekolokeronsa eli ne suosivat ja vaativat tietynlaisia kosteus- tai ravinteisuusoloja ja siksi ne toimivat hyvinä indikaattoreina kosteusolojen muutoksista. Olemme keränneet yhteensä 47 turvenäytettä Itä-Kanadasta, Ruotsin ja Suomen pohjoisosista, Kuolan niemimaalta sekä Euroopan puolisen Venäjän koillisosasta tätä väitöskirjaa varten. Väitöskirjassani selvitin miten tutkimusalueiden soiden kasvillisuus, hiilen kertyminen ja kierto ovat muuttuneet ajassa ja linkitin nämä muutokset tunnettuihin muutoksiin ilmastossa. Tätä varten tutkin turpeen kasvimakrofossiileja, geokemiallisia ominaisuuksia sekä ajoitin turvekerroksia. Lisäksi tarkastelin tilastollisesti kasviyhteisöjen muutosta ajassa ja mallinsin hiilen kertymistä turpeen maatumisprosessi huomioiden, jotta saimme käsityksen siitä vaikuttaako hiilen kertyminen olleen suurempaa vai pienempää kuin mallien perusteella voisi olettaa. Aineistoni osoittaa, että viimeisten satojen vuosien aikana lähes poikkeuksetta soiden pienmuotojen kasvillisuus on muuttunut pohjoisten soiden tyypillisestä märästä saravaltaisesta kasvillisuudesta kohti rahkasammalvaltaista välipintojen ja kuivien pintojen sammaleista ja varpuista kasvillisuutta. Viime vuosikymmenien aikana näytekohtiemme kasvillisuudessa ei ole tapahtunut suuria muutoksia. Kasvillisuuden muutos heijastuu myös hiilen kertymiseen, joka osoittaa ensin pienenevää signaalia, mutta suurenee ilmaston lämmetessä pienen jääkauden jälkeen. Näytekohtainen ja soiden sisäinen vaihtelu kasvillisuuden ja hiilen kertymisen osalta on kuitenkin huomattavaa ja siksi tarvitsemme paljon näytteitä laajempien maantieteellisten signaalien havaitsemiseksi ja todentamiseksi. Tuloksieni perusteella on mahdollista, että kasvillisuuden muuttuessa kosteasta saravaltaisesta kohti kuivempaa mätäshabitaattia, pohjoisten soiden hiilen varastokapasiteetti voi jopa kasvaa tai ainakin pysyä merkittävänä. Kasvillisuuden ja hiilen kierron muutoksien parempi ymmärtäminen on tärkeää, jotta voimme luoda parempia ennusteita soiden roolista ja tulevaisuudesta ilmaston muuttuessa. Tutkimukseni myös tukevat vallitsevaa ajatusta siitä, että suot ovat merkittävä hiilen varasto ja sitä kautta, niiden säilyttäminen on merkittävä luontopohjainen keino hidastaa ilmaston lämpenemistä.

Building trust in science and evidence-based decision-making depends heavily on the credibility of studies and their findings. Researchers employ many different study designs that vary in their risk of bias to evaluate the true effect of interventions or impacts. Here, we empirically quantify, on a large scale, the prevalence of different study designs and the magnitude of bias in their estimates. Randomised designs and controlled observational designs with pre-intervention sampling were used by just 23% of intervention studies in biodiversity conservation, and 36% of intervention studies in social science. We demonstrate, through pairwise within-study comparisons across 49 environmental datasets, that these types of designs usually give less biased estimates than simpler observational designs. We propose a model-based approach to combine study estimates that may suffer from different levels of study design bias, discuss the implications for evidence synthesis, and how to facilitate the use of more credible study designs., Randomised controlled experiments are the gold standard for scientific inference, but environmental and social scientists often rely on different study designs. Here the authors analyse the use of six common study designs in the fields of biodiversity conservation and social intervention, and quantify the biases in their estimates.

Despite the development of advanced process-based methods for estimating the discharge capacity of vegetated river channels, most of the practical one-dimensional modeling is based on a relatively simple divided channel method (DCM) with the Manning flow resistance formula. This study is motivated by the need to improve the reliability of modeling in practical applications while acknowledging the limitations on the availability of data on vegetation properties and related parameters required by the process-based methods. We investigate whether the advanced methods can be applied to modeling of vegetated compound channels by identifying the missing characteristics as parameters through the formulation of an inverse problem. Six models of channel discharge capacity are compared in respect of their uncertainty using a probabilistic approach. The model with the lowest estimated uncertainty in explaining differences between computed and observed values is considered the most favorable. Calculations were performed for flume and field settings varying in floodplain vegetation submergence, density, and flexibility, and in hydraulic conditions. The output uncertainty, estimated on the basis of a Bayes approach, was analyzed for a varying number of observation points, demonstrating the significance of the parameter equifinality. The results showed that very reliable predictions with low uncertainties can be obtained for process-based methods with a large number of parameters. The equifinality affects the parameter identification but not the uncertainty of a model. The best performance for sparse, emergent, rigid vegetation was obtained with the Mertens method and for dense, flexible vegetation with a simplified two-layer method, while a generalized two-layer model with a description of the plant flexibility was the most universally applicable to different vegetative conditions. In many cases, the Manning-based DCM performed satisfactorily but could not be reliably extrapolated to higher flows.

This is the peer reviewed version of the following article: "Circumpolar patterns of Arctic freshwater fish biodiversity: A baseline for monitoring", which has been published in final form at https://doi.org/10.1111/fwb.13405. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Use of Self-Archived Versions Climate change, biological invasions, and anthropogenic disturbance pose a threat to the biodiversity and function of Arctic freshwater ecosystems. Understanding potential changes in fish species distribution and richness is necessary, given the great importance of fish to the function of freshwater ecosystems and as a resource to humans. However, information gaps limit large‐scale studies and our ability to determine patterns and trends in space and time. This study takes the first step in determining circumpolar patterns of fish species richness and composition, which provides a baseline to improve both monitoring and conservation of Arctic freshwater biodiversity. Information on species presence/absence was gathered from the Circumpolar Biodiversity Monitoring Program's Freshwater Database and used to examine patterns of freshwater fish γ‐, α‐, and β‐diversity across 234° of longitude in the Arctic. The metrics of diversity provided information on species richness and composition across hydrobasins, ecoregions, and Arctic zones. Circumpolar patterns of fish species biodiversity varied with latitude, isolation, and coarse ecoregion characteristics; patterns were consistent with historic and contemporary barriers to colonisation and environmental characteristics. Gamma‐diversity was lower in the high Arctic compared to lower latitude zones, but α‐diversity did not decrease with increasing latitude below 71°N, reflecting glacial history. Alpha‐diversity was reduced to a single species, Arctic charr Salvelinus alpinus, in ecoregions above 71°N, where γ‐diversity was the lowest. Beta‐diversity indicated little variation in the composition and richness of species across the High Arctic; at lower latitudes, ecoregions contained more species, although species composition turned over across large spatial extents. In an analysis of five ecoregions in the circumpolar Arctic, physical isolation, and ecoregion area and topography were identified as strong drivers of γ‐, α‐, and β‐diversity. Physical isolation reduced the γ‐ and α‐diversity, and changes in β‐diversity between adjacent locations were due mainly to losses in species richness, rather than due to differences in species composition. Heterogeneity of habitats, environmental gradients, and geographic distance probably contributed to patterns of fish dissimilarity within and across ecoregions. This study presents the first analysis of large‐scale patterns of freshwater fish biodiversity in the circumpolar Arctic. However, information gaps in space, time, and among taxonomic groups remain. Future inclusion of extensive archive and new data will allow future studies to test for changes and drivers of the observed patterns of biodiversity. This is important given the potential impacts of ongoing and accelerating climate change, land use, and biotic exchange on Arctic fish biodiversity.

The risk of a large- scale oil spill remains significant as international maritime operations continue to grow globally. Oil spill risks can be considered as complex socio-ecological risks characterized by high levels of uncertainty and ambiguity, i.e. different understandings and perceptions of risks, and societal values. As a result, assessing and managing oil spill risks is challenging. As with other socio-ecological risks, science and scientific knowledge plays an invaluable role in the governance of oil spill risks. However, the role of natural sciences and technical expertise in risk governance is increasingly scrutinized; quantitative risk models and assessments alone are no longer seen as sufficient in addressing the highly value-laden nature of risks. Rather, the emphasis has shifted towards collaborative and participatory approaches that are considered to better account for the complex nature of many of the socio-ecological risks associated with global environmental change. By focusing on oil spill risks, this dissertation contributes to existing social-scientific research on marine risk governance and explores how to govern complex and contested socio-ecological risks. The main aim of this thesis is to explore how oil spill risks are rendered “manageable” by reducing the complexity associated with the risks, i.e. how risk governance is performed through governmentalities. By governmentalities, I refer to the ways risks are framed and constructed through the three inter-related processes of problematizations (the framing of risks), rationalities (discourses that support the adopted frame), and technologies (e.g. models that help to operationalize the adopted frame). The thesis also analyzes how the current governance approach could be improved by supporting new ways of producing knowledge to inform transformations in policy and practice. Therefore, the three sub-questions of the dissertation investigate 1) the problematizations and rationalities that determine and shape oil spill risk governance processes, 2) how scientific knowledge, more precisely, risk models, are used to assess and manage risks, and 3) the potential of Bayesian network (BN) models to act as boundary objects, i.e. objects that support collaborative knowledge production and turn knowledge into action. The study examines these issues with the help of a literature review on Bayesian network (BN) models for oil spill risk assessment (Article I) as well as two case studies (Articles II and III). In Article II, I used influence diagrams based on Bayesian graphical (causal) logic to explore how different stakeholders frame oil spill risks associated with offshore oil exploration and exploitation in the Norwegian Barents Sea. Article III analyzes the potential of risk models to act as boundary objects in governing oil spill risks from shipping in the Gulf of Finland (GoF), the Baltic Sea. The thesis provides insight into how oil spill risks are framed in a very constricted manner by the responsible authorities and institutions and alternative framings of risks are not explored or considered valid. Further, the governance processes are still largely based on techno-scientific knowledge where new knowledge from different scientific disciplines and from outside academia is not integrated into decision-making processes. The study suggests that the reliance on technical knowledge has led to pre-determined solutions where the root causes of risks, such as the expansion of industrial activities in highly ecologically and/or culturally sensitive areas, are not considered as problematic. Rather, risks are merely seen as results of, for example, poor management, lack of appropriate technology, and/ or insufficient scientific knowledge. Finally, the dissertation indicates the need for new, flexible marine risk governance approaches and tools that encourage deliberation and dialogue around competing goals, facilitate collaboration and co-production of knowledge, as well as promote social learning in innovative ways. Kasvava kansainvälinen merenkulku sekä öljynetsintä ja poraustoiminta lisäävät vakavan öljyonnettomuuden riskiä merialueilla. Öljyonnettomuusriskit ovat yhteiskunnan ja ympäristön monimutkaisten vuorovaikutussuhteiden synnyttämiä sosio-ekologisia riskejä, joihin liittyy epävarmuuksia sekä toisistaan poikkeavia käsityksiä ja tulkintoja. Tämän monimutkaisuuden vuoksi öljyonnettomuusriskien arvioiminen ja hallinta on haastavaa. Samoin kuin sosio-ekologisten riskien kohdalla yleisesti, myös öljyonnettomuusriskien hallinnassa tieteellä on merkittävä rooli. Luonnon- ja insinööritieteiden merkitystä on kuitenkin enenevässä määrin kyseenalaistettu riskien arvioinnissa; kvantitatiivisia riskiarvioita ei enää pidetä riittävinä monimutkaisten riskien arvioinnissa ja hallinnassa. Kvantitatiivisten riskiarvioiden rinnalle onkin ehdotettu eri sidosryhmiä (eri alojen asiantuntijat, päättäjät, elinkeinonharjoittajat, kansalaisjärjestöt, jne.) osallistavaa ja yhteistyöhön perustuvaa tiedontuottamista, jonka nähdään huomioivan paremmin globaalien ympäristömuutosten aiheuttamien sosio-ekologisten riskien erityispiirteet. Öljyonnettomuusriskejä tarkasteleva väitöskirjani edistää jo olemassa olevaa merellisen ympäristön riskienhallintaan liittyvää yhteiskuntatieteellistä tutkimusta. Tutkin, miten monimutkaisia ja kiistanalaisia sosio-ekologisia riskejä tulisi arvioida ja hallita. Tarkastelen erityisesti, miten öljyonnettomuusriskejä nykyisin hallitaan sivuuttamalla niihin liittyvää epävarmuutta ja rajoittamalla toisistaan poikkeavia käsityksiä ja tulkintoja (ns. riskikehyksiä) riskeistä. Analysoin riskienhallintaa hallintamentaliteetin (eng. governmentality) käsitteen avulla. Hallintamentaliteetti kuvaa sitä, miten riskit kehystetään ja muotoillaan kolmen toisiinsa lomittuvan prosessin, rajaamisen (miten riskit kehystetään), rationalisoinnin (riskikehystä tukeva kielenkäyttö) ja teknologian kehittämisen (riskikehystä tukevat käytännöt ja teknologiat) kautta. Tutkimuksessani analysoin myös, miten nykyistä riskienhallintaa voisi kehittää tukemalla tiedon yhteistuottamista, joka ohjaisi nykyistä tehokkaammin kestävien ratkaisujen edistämistä päätöksenteon ja käytännön tasolla. Työni siis tutkii 1) miten öljyonnettomuusriskejä rajataan ja kehystetään nykyisissä riskienhallintaprosesseissa, 2) miten tietoa, erityisesti tieteellisiä malleja, käytetään riskien arvioinnissa ja hallinnassa, ja 3) miten todennäköisyysmallit voisivat toimia rajakohteena (engl. boundary object), eli tieteen ja politiikan rajat ylittävänä työkaluna eri osapuolten yhteistyölle ja tiedon yhteistuottamiselle. Väitöskirjani koostuu kolmesta julkaistusta artikkelista ja niiden yhteenvedosta. Artikkeli I on kirjallisuuskatsaus, joka kuvaa, miten todennäköisyysmalleja on hyödynnetty öljyonnettomuusriskien arvioinnissa. Artikkelissa II sovelsin laadullisia kausaalilogiikkaan (syy-seuraus) pohjautuvia ajatusmalleja tarkastellakseni erilaisia riskikehyksiä liittyen öljynetsintään ja -poraukseen Norjan Barentsinmerellä. Artikkelissa III tutkin öljyntorjuntaan ja onnettomuuksiin varautumiseen kehitettyjen mallien soveltuvuutta merenkulkuun liittyvien öljyonnettomuusriskien hallinnassa Itäisellä Suomenlahdella. Tutkimukseni osoittaa, miten öljyonnettomuusriskit hahmotetaan ja määritellään usein erittäin kapeasta näkökulmasta, eikä eri osapuolille mahdollisia ja merkityksellisiä riskikehyksiä pidetä huomionarvoisina tai perusteltuina. Osoitan myös, miten nykyiset riskienhallintaprosessit perustuvat pitkälti luonnon- ja insinööritieteisiin perustuviin tutkimuksiin, eikä tiedon eri muotoja tai tieteidenvälistä tietoa integroida päätöksentekoprosesseihin. Tutkimuksessani väitän, että vain tekniseen tietoon nojautuminen johtaa ennalta päätettyjen hallintakeinojen soveltamiseen ja riskien kasvun syinä pidetään lähinnä epätehokasta hallintotapaa tai sopivan teknologian ja/tai tutkimustiedon puutetta. Sen sijaan riskien alkusyitä, mm. kaupallisen toiminnan kasvua ja laajentumista ekologisesti ja/tai kulttuurisesti herkille alueille, ei käsitellä tai pidetä ongelmallisena. Tutkimuksessani osoitan, että tarvitsemme pikaisesti uusia käytäntöjä ja työkaluja, jotka tukevat sekä tiedon yhteistuottamista että sosiaalista oppimista merellisten riskien arvioimisessa ja hallinnassa.

Conservation and sustainable use of biodiversity, ecosystems and their services are key principles behind the establishment of “Biosphere Reserves”. Mapping of ecosystem services is one of the activities that is expected to increase the knowledge of sustainable land use planning. The Biosphere Reserves, established by the UNESCO Man and Biosphere Programme, aims to find the balance between nature conservation, use of natural resources, recreation and other culture-related activities. For this purpose, the ecosystem services approach is a promising tool for examining the relationships between people and nature in practice. This study applies the ecosystem services approach and examines which ecosystem services are perceived to be relevant in the North Karelia Biosphere Reserve in Eastern Finland. The results of a matrix method, with expert-based approach, showed that particularly old-growth forests and undrained open and forested mires have a broader potential to provide different ecosystem services. Water and urban areas are considered important for cultural services. However, these areas cover only a relatively small area altogether. The results of the ecosystem services assessment were compared to areas of high biodiversity, as defined by local biodiversity experts. The areas with high capacity for ecosystem services provision (from now on “high ecosystem services areas”) were found in areas with high biodiversity. In most cases, these areas are already under protection. The results also showed that ambiguity is an issue with the use of the ecosystem services concept in both stakeholder and expert evaluations.

Highlights • New high-resolution emission inventory for Nordic residential wood combustion. • Country level methods can produce similar spatial distributions as local level. • Difference between urban and rural RWC is important for the spatial distribution. • National characteristics are essential for spatial representation of RWC emissions. Residential wood combustion (RWC) is a major source of air pollutants in the Nordic and many other countries. The emissions of the pollutants have been estimated with inventories on several scopes, e.g. local and national. An important aspect of the inventories is the spatial distribution of the emissions, as it has an effect on health impact assessments. In this study, we present a novel residential wood combustion emission inventory for the Nordic countries based on national inventories and new gridding of the emissions. We compare the emissions of the Nordic inventory, and especially their spatial distribution, to local assessments and European level TNO-newRWC-inventory to assess the spatial proxies used. Common proxies used in the national inventories in the Nordic countries were building data on locations and primary heating methods and questionnaire-based wood use estimates for appliances or primary heating methods. Chimney sweeper register data was identified as good proxy data, but such data may not be available in an applicable format. Comparisons of national inventories to local assessments showed the possibility to achieve similar spatial distributions through nation-wide methods as local ones. However, this won't guarantee that the emissions are similar. Comparison to the TNO-newRWC-inventory revealed the importance of how differences between urban and rural residential wood combustion are handled. The comparison also highlighted the importance of local characteristics of residential wood combustion in the spatial distribution of emissions.

Highlights • Five futures images of woodchip energy use in Finland are created. • The futures images vary based on the type of operator and the role of international regulation. • In the futures images, forest use varies from preservation to the strong promotion of using woodchips as an energy source. • Transition pathways for the current regime of using woodchips as an energy source are identified. Wood is the most widely used renewable energy source in the world. However, there are competing views on how wood should be used in the future. The objective of this study is to examine conceptions related to alternative futures for the use of woodchips as an energy source in Finland. We construct futures images based on two data sources describing the views favouring the use of woodchips: thematic interviews with woodchip users and newspaper articles. The futures images are constructed based on two key themes that emerge from our data. First, the alternatives are imagined for the types of the operators using woodchips in the future, varying between small- and large-scale use. Second, the strong role of regulations, particularly at the European Union level, will be the key driver of the future use of woodchips as an energy source. The results show wide variation in the potential goals of public governance, ranging from regulations designed to strongly support the use of woodchips as an energy source to almost complete conservation of forests. Focusing on the regime level, we identify possible transition pathways illustrating how the use of woodchips could change in the future and discuss possible policy implications.

The mining industry has a critical role in modern societies. However, the environmental harm induced by mining activities may be drastic. One of the most important aspects of mining pollution is water contamination due to accidental or controlled waste water release, or due to harmful leachate originating from waste areas. Whereas the water quality in receiving water systems is usually monitored, the ecological impacts of mine waters are assessed more rarely. One of the challenges when ecological impacts are studied is the lack of long-term data regarding the pre-mining conditions. Palaeolimnological methods allow the reconstruction of historical conditions of water bodies. Sedimentary geochemistry and subfossil remains of biological communities (e.g. cladoceran crustacea, diatom algae) can be used to assess the natural pre-disturbance variability, the impact of the disturbance and the post-disturbance dynamics. In this thesis, mining pollution is assessed within three projects, conducted on two boreal lakes in Finland. In Lake Kirkkojärvi, the impact of historical mining activity, namely, the direct release of mineral tailings was studied from a sediment core covering also the pre-mining environmental conditions. The impacts of the mine pollutants were reflected in cladoceran communities as declining species richness and diversity. The lake Kirkkojärvi bay was studied by using a palaeolimnological top-bottom approach. The bay has been receiving acid mine drainage for nearly 50 years. However, the cladoceran community change in the bay does not reflect any changes in acidity or metal pollution. In Lake Kivijärvi the Na2SO4- and metal-contaminated mine water has had a clear impact on cladoceran and diatom communities as both groups exhibit changes due to mining pollution. Based on the results, the most important contaminants in the studied systems are saline effluents and mineral tailings. Cladocera hold great potential in palaeolimnological mining pollution studies due to their sensitivity to changes in the water quality and due to their central location in food-webs. However, more research is still needed: Most importantly, some taxonomic issues must be clarified and in-situ toxicity studies should be conducted in order to find the most sensitive indicator species for different types of pollution. The results of this work present important information regarding pollution impact assessment. In particular, this study highlights the utility of Cladocera as early warning indicators, while supporting the use of multiple sediment proxies in palaeolimnological pollution research in order to provide information about the timing, direction, and magnitude of ecosystem impacts caused by pollution events. This is of essence for environmental management as globally the exploitation of poor-grade large mine deposits will drastically increase in the near future. Only by providing such crucial information on the short- and long-term impacts of mining on aquatic ecosystems and their resilience, a technologically, socially and environmentally sustainable management of mines can be guaranteed in the future. Väitöskirja käsittelee kaivosten jätevesien vaikutuksia järvien eläinplanktoniin (vesikirput; Cladocera). Väitöskirjan artikkeleissa tutkitaan rikastushiekan/jäteaineksen ja happaman kaivosvaluman vaikutuksia vesikirppuyhteisöön ajallisesti ja paikallisesti Pirkanmaalla. Lisäksi tutkitaan suolaantuneen kaivosveden vaikutuksia vesikirppu – ja piileväyhteisöihin Kainuussa. Tulokset osoittavat, että happamuus tai raskasmetallit eivät tutkituissa kohteissa todennäköisesti ole niitä tekijöitä, jotka ovat vaikuttaneet vesikirppuyhteisöihin eniten. Perustuen lajien ekologisiin preferensseihin, tärkeimmät haitta-aineet olivat rikastushiekka ja suolaantuminen. Väitöskirjan tulokset vahvistavat paleolimnologisten menetelmien soveltuvuuden modernissa saastumistutkimuksessa ja osoittavat että ei-myrkyllisten jätekomponenttien merkitys voi kaivosten vesistövaikutuksissa olla huomattava.

Predicting the future changes in river ice development and impacts on seasonal sediment transport requires more in-depth examination of present river ice cover growth processes. This paper therefore investigates: (1) the impacts of hydro-climatically varying years on river ice development in a Scandinavian subarctic meandering river and (2) the accuracy of existing analytical models for predicting ice thickness growth and ice decay. Stefan’s ice growth equation (version by Michel et al.) and Bilello’s ice decay equation are applied to varying hydro-climatic conditions experienced in the years 2013−2019. Estimates from these equations are compared with observed field conditions such as ice thicknesses, ice clearance dates and freeze-thaw days. Overall, the equations were most accurate in the winter of 2016−2017 when the maximum mid-winter snow thickness value was high, the number of freeze-thaw days was the closest to the long-term average of northern Scandinavia, and the rate of thermal snow-melt in the subsequent spring was slow. The equations would need to be adjusted to take into account expected future changes to conditions such as shorter winters, less snow formation and increased frequency of air temperatures crossing 0 °C.

Highlights • Mineral deposits influence water chemistry and composition of benthic communities. • Catchments with high potential for minerals and mining have unique stream communities. • Atypical background geology should be integrated in bioassessment of mining. Mining has changed landscapes locally in northern Fennoscandia and there is an increasing pressure for exploitation of the remaining mineral deposits of the region. Mineral deposits, even if unmined, can strongly influence stream water chemistry, stream biological communities and the ability of organisms to tolerate stressors. Using data sampled from six mining areas with three active (gold and chrome), two closed (gold) and one planned mine (phosphate), we examined how mineral deposits and mining influence water chemistry and diatom and macroinvertebrate communities in subarctic streams in Finnish Lapland. We supplemented the data by additional samples compiled from databases and further assessed how variation in background geological conditions influences bioassessments of the impacts arising from mining. We found that water specific conductivity was elevated in our study streams draining through catchments with a high mineral potential. Mining effects were mainly seen as increased concentration of nitrogen. Influence of mineral deposits was detected in composition of diatom and macroinvertebrate communities, but communities in streams in areas with a high mineral potential were as diverse as those in streams in areas with a low mineral potential. Mining impacts were better detected for diatoms using a reference condition based on sites with a high than low mineral potential, while for macroinvertebrates, the responses were generally less evident, likely because of only minor effects of mining on water chemistry. Community composition and frequencies of occurrence of macroinvertebrate taxa were, however, highly similar between mine-influenced streams and reference streams with a high potential for minerals indicating that the communities are strongly structured by the natural influence of mineral deposits. Incorporating geochemistry into the reference condition would likely improve bioassessments of both taxonomic groups. Replicated monitoring in potentially impacted sites and reference sites would be the most efficient framework for detecting environmental impacts in streams draining through mineral-rich catchments.

Globalization has increased the interconnections between world regions. The distal socio-economic and environmental interactions, feedbacks and outcomes between land systems are called telecouplings. The increase in telecouplings is also true with agricultural production and food systems as food trade has intensified in the past decades. This change has contributed to many positive aspects of development for example by increasing food availability and creating employment in the production areas. However, it has also increased the spatial separation between consumption and production and consequently the displacement of environmental pressures as consumers from distant locations withdraw limited resources such as land or water from the production areas. Therefore, consumption can be a driver of environmental change also in geographically distant locations. In this dissertation the focus is on the quantitative analysis of the displaced environmental pressures through international trade related to Finnish food consumption, and the development of accounting methodologies to better account for the implications of trade. The dissertation consists of four research papers and a synthesis of them. The temporal dynamics in 1961-2007 (Paper I) and 1986-2011 (Paper II) of the displaced impacts of the Finnish food consumption are analyzed with a data from physical accounting applying land and water footprints and studying the related biodiversity impacts caused in the production areas. Paper III concentrates on analyzing the potential to replace some of the imported crops with domestic production and this way decreasing the imports of virtual water from water scarce production areas. Paper IV contributes to the methodological discussion presenting an analysis of the carbon footprints of the average diets in the EU countries using a novel framework that incorporates trade flows into carbon footprint accounting. Finland has become strongly connected to global agricultural market. Both the imports and exports of land use embedded in the Finnish agricultural trade expanded and the partner countries and products imported diversified during 1961-2011. This was particularly clear in the period of 1986-2011 when the land use embedded in the Finnish crop imports nearly doubled. Highest increase in imports was observed with crops that can be, and previously have been cultivated in Finland. The majority of the threats to global biodiversity caused by the Finnish food consumption were produced outside the Finnish borders highlighting therefore the need to account for these distant impacts. Trade relations are not always based on resource efficiency, and water abundant Finland also imports water intensive products from areas suffering from water scarcity. There is potential for substantial reductions in the Finnish virtual water imports replacing some of the imports with crops from domestic production. Animal products, especially beef and dairy consumption are related to the highest share of dietary carbon footprints of the average diets in the EU countries. Their production requires also higher land and water inputs compared to average plant based products. Therefore, a reduction of animal product consumption is an efficient way of reducing the environmental impacts of food consumption. The findings of this dissertation confirm and extend previous knowledge quantifying the globalization of the Finnish food system that is increasingly depending on the sustainability of also the food systems abroad. Therefore, comprehensive analyses integrating multiple indicators and different spatial scales are increasingly needed to support sustainable food systems locally as well as globally. Globalisaation myötä maantieteellisten alueiden väliset yhteydet ovat lisääntyneet. Kaukaisia ympäristö- ja yhteiskunnallis-taloudellisia vaikutuksia, takaisinkytkentöjä sekä seurauksia maantieteellisten systeemien välillä kutsutaan termillä telecouplings. Tällaisten yhteyksien kasvu näkyy myös maataloustuotannossa ja ruokasysteemeissä, sillä ruoan maailmankauppa on kasvanut voimakkaasti viime vuosikymmenten aikana. Tämä muutos on vaikuttanut positiivisesti kehitykseen mm. lisäämällä ruoan saatavuutta sekä luomalla työllisyyttä tuotantoalueilla. Muutos on kuitenkin myös lisännyt kulutuksen ja tuotannon maantieteellistä eriytymistä ja tämän seurauksena ympäristön käytön paineen ulkoistamista, kun myös maantieteellisesti kaukana olevat kuluttajat käyttävät tuotantoalueen rajallisia resursseja, kuten vettä tai maa pinta-alaa. Tämän takia kulutus voi aiheuttaa ympäristövaikutuksia myös maantieteellisesti kaukana sijaitsevilla alueilla. Tässä väitöskirjassa keskiössä on analyysi suomalaisten ruoankulutuksen aiheuttamasta ulkoistetusta ympäristön käytön paineesta sekä ruoankulutuksen hiilijalanjälkilaskennan kehittäminen niin, että kaupan materiaalivirrat otetaan siinä paremmin huomioon. Väitöskirja koostuu yhteenveto-osasta sekä neljästä osa-julkaisusta. Työssä analysoidaan Suomen ulkomaankaupan kautta ulkoistettujen ympäristövaikutusten ajallista muutosta vuosina 1961–2007 (osajulkaisu I) sekä 1986–2011 (osajulkaisu II) käyttäen kansainvälisen kaupan fyysisten materiaalivirtojen analyysidataa sekä maa- ja vesijalanjälki-indikaattoreita, ja analysoimalla näiden resurssien käytön aiheuttamaa biodiversiteettikadon uhkaa tuotantoalueilla. Osajulkaisussa III tutkitaan Suomen potentiaalia vähentää kasvituotteiden tuonnin kautta virtuaalivettä vesipulasta kärsiviltä alueilta korvaamalla tuotteita kotimaisella tuotannolla. Osajulkaisussa IV kehitetään ruoan kulutuksen hiilijalanjälkilaskentaa ja analysoidaan EU maiden keskimääräisten ruokavalioiden hiilijalanjälkiä sisällyttäen kaupan materiaalivirta-analyysit mukaan laskentaan. Suomi osallistuu yhä vahvemmin globaaliin maataloustuotteiden kauppaan. Sekä maankäytön tuonti että vienti Suomen maataloustuotteiden ulkomaankaupassa laajeni ja tuojamaat sekä tuodut elintarviketuotteet monipuolistuivat vuosien 1961–2011 aikana. Tämä oli erityisen voimakasta ajalla 1986–2011, jolloin tuonnin kautta ulkoistettu maankäyttö lähes kaksinkertaistui. Suurin kasvu oli nähtävissä tuotteilla, joita voidaan kasvattaa ja joita on aiemmin tuotettu Suomessa. Suuri osa suomalaisten ruoan kulutuksen aiheuttamista uhista lajien monimuotoisuudelle aiheutuu Suomen rajojen ulkopuolella, mikä korostaa näiden ulkoistettujen vaikutusten huomioimisen tärkeyttä. Kauppasuhteet eivät aina perustu resurssitehokkuuteen ja mm. vesivaroiltaan runsaaseen Suomeen tuodaan paljon vettä vaativia tuotteita kuivuudelta kärsiviltä alueilta. Suomella on potentiaalia toteuttaa huomattavia vähennyksiä veden tuonnissa korvaamalla osa tuonnista kotimaisella tuotannolla. Eläinperäiset tuotteet, erityisesti naudan liha ja maitotuotteet, aiheuttavat suurimman osan keskimääräisen ruokavalion hiilijalanjäljestä. Niiden tuotanto vaatii myös suuremman määrän maata ja vettä verrattuna kasviperäisiin elintarvikkeisiin. Tämän takia eläinperäisten tuotteiden kulutuksen vähentäminen on tehokas keino vähentää ruoan ympäristövaikutuksia. Tämän väitöskirjan tulokset vahvistavat ja laajentavat aikaisempaa ymmärrystä Suomen ruokajärjestelmän globalisaatiosta, jonka kestävyys on yhä voimakkaammin riippuvainen myös ulkomaisten ruokajärjestelmien kestävyydestä. Tämä takia tarve kokonaisvaltaisille, useampia indikaattoreita sekä erilaisia maantieteellisiä mittakaavoja yhdistäville analyyseille on kasvanut ja niitä tarvitaan tukemaan sekä paikallisesti että globaalisti kestäviä ruokajärjestelmiä.

The Arctic has been warming twice as fast as the rest of the world during the last decades of global warming. Reasons for the amplified Arctic warming are thought to partly relate to positive feedbacks affecting the radiative budget of the area. Black carbon (BC) is a light-absorbing particulate produced by incomplete combustion of biomass and fossil fuels. BC strongly warms the atmosphere, and its climate effects are amplified in the Arctic where its deposition on light surfaces decreases their reflectivity, resulting in elevated heat absorption and further hastening melt of snow and ice. Globally, BC is estimated to be the second most important climate-warming agent after carbon dioxide. Historical information on BC deposition plays a significant role in the assessment of long-term climate effects of BC, but scarce data on this past variability has been available from the Arctic. Historical BC records can be attained from environmental archives, such as ice cores, peat deposits and marine and lake sediments, which store direct evidence of past BC deposition in chronological order. The objective of this thesis is to collect new spatial and temporal data on BC deposition in the European Arctic from the preindustrial to the present (i.e., the last ca. 300 years), and assess BC sources and climatic implications, by analysing five lake sediment cores from Arctic Finland and an ice core from Svalbard. No standard method exists to determine BC, and the precise definition of BC depends on the methodology used for its quantification. Here, three different analytical methods were used to quantify different components of BC. Spheroidal Carbonaceous Particles (SCP) and soot-BC (SBC) were analysed from the Arctic Finland lake sediments by SCP analysis and chemothermal oxidation at 375 °C, respectively, and elemental carbon (EC) from the Svalbard ice core with a thermal optical method. The results suggest temporal variation in past BC trends, both between study sites and between methods. While SCPs show a marked trend with fluxes peaking around 1980 and declining afterwards, they represent only a minor fraction of total BC. SBC and EC are better suited to indicate general historical BC trends. SBC fluxes vary between sites but some regional patterns are noticeable. The two northernmost lakes indicate generally decreasing SBC fluxes during the latter half of the 20th century which is in line with previous data from Greenland ice cores, modelling studies and atmospheric measurements. However, two other lake sites indicate increasing SBC fluxes from ca. 1970 to the end of the records, likely caused by local emissions from the Kola Peninsula, Russia. Moreover, an increasing EC deposition trend from ca. 1970 to 2004 is also recorded in the Svalbard ice core. This increasing trend is unexpected and unparalleled among available arctic records. The observed increase in the ice core is likely caused by flaring emissions from northern Russia. The fact that a similar trend in BC fluxes and deposition is recorded in two separate environmental archives analysed with different methods and receiving atmospheric transport from mostly different source areas, highlights the plausibility of such a trend, and implies that it may also be observable at other locations in the Arctic. In such a case, BC may have exerted a significant impact on the radiative forcing and thereby past climatic warming of the Arctic, in the most recent three or four decades. However, the present study indicates that local results cannot necessarily be extrapolated over wider areas, and therefore further studies are required to establish regional BC deposition trends within the Arctic. In addition, the study highlights that BC results obtained using different analytical methods should be compared with caution. Musta hiili eli noki on ilmastoa voimakkaasti lämmittävä pienhiukkanen, jota syntyy biomassan ja fossiilisten polttoaineiden epätäydellisessä poltossa. Noki on maailmanlaajuisesti hiilidioksidin jälkeen toiseksi tärkein tekijä ilmaston lämpenemisessä, ja sen lämmittävät vaikutukset ovat voimakkaimpia arktisella alueella. Siellä noen laskeuma tummentaa vaaleita jää- ja lumipintoja minkä seurauksena lämmön sitoutuminen voimistuu ja jään ja lumen sulaminen kiihtyy. Historiallinen tieto noen laskeumista on tärkeää arvioitaessa noen pitkän aikavälin ilmastovaikutuksia, mutta sitä on olemassa vain harvakseltaan arktiselta alueelta. Historiallista noen laskeumatietoa voidaan kerätä niin sanotuista ympäristöarkistoista, kuten jääkairasarjoista tai suo-, järvi- ja merisedimenttikerrostumista. Tämän työn tarkoituksena on kerätä uutta tietoa noen laskeumasta viimeisen noin 300 vuoden aikana sekä arvioida sen lähteitä ja ilmastovaikutuksia Euroopan arktisella alueella. Lähdeaineistona käytetään pohjoissuomalaisia järvisedimenttisarjoja ja Huippuvuorilta kerättyä jääkairasarjaa, joista noen eri osatekijöitä määritetään kolmella menetelmällä. Tulokset osoittavat merkittävää ajallista vaihtelua nokilaskeumissa ja sekä tutkimuskohteiden että analyysimenetelmien välillä. Suurimpien nokihiukkasten, niin sanottujen nokipallojen, ajallinen vaihtelu on ollut Pohjois-Suomessa samanlaista kuin aiempien tutkimusten mukaan muualla Euroopassa: laskeumat kasvoivat 1950-luvusta lähtien toisen maailmansodan jälkeisessä voimakkaassa kivihiili- ja öljyvetoisessa teollistumisessa, olivat korkeimmillaan noin 1980 ja laskivat sen jälkeen polttomenetelmien tehostumisen ja kehittyneiden ilmansuojelutoimien myötä. Nokipallot edustavat kuitenkin vain pientä osaa kokonaisnoesta, ja ilmakehässä kauemmaksi kulkeutuva pienijakoinen noki on arktiselle alueelle sitä merkittävämpää. Pienijakoisen noen laskeuman vaihtelut ovat olleet tutkimusalueella moninaisempia kuin nokipallojen. Kahden pohjoisimman tutkimusjärven nokilaskeumat ovat vähentyneet noin 1960-luvulta lähtien, mikä vastaa aiempien ilmakehämittausten ja mallinnusten tuloksia. Toisaalta kahden itäisen järven nokilaskeumat ovat kasvaneet merkittävästi 1970-luvulta lähtien nykypäivään saakka, minkä oletetaan johtuvan Kuolan niemimaan teollisuustoiminnasta. Myös Huippuvuorilta kerätyssä jääkaira-aineistossa nokilaskeuma nousi selvästi noin 1970 ja 2004 välillä, mikä on luultavasti seurausta Pohjois-Venäjällä tapahtuvasta soihdutuksesta öljyn ja maakaasun porauksen yhteydessä. Tämä havaittu nouseva trendi on odottamaton ja ennennäkemätön arktisella alueella. Se, että nousevia nokilaskeumia on havaittu kahdesta eri alueilla sijaitsevasta erityyppisestä ympäristöarkistosta ja eri analyysimenetelmillä tutkittuina, korostaa kuvatun trendin luotettavuutta ja osoittaa, että kyseinen laskeumatrendi voisi olla havaittavissa arktisilla alueilla laajemminkin. Näin ollen noella on voinut olla merkittävä rooli ilmaston lämpenemisessä arktisella alueella viimeisten vuosikymmenten aikana. Samalla tutkimus osoittaa, ettei paikallisia tuloksia voi välttämättä yleistää laajemmalle alueelle ja että lisää tutkimuksia tarvitaan alueellisesti laajemman arktisen noen laskeumahistorian todentamiseksi. Lisäksi tutkimus korostaa varovaisuuden tarvetta vertailtaessa eri analyysimenetelmillä saatuja nokituloksia.

Water quality in streams usually changes fast, and sensitive biological indicators are essential for monitoring these changes. Diatoms are widely used in biological stream quality assessments. However, there are temporal and spatial variations in diatom communities that may result in unreliable quality assessments. Under different kinds of environmental stressors, diatoms can produce deformed frustules. Heavy metals are among the most common causes of these teratological forms. In addition to eutrophication and organic pollution, diatoms could potentially be used for indicators of heavy metal enrichment. The aim here was to examine the interannual and intra-annual turnover of stream diatom communities. The focus of this study was on whether specific species traits and species local abundance and regional distribution affected temporal occurrence of diatom species. The study also included an examination of how stable diatom inferred stream classifications are in time and if pure spatial variation in diatoms should be considered when assessing stream water quality based on diatoms. The final aspect of the study was to determine which heavy metals, and to what extent, trigger the occurrence of deformations in diatom Achnanthidium minutissimum. Our results imply that abundant and widely distributed species with larger niches and the ability to attach to the substratum sustain persistent populations in varying environmental conditions typical for streams. The most persistent species are thus perhaps the most reliable species to be used as indicators of water quality. The stream classification based on diatoms resulted in temporally stable and statistically distinct community types. Thus, the results suggest that sampling of diatoms in every three years seems to be a reliable procedure to assess biological water quality. The investigation also revealed that study regions differ in their diatom species composition more than in their environmental features indicating that diatoms are structured not only by the local environment but also by large-scale processes, possibly related to climate, dispersal and history. As diatom species composition varies between regions, future bioassessments would benefit from regional stratification. Finally, study results indicated that two metals, copper and zinc, and a metalloid, antimony, were the most likely triggers of A. minutissimum deformations. The definition of their morphological and quantitative characteristics, along with a better taxonomic circumscription of the affected species, should allow the use of deformations as a reliable indicator of heavy metal enrichment in freshwater habitats. Veden laatu joissa vaihtelee jatkuvasti, ja herkät bioindikaattorit ovat tärkeitä näiden muutoksien havaitsemiseksi. Piileviä käytetään laajalti veden laadun biologisissa seurannoissa. Ajallinen ja paikallinen vaihtelu piileväyhteisöissä voi kuitenkin hankaloittaa veden laadun arviointia. Erilaiset ympäristötekijät voivat myös aiheuttaa epämuodostumia piilevien kuorissa. Raskasmetallit ovat yleisin syy näille epämuodostumille. Rehevöitymisen ja orgaanisen kuormituksen lisäksi piileviä olisi mahdollista käyttää indikaattoreina myös raskasmetallikuormitukselle. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää sekä vuosien sisäistä että vuosien välistä vaihtelua virtavesien piileväyhteisöissä. Tutkimuksessa tarkastellaan, vaikuttavatko tietyt piilevälajien ominaisuudet sekä lajien paikallinen runsaus ja alueellinen levinneisyys niiden esiintymiseen ajassa. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi miten vakaita piileviin perustuvat jokiluokittelut ovat ajassa, ja tulisiko myös alueellinen lajiston vaihtelu huomioida veden laadun arvioinneissa. Lopuksi määritettiin mitkä raskasmetallit ja missä määrin aiheuttavat epämuodostumia Achnanthidium minutissimum- lajille. Tulokset osoittavat, että runsaat ja laajalle levinneet lajit, joilla on lisäksi laaja ekologinen lokero ja kyky kiinnittyä alustaansa, ovat pysyvimpiä jokien kaltaisissa vaihtelevissa elinympäristöissä. Pysyvimmät lajit ovat mahdollisesti luotettavimpia veden laadun indikaattoreita. Myös jokien piileviin perustuva luokittelu pysyi vakaana vuosien välillä. Täten piilevien määritys kolmen vuoden välein näyttää olevan luotettava menetelmä veden laadun arvioimiseksi. Tutkimus paljasti myös, että tutkimusalueet eroavat piileväyhteisöiltään enemmän kuin ympäristötekijöiltään. Paikallisten ympäristötekijöiden lisäksi myös laaja-alaisemmat tekijät, kuten ilmasto, levinneisyys ja muut historialliset tekijtä, muokkaavat piileväyhteisöjä. Tulevaisuudessa piilevien alueellinen vaihtelu tulisi ottaa huomioon veden laadun arvioinneissa. Lisäksi tulokset osoittavat, että kaksi metallia, kupari ja sinkki, sekä puolimetalli, antimoni, aiheuttavat todennäköisimmin epämuodostumia A. minutissimum- lajissa. Epämuodostumien yksityiskohtaisempi laadullinen ja määrällinen määrittely, sekä lajin parempi taksonominen tuntemus, mahdollistavat epämuodostumien käytön myös raskasmetallikuormituksen indikaattorina virtavesissä.

Northern peatlands form a large storage of terrestrial carbon and at the same time they provide an important palaeoecological archive to study past climate changes and associated carbon dynamics. One of the most widely used methods to study peatland histories is the plant macrofossil method. However, peat material of the early succession stages, the fens, is often highly decomposed hampering the identification of the fossil plant remains. Thus, current methods may give only a partial view on the past vegetation, and as a result the accuracy of carbon balance estimations and climate implications may remain low. A new promising method to study past plant assemblages from peat is the geochemical plant biomarker method, which has performed well in less decomposed bog peat environments. In my study I assess the applicability of the geochemical plant biomarker method to study past plant assemblages from highly decomposed fen peat. For the first time I apply a living fen plant biomarker training set to study past fen phases. To do this, I collected and analysed two sets of living key fen plants. The training sets included boreal fen, arctic fen and permafrost peat plateau plants. The biomarker analyses on fossil peat were applied in parallel with macrofossil analyses to two boreal and one arctic permafrost peat section, all known to contain highly decomposed peat. The analyses of living plants showed that the biomarker compositions did not differ between the same species collected from different bioclimatic zones, suggesting that, at least to some extent, plant biomarkers can be used universally beyond the geographical areas where the training set was collected. The plant biomarker analyses indicate that the n-alkanes, and their ratios, are the most useful compounds to separate fen plant groups: Sphagnum mosses and vascular plants. Results showed also that biomarker composition of fen plants did not differ substantially from their bog counterparts. However, results indicated that when a wider combination of plants, plant parts and peatland habitats are incorporated into the training set the data interpretation becomes more challenging. For example, the biomarker composition of Sphagnum mosses and sedge roots resembled each other despite their differences in biology. Thus, a larger set of proxies is advisable when plant groups need to be separated more accurately. In the peat sections studied here, the biomarker method performed well in less humified bog peat layers but less well in the highly decomposed fen peat layers. The macrofossil method proved to be most competitive proxy to reconstruct past vegetation assemblages and local environmental conditions through-out the peat sections. However, when macrofossil and biomarker data were interpreted in parallel, it became clear that biomarkers were also able to reflect the major changes in dominating plant groups and in moisture conditions. Accordingly, the analysis separated the most important bog microhabitats and the major regime shifts from fen to bog. I conclude, however, that in fen environments the interpretation of biomarker data can be rather challenging. As a result, it appears that the biomarker method, as applied here, performs the best as a complimentary proxy when used in conjunction with macrofossils, and that the data should be interpreted cautiously. Pohjoisen pallonpuoliskon suot sitovat n. 30 % maapallon maaekosysteemien hiilestä, ja ne edustavat n. 90 % koko maapallon suopinta-alasta. Hiilen varastona toimimisen lisäksi hitaan maatumisen johdosta turpeen kasvijäänteet muodostavat myös tärkeän paleoekologisen arkiston, minkä avulla voidaan tutkia mm. ilmastohistoriaa sekä siihen liittyviä muutoksia suon hiilidynamiikassa. Turpeen kasvijäänteiden, makrofossiilien, tunnistaminen mikroskoopin avulla on käytetyin menetelmä tutkittaessa soiden historiallisia muutoksia. Suosukkession alussa (nevavaihe) muodostuvat turvekerrostumat ovat kuitenkin usein hyvin pitkälle maatuneita mikä vaikeuttaa makrofossiilien tunnistamista. Näin ollen, täydellistä kuvaa vallinneesta kasvillisuudesta ei voida rakentaa. Biomerkkimenetelmä on uusi ja lupaava kemialllinen menetelmä tutkia soiden historiallista kasvillisuutta. Menetelmää on käytetty pääasiassa suosukkession loppuvaiheen, rahkasammalvaltaisten rämeiden, kasvijäänteiden tunnistuksessa, ja on se toiminut lupaavasti tutkittaessa näitä vähemmän maatuneita turvekerroksia. Väitöskirjatyössäni tutkin biomerkkimenetelmän toimivuutta pitkälle maatuneen nevavaiheen turpeen kasvijäänteiden tunnistuksessa. Ensin kartoitin elävien nevakasvien biomerkkejä. Tarkoitus on tunnistaa turpeesta kasveja vertaamalla elävistä kasveista tunnistettuja biomerkkejä turpeesta löydettyihin biomerkkeihin. Verrokkiaineistoksi kartoitin turpeesta myös makrofossiilit. Testasin biomerkkimenetelmän toimivuutta koko suosukkession kattavien turveprofiilien avulla. Kasvi- ja turveaineistoa tutkimustani varten keräsin boreaaliselta ja arktiselta suolta. Väitöskirjatyöni tulokset osoittavat, että (1) tutkimieni nevasoiden elävien kasvien biomerkkien välillä on eroja joiden avulla kasviryhmät; rahkasammalet ja putkilokasvit, voidaan erottaa toisistaan. Kasvilajikohtainen tunnistaminen ei biomerkkien avulla onnistunut. (2) Eri suotyyppien, neva ja räme, kasvilajien/ryhmien biomerkit ovat samankaltaisia, (3) samoin tutkimieni boreaalisten ja arktisten suokasvien biomerkit ovat kasviryhmittäin samankaltaisia. Kaikista tutkimistani turvenäytteistä läpi turveprofiilien löytyi kasviperäisiä biomerkkejä: pohjan pitkälle maatuneista kerroksista pinnan vähemmän maatuneisiin kerroksiin. (4) Pitkälle maatuneiden nevavaiheen turvekerrosten kohdalla biomerkkimenetelmän avulla en saanut lisää informaatiota vallinneesta kasvillisuudesta verrattuna perinteisellä makrofossiili-menetelmällä saatuun tietoon. Kuitenkin, kun biomerkki- ja makrofossiilimenetelmien avulla saatu aineisto analysoitiin samanaikaisesti monimuuttujamenetelmin, turpeen biomerkkien avulla kykenin erottamaan suurimmat muutokset vallinneessa kasvillisuudessa: neva- ja rämesuovaiheet. Biomerkkien avulla myös rämesuon eri mikrohabitaatit, mätäs- ja välipinnat, erottuivat toisistaan. Biomerkkimenetelmä, kuten sanottua, toimii hyvin rämevaiheen turpeentekijöitä tutkittaessa, mutta nevavaiheen turvekerrosten kohdalla perinteisen makrofossiilimenetelmän avulla kyetään tarkempaan kasvien tunnistamiseen. Heikon lajintunnistuskyvyn vuoksi biomerkkimenetelmän avulla saatua aineistoa ei tulisi käyttää ainoana aineistona tutkittaessa kasvillisuuden historiallisia muutoksia soilla. Näin ollen, läpi koko turveprofiilin biomerkkimenetelmä toimii parhaiten lisäinformaation lähteenä esim. makrofossiilien rinnalla.

The pool of riverine dissolved organic matter (DOM) results from integration of complex catchment processes, and links the terrestrial and coastal systems by transporting organic matter from watersheds to estuaries. In this thesis, field samplings and laboratory experiments were combined to assess the spatio-temporal variation in riverine DOM quantity and quality in three Finnish estuaries discharging to the Baltic Sea. Also, the biogeochemical transformation and removal processes influencing the composition of the DOM pool were studied. Large-scale catchment characteristics were linked to the properties of the riverine DOM. Throughout the work the DOM quality was assessed using multiple analytical approaches: C/N stoichiometry, colored DOM (CDOM) absorption, CDOM fluorescence, molecular weight and iron content. Estuarine DOM was subjected to heterotrophic degradation in factorial experiments to quantify the role of salinity, inorganic nutrients and predegradation to DOM bioavailability and the performance of the heterotrophic bacteria. Additionally salt-induced flocculation of DOM was studied by combining field samplings, laboratory experiments and modeling. The selected three study catchments differed markedly in their land-use, and these differences were reflected on the riverine DOM quantity and quality. Seasonal variation was observed in both the quantity and quality of the riverine DOM, but this variation was not reflected to the degradation processes in the estuaries. The experiments provided evidence that increasing proportion of forests and peatlands were linked to the increase of carbon loading from the catchment, and to decreases in the subsequent quantities of bioavailable dissolved organic carbon (DOC) and bacterial growth efficiencies (BGE). A higher proportion of agricultural land in the catchment indicated an increase of the amount and bioavailability of dissolved organic nitrogen (DON) in the DOM pool. A larger proportion of lakes in the catchments, on the other hand, were related to decreased bioavailable DON. The moderate changes in salinity introduced in the experiments did not affect either DOM bioavailability or BGE. Also replete inorganic nutrients did not influence the DOM bioavailability, although did increase BGE on average from 11 to 40%. Increasing predegradation, i.e. DOM subjected to heterotrophic degradation for varying times before the actual bioassays, decreased BGE from 65 to 25% on average. Flocculation caused deviations from conservative mixing of DOM variables in the study estuaries, and the quantity and quality of flocculated DOM was studied in a laboratory experiment. The maximum deviation from conservative mixing of DOC in estuaries was -16% at salinities between 1 and 2, indicating significant flocculation within a relatively narrow salinity range. Both processes, biodegradation and flocculation, removed riverine DOM before reaching the open sea (so-called marginal filter), but also changed the properties of the remaining DOM pool. Also, both processes increased the humic-like fluorescence and DOC-specific absorbance of the DOM pool, which suggests that the refractory DOM pool reaching the sea is a result of multiple, interacting processes along the hydrological path. All in all, both biodegradation and flocculation remove riverine DOM in estuaries, and also transform the remaining DOM pool that ultimately reaches the open sea. Findings from this thesis show that DOM quality has a pivotal role in the functioning of both of these essential and ubiquitous mechanisms. Jokien kuljettamalla liuenneella orgaanisella aineksella (dissolved organic matter, DOM) on merkittäviä vaikutuksia rannikoiden vesiekosysteemeihin; DOM varjostaa kasviplanktonia ja muuta vesikesvillisuutta sekä kuljettaa suuria määriä hiiltä, typpeä ja fosforia mikrobiravintoverkon käyttöön. Jokiperäinen DOM on tulosta valuma-alueen monimutkaisten prosessien yhteisvaikutuksista, yhdistäen maa- ja rannikkosysteemit kuljettamalla eloperäistä ainesta valuma-alueelta jokisuistoihin. Tässä työssä on yhdistetty kenttähavaintoja ja laboratoriokokeita jokiperäisen DOM:in määrän ja laadun vaihtelun arvioimiseen kolmessa Itämereen laskevan joen suistossa. Lisäksi työssä tutkittiin DOM:in koostumukseen vaikuttavia biogeokemiallisia muutos- ja poistoprosesseja. Valuma-alueen ominaisuuksia pystyttiin yhdistämään jokiperäisen DOM:in koostumukseen. DOM:in laatua arvioitiin tutkimuksessa useilla analyyseillä: C/N stoikiometrialla, värillisen eloperäisen aineen (colored dissolved organic matter, CDOM) absorptiolla ja fluoresenssilla, molekyylipainolla ja rautapitoisuudella. Jokisuistojen DOM altistettiin heterotrofiselle bakteerihajotukselle faktorityyppisissä koejärjestelyissä saliniteetin, epäorgaanisten ravinteiden ja esihajotuksen vaikutusten DOM:in biohajoavuuteen ja bakteeriyhteisön toiminnan tutkimiseksi. Lisäksi suolan aiheuttamaa DOM:in sakkautumista tutkittiin yhdistämällä kenttähavaintoja, laboratoriokokeita ja mallinnusta. Kolme tutkittavana ollutta valuma-aluetta erosivat merkittävästi maankäytöltään, ja nämä muutokset heijastuivat jokiperäisen DOM:in määrään ja laatuun. Vuodenaikaisvaihtelua havaittiin sekä DOM:in määrässä että laadussa, mutta vaihtelu ei vaikuttanut DOM:in biologiseen hajotukseen. Laboratoriokokeet vahvistivat metsä- ja suopinta-alan vaikuttavan lisäävästi valuma-alueiden hiilivirtoihin, mutta vähentävän biohajoavan liuenneen eloperäisen hiilen (dissolved organic carbon, DOC) suhteellista osuutta ja heikentävän bakteerikasvutehoa (bacterial growth efficiency, BGE). Maatalousmaan suuri suhteellinen osuus valuma-alueella voitiin yhdistää korkeaan liuenneen eloperäisen typen (dissolved organic nitrogen, DON) kuormaan ja biohajoavuuteen. Järvien suhteellisesti suuri määrä valuma-alueella taas alensi DON:in biohajoavuutta. Laboratoriokokeissa suolapitoisuuden ei havaittu vaikuttavan DOM:in biohajoavuuteen eikä BGE:hen. Myöskään epäorgaanisten ravinteiden lisäys ei kasvattanut biohajoavuutta, mutta nosti bakteerikasvutehoa keskimäärin 11 prosentista 40 prosenttiin. Esihajotus, eli DOM:in altistaminen vaihtelevalle jaksolle heterotrofista bakteerihajotusta ennen varsinaisia hajotuskokeita, laski kasvutehoa keskimäärin 65 prosentista 25 prosenttiin. Sakkautuminen aiheutti poikkeamia DOM:in konservatiivisesta sekoittumisesta tutkituissa jokisuistoissa, ja sakkautuvan DOM:in määrää ja laatua tutkittiin laboratoriokokeessa. Suurin havaittu poikkeama DOC-pitoisuudessa konservatiivisen sekoittumisen odotusarvosta oli -16% suolapitoisuuden ollessa välillä 1 - 2, joka kertoo merkittävästä sakkautumisesta suhteellisen kapealla suolapitoisuuden vaihteluvälillä. Molemmat prosessit, biohajotus ja sakkautuminen, poistivat jokiperäistä DOM:ia ennen sen kulkeutumista merelle, mutta myös muuttivat jäljelle jääneen DOM:in ominaisuuksia. Molemmat prosessit myös lisäsivät DOM:in humustyyppistä fluoresenssia ja ominaisabsorbanssia, mistä voidaan päätellä että merelle saakka päätyvä, vaikeasti hajotettava DOM on tulosta monista vuorovaikutteisista prosesseista matkalla maalta merelle. Kaiken kaikkiaan sekä biohajotus että sakkautuminen poistavat DOM:ia jokisuistoissa, mutta myös muuttavat jäljelle jäänyttä DOM:ia. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat että DOM:in laadulla on suurta merkitystä näiden keskeisten ja yleisten mekanismien toimintaan.

Growth in economics and prosperity has been a global trend during recent decades and the use of chemicals has increased tremendously as a part of industrial production, agriculture and everyday life. The use of hazardous chemicals has been restricted by many intergovernmental treaties and legislation but new replacement chemicals are synthesized constantly and no decrease in the future production volumes of chemicals is soon expected. The term chemicalization is used to describe the increased use of chemicals and resultant environmental contamination. In the analysis of environmental samples, usually only some selected regulated compounds are measured. The problem with these target analyses is that other compounds remain undetected. Complementary techniques without any preselection of the analytes are thus required to identify new compounds. The aim of this study was to develop novel instrumental techniques for the determina-tion of organic compounds without any analyte preselection and to identify unknown anthropogenic contaminants in different water matrices. The methods developed were based on analytical separation, using gas and liquid chromatography combined with accurate mass measurement using time-of-flight mass spectrometry. The data produced were then processed with a deconvolution program to locate the chromatographic peaks and to extract their mass spectra. The measured accurate masses were then used to confirm the elemental compositions of the detected ions. The identification processes were validated, using spiked water samples, and finally the methods were applied to the identification of organic xenobiotics from wastewater effluent, stormwater, surface water and landfill leachate samples. The results showed that analysis using time-of-flight mass spectrometry enables screening of large analyte groups without previous information on sample composition. The most comprehensive knowledge is yielded by analysing the sample with both gas and liquid chromatography. In many cases, tentative compound identification can be obtained if the deconvoluted spectra and accurate mass data are complemented with information, e.g. from spectral libraries and peak isotope patterns. This tentative identifications must, however, always be confirmed with a pure standard compound. The main limitations of the methods were related to insufficient features of the deconvolution program used. Most of the data-processing stages had to be performed manually or visually, which slows down the data processing and hinders their applicability, especially with large sample sets. Dozens of compounds were tentatively identified from water samples and several of them were also confirmed with a standard compound. The highest numbers of compounds were identified from wastewater effluent, stormwater and landfill leachate samples. The results confirmed the fact that anthropogenic waste streams are an important route for organic xenobiotics into the environment. Since the future volumes of chemicals will increase, the control and efficient treatment of these fluxes becomes evermore essential. Globaalin vaurastumisen myötä maapallon teollinen tuotanto, maatalous ja jokapäiväi-nen arkielämä perustuvat yhä enemmän erilaisten kemikaalien käyttöön. Tämän kehi-tyksen haittapuoli on ympäristön kemikalisoituminen, jolla tarkoitetaan yhä lisääntyvää kemikaalien käyttöä ja sitä kautta tapahtuvaa ympäristön pilaantumista. Haitalliseksi tunnistettujen yhdisteiden käyttöä on rajoitettu useilla kansainvälisillä sopimuksilla ja kansallisella lainsäädännöllä, mutta uusia korvaavia yhdisteitä kehitetään ja otetaan käyttöön jatkuvasti, eikä kemikaalien käytön vähenemistä ole näköpiirissä. Pitkään jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta vain harvojen kemiallisten yhdisteiden päästöt ja pitoisuudet ympäristössä tunnetaan. Tyypillisesti kemikaalien määritykset ympäristöstä rajoittuvat lainsäädännössä mainittuihin haitta-aineisiin muiden yhdisteiden jäädessä huomiotta. Ympäristönäytteiden kokonaisvaltaisempi analyysi edellyttää laboratoriolta uusia menetelmiä, jotka mahdollistavat myös etukäteen määrittelemättömien yhdisteiden tunnistamisen ja mittaamisen. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena on ollut kehittää uusia, ensisijaisesti kvalitatiivisia, instrumenttianalyyttisiä menetelmiä vesien sisältämien orgaanisten yhdisteiden määritykseen ilman etukäteisvalintaa sekä tunnistaa antropogeenisiä haitta-aineita erityyppisistä vesinäytteistä. Tutkimuksessa kehitetyt menetelmät perustuvat kaasu- ja nestekromatografiseen erotukseen ja analyyttien tarkan massan mittaukseen lentoaikamassaspektrometrillä sekä kerätyn aineiston käsittelyyn dekonvoluutio-ohjelmistolla. Analyysimenetelmiin liittyvät tunnistusprosessit validoitiin tutkimalla tunnettuja väkevöityjä näytteitä, jonka jälkeen menetelmiä sovellettiin Päijät-Hämeen alueelta kerättyihin jätevesi-, hulevesi-, pintavesi- ja kaatopaikan suotovesinäytteisiin. Tutkimustulokset osoittivat, että analyysi lentoaikamassapektrometrillä mahdollistaa suurten yhdistejoukkojen seulonnan ilman ennakkotietoa näytteen koostumuksesta. Kattavin tieto näytteestä saavutetaan, kun näyte analysoidaan sekä kaasu- että nestekromatografisilla menetelmillä. Useissa tapauksissa mittauksilla voidaan saavuttaa alustava tunnistus yhdisteestä, mikäli tarkan massan mittauksiin yhdistetään tietoa esimerkiksi spektrikirjastoista ja ionien isotooppisuhteista. Lopullisen tunnistuksen tulee kuitenkin aina perustua malliaineen käyttöön. Tunnistusmenetelmien suurimmat rajoitteet johtuivat käytetyn dekonvoluutio-ohjelman puutteellisista ominaisuuksista, jonka vuoksi valtaosa työvaiheista jouduttiin suorittamaan manuaalisesti. Tulosten käsittelyn hitaus, erityisesti suurten näytemäärien yhteydessä, rajoittaakin vielä toistaiseksi menetelmien laaja-alaista sovellettavuutta. Tutkituista näytteistä tunnistettiin alustavasti kymmeniä yhdisteitä, joista osa varmistettiin myös malliaineilla. Suurimmat lukumäärät yhdisteitä tunnistettiin puhdistetusta jätevedestä, hulevedestä ja kaatopaikan suotovedestä. Tulokset osoittavat, että ihmisen toiminnasta syntyvät jätevirrat muodostavat tärkeän reitin orgaanisten yhdisteiden kulkeutumiselle ympäristöön. Kemikaalien käyttömäärien kasvaessa, näiden päästölähteiden kontrolloinnin ja asianmukaisen käsittelyn merkitys tulee entisestään korostumaan.

This work examines stable isotope ratios of carbon, oxygen and hydrogen in annual growth rings of trees. Isotopic composition in wood cellulose is used as a tool to study past climate. The method benefits from the accurate and precise dating provided by dendrochronology. In this study the origin, nature and the strength of climatic correlations are studied on different temporal scales and at different sites in Finland. The origin of carbon isotopic signal is in photosynthetic fractionation. The basic physical and chemical fractionations involved are reasonably well understood. This was confirmed by measuring instantaneous photosynthetic discrimination on Scots pine (Pinus sylvestris L.). The internal conductance of CO2 was recognized to have a significant impact on the observed fractionation, and further investigations are suggested to quantify its role in controlling the isotopic signal of photosynthates. Isotopic composition of the produced biomass can potentially be affected by variety of external factors that induce physiological changes in trees. Response of carbon isotopic signal in tree ring cellulose to changes in resource availability was assessed in a manipulation experiment. It showed that the signal was relatively stable despite of changes in water and nitrogen availability to the tree. Palaeoclimatic reconstructions are typically based on functions describing empirical relationship between isotopic and climatic parameters. These empirical relationships may change depending on the site conditions, species and timeframe studied. Annual variation in Scots pine tree ring carbon and oxygen isotopic composition was studied in northern and in central eastern Finland and annual variation in tree ring latewood carbon, oxygen and hydrogen isotopic ratio in Oak (Quercus robur L.) was studied in southern Finland. In all of the studied sites at least one of the studied isotope ratios was shown to record climate strongly enough to be used in climatic reconstructions. Using the observed relationships, four-century-long climate reconstructions from living Scots pine were created for northern and central eastern Finland. Also temporal stability of the relationships between three proxy indicators, tree ring growth and carbon and oxygen isotopic composition was studied during the four-hundred-year period. Isotope ratios measured from tree rings in Finland were shown to be sensitive indicators of climate. Increasing understanding of environmental controls and physiological mechanisms affecting tree ring isotopic composition will make possible more accurate interpretation of isotope data. This study also demonstrated that by measuring multiple isotopes and physical proxies from the same tree rings, additional information on tree physiology can be obtained. Thus isotopic ratios measured from tree ring cellulose provide means to improve the reliability of climate reconstructions. Tässä väitöskirjassa tutkittiin hiilen, hapen ja vedyn stabiilien eli pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa ja niiden käyttöä tiedonlähteenä menneistä ilmastonvaihteluista. Kemiallisissa, fysikaalisissa ja biologisissa prosesseissa saman alkuaineen isotooppien suhde hieman muuttuu, eli tapahtuu fraktioitumista. Puuaineksessa isotooppisuhteet muuttuvat riippuen siitä millaisissa kasvuoloissa ja ilmastossa puu on kasvanut. Kun isotooppisuhde mitataan puun vuosilustosta, lusto voidaan dendrokronologisten menetelmien avulla ajoittaa ja isotooppisuhde yhdistää kyseisen vuoden kasvuoloihin. Aikaisemmissa tutkimuksissa Suomesta on mitattu lähinnä hiilen isotooppisuhteita puiden vuosilustoista. Tässä työssä perehdyttiin tarkemmin niihin prosesseihin jotka puussa muokkaavat hiilen isotooppisuhdetta sekä mitattiin hiilen lisäksi myös hapen ja vedyn pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa. Kasvimateriaalin hiilen isotooppikoostumus määräytyy ensisijaisesti kasvin sitoessa hiiltä ilmakehästä yhteyttämällä. Tätä tutkittiin männyllä (Pinus sylvestris L.) kammiomittauksilla ja mallintamalla Etelä-Suomessa. Lisäksi tutkittiin männyn kasvuresurssien muutoksen vaikutusta vuosiluston hiilen isotooppikoostumukseen ja puun kasvuun Lapissa. Isotooppisuhteessa ei havaittu merkittävää muutosta, huolimatta kasvussa tapahtuneista muutoksista. Lapista ja Itä-Suomesta mitattiin 400 vuotta pitkät hiili- ja happi-isotooppi sekä lustonleveys aikasarjat mäntyjen vuosilustoista. Vuosittaista vaihtelua isotooppisuhteissa verrattiin säähavaintoihin viimeisen sadan vuoden ajalta. Hiilen isotooppien havaittiin korreloivan vahvasti kesälämpötilojen kanssa molemmilla alueilla. Itä-Suomessa havaittiin hapen ja myös hiilen isotooppien korreloivan kesän sademäärän kanssa. Pitkiä aikasarjoja käyttäen tehtiin 400 vuoden lämpötilarekonstruktio Lappiin ja lämpötila- ja sademäärärekonstruktiot Itä-Suomeen. Pitkiä aikasarjoja myös vertailtiin keskenään ja havaittiin niiden välisessä korrelaatiossa ajallista vaihtelua. Työssä tutkittiin myös voitaisiinko tammen (Quercus robur L.) vuosilustojen isotooppisuhteita käyttää ilmastoindikaattorina. Tammista mitattiin sekä hiilen, hapen että vedyn stabiilit isotoopit vuosiluston kesäpuusta viimeisen sadan vuoden ajalta. Tutkimuksessa havaittiin erityisesti hapen, mutta myös hiilen isotooppisuhteen heijastavan vuosittaista vaihtelua kesän pilvisyydessä ja sademäärässä. Pysyvien isotooppien suhteen todettiin olevan usein vuosiluston leveyttä vahvempi ilmastoindikaattori. Niitä voidaan myös hyödyntää laajemmalla maantieteellisellä alueella. Lisäksi, koska samasta puulustosta voidaan mitata useampi isotooppisuhde sekä fysikaaliset indikaattorit, voidaan useampaa tiedonlähdettä käyttämällä saada kattavampi kuva puun toiminnasta ja siihen vaikuttavista tekijöistä ja näin ollen parantaa ilmastorekonstruktioiden luotettavuutta.

Industrial ecology is an important field of sustainability science. It can be applied to study environmental problems in a policy relevant manner. Industrial ecology uses ecosystem analogy; it aims at closing the loop of materials and substances and at the same time reducing resource consumption and environmental emissions. Emissions from human activities are related to human interference in material cycles. Carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential elements for all living organisms, but in excess have negative environmental impacts, such as climate change (CO2, CH4 N2O), acidification (NOx) and eutrophication (N, P). Several indirect macro-level drivers affect emissions change. Population and affluence (GDP/capita) often act as upward drivers for emissions. Technology, as emissions per service used, and consumption, as economic intensity of use, may act as drivers resulting in a reduction in emissions. In addition, the development of country-specific emissions is affected by international trade. The aim of this study was to analyse changes in emissions as affected by macro-level drivers in different European case studies. ImPACT decomposition analysis (IPAT identity) was applied as a method in papers I III. The macro-level perspective was applied to evaluate CO2 emission reduction targets (paper II) and the sharing of greenhouse gas emission reduction targets (paper IV) in the European Union (EU27) up to the year 2020. Data for the study were mainly gathered from official statistics. In all cases, the results were discussed from an environmental policy perspective. The development of nitrogen oxide (NOx) emissions was analysed in the Finnish energy sector during a long time period, 1950 2003 (paper I). Finnish emissions of NOx began to decrease in the 1980s as the progress in technology in terms of NOx/energy curbed the impact of the growth in affluence and population. Carbon dioxide (CO2) emissions related to energy use during 1993 2004 (paper II) were analysed by country and region within the European Union. Considering energy-based CO2 emissions in the European Union, dematerialization and decarbonisation did occur, but not sufficiently to offset population growth and the rapidly increasing affluence during 1993 2004. The development of nitrogen and phosphorus load from aquaculture in relation to salmonid consumption in Finland during 1980 2007 was examined, including international trade in the analysis (paper III). A regional environmental issue, eutrophication of the Baltic Sea, and a marginal, yet locally important source of nutrients was used as a case. Nutrient emissions from Finnish aquaculture decreased from the 1990s onwards: although population, affluence and salmonid consumption steadily increased, aquaculture technology improved and the relative share of imported salmonids increased. According to the sustainability challenge in industrial ecology, the environmental impact of the growing population size and affluence should be compensated by improvements in technology (emissions/service used) and with dematerialisation. In the studied cases, the emission intensity of energy production could be lowered for NOx by cleaning the exhaust gases. Reorganization of the structure of energy production as well as technological innovations will be essential in lowering the emissions of both CO2 and NOx. Regarding the intensity of energy use, making the combustion of fuels more efficient and reducing energy use are essential. In reducing nutrient emissions from Finnish aquaculture to the Baltic Sea (paper III) through technology, limits of biological and physical properties of cultured fish, among others, will eventually be faced. Regarding consumption, salmonids are preferred to many other protein sources. Regarding trade, increasing the proportion of imports will outsource the impacts. Besides improving technology and dematerialization, other viewpoints may also be needed. Reducing the total amount of nutrients cycling in energy systems and eventually contributing to NOx emissions needs to be emphasized. Considering aquaculture emissions, nutrient cycles can be partly closed through using local fish as feed replacing imported feed. In particular, the reduction of CO2 emissions in the future is a very challenging task when considering the necessary rates of dematerialisation and decarbonisation (paper II). Climate change mitigation may have to focus on other greenhouse gases than CO2 and on the potential role of biomass as a carbon sink, among others. The global population is growing and scaling up the environmental impact. Population issues and growing affluence must be considered when discussing emission reductions. Climate policy has only very recently had an influence on emissions, and strong actions are now called for climate change mitigation. Environmental policies in general must cover all the regions related to production and impacts in order to avoid outsourcing of emissions and leakage effects. The macro-level drivers affecting changes in emissions can be identified with the ImPACT framework. Statistics for generally known macro-indicators are currently relatively well available for different countries, and the method is transparent. In the papers included in this study, a similar method was successfully applied in different types of case studies. Using transparent macro-level figures and a simple top-down approach are also appropriate in evaluating and setting international emission reduction targets, as demonstrated in papers II and IV. The projected rates of population and affluence growth are especially worth consideration in setting targets. However, sensitivities in calculations must be carefully acknowledged. In the basic form of the ImPACT model, the economic intensity of consumption and emission intensity of use are included. In seeking to examine consumption but also international trade in more detail, imports were included in paper III. This example demonstrates well how outsourcing of production influences domestic emissions. Country-specific production-based emissions have often been used in similar decomposition analyses. Nevertheless, trade-related issues must not be ignored. Kulutus, teknologia ja maailmankauppa vaikuttavat päästöjen kehitykseen Teollisen ekologian perusajatuksena on ottaa mallia luonnosta: sulkea materiaalien ja aineiden kiertoja sekä käyttää energiaa tehokkaasti. Tavoitteena on vähentää luonnonvarojen käyttöä ja päästöjä ympäristöön. Haitalliset päästöt liittyvät usein siihen, että ihminen muuttaa aineiden kiertojen luonnollista toimintaa. Liian suurina määrinä ja väärässä paikassa elintärkeät alkuaineet kuten hiili, typpi ja fosfori ovat ongelmallisia. Ihmisen aiheuttamat muutokset ympäristössä aiheuttavat monia ongelmia, globaalista ilmastonmuutoksesta alueelliseen ympäristön rehevöitymiseen. Ympäristömuutosten taustalla on monia epäsuoria makrotason tekijöitä. Väestö ja varallisuus (BKT/hlö) vaikuttavat usein päästöjä kasvattavasti. Palveluiden, kuten energian tai ruoan, käytön päästöintensiivisyys (päästöt/palvelu) sekä talouden materiaali- ja energiaintensiteetti (palvelu/BKT) vaikuttavat myös päästöjen kehitykseen. Lisäksi maakohtaisiin päästöihin vaikuttaa kansainvälinen kauppa. Makrotason muutosten tarkasteleminen auttaa hahmottamaan ympäristöongelmien ratkaisukentän laajuutta, haasteita ja mahdollisuuksia. Eri makrotason tekijöiden ja päästöjen keskinäistä merkitystä voidaan tarkastella juuri teollisen ekologian avulla. Tuoreessa väitöskirjassa Analyzing changes in macro-level drivers of country-specific emissions the role of consumption, technology and trade tarkastellaan makrotason tekijöiden vaikutusta päästöjen kehittymiseen toisistaan poikkeavien eurooppalaisten tapaustutkimusten avulla. Esimerkit ovat energian- ja ruoantuotannosta. Makrotason näkökulmaa sovelletaan myös hiilidioksidipäästöjen vähennystavoitteiden arviointiin ja kasvihuonekaasupäästöjen vähennystavoitteiden jakamiseen Euroopan Unionissa vuoteen 2020. Energiantuotannon hiilidioksidipäästöjen kehitystä tarkasteltiin Euroopan Unionissa (EU27) vuosina 1993 2004 maittain ja koko EU:n laajuisesti. Euroopan Unionin hiilidioksidipäästöt eivät kääntyneet laskuun tarkastellulla ajanjaksolla. Energiantuotannon hiilidioksidi-intensiivisyyden ja talouden energiaintensiteetin paraneminen eivät riittäneet kumoamaan talouden ja väestön kasvun vaikutuksia. Suomessakaan päästöt eivät laskeneet. Tutkitulla ajanjaksolla väestö kasvoi hieman, talous kehittyi vahvasti, talouden energiaintensiivisyys kyllä laski, mutta energiantuotannon päästöintensiivisyys ei parantunut lainkaan. Suomen energiantuotannon typen oksidien (NOx) päästöjen historiallista kehitystä tarkasteltiin vuosina 1950 2003. Näiden päästöjen kasvu taittui 1980-luvulla. Teknologian (NOx/energia) tehostuminen kumosi väestön ja varallisuuden kasvun vaikutuksen. Esimerkkinä ruoantuotannosta ja -kulutuksesta tarkasteltiin Suomen kirjolohen kasvatuksen typpi- ja fosforipäästöjä liittyen suomalaisten lohenkulutukseen vuosina 1980 2007. Kansainvälinen kauppa sisällytettiin analyysiin. Esimerkkitapauksen avulla käsiteltiin alueellista ympäristöongelmaa, Itämeren rehevöitymistä, ja marginaalista, mutta paikallisesti merkittävää päästölähdettä, kalankasvatusta. Suomen kalankasvatuksen ravinnepäästöt alkoivat vähentyä 1990-luvulta: väestö, varallisuus ja lohen kulutus kyllä kasvoivat, mutta kalankasvatusteknologia tehostui ja lohikalan tuonti lisääntyi merkittävästi. Päästöjä voidaan vähentää tehostamalla teknologiaa (päästöt/palvelu) ja parantamalla talouden materiaali- ja energiaintensiteettiä (dematerialisaatio). Energiantuotannon NOx-päästöintensiivisyyttä voi parantaa mm. puhdistamalla typpeä savukaasuista. Energiantuotannon rakennemuutos ja teknologiset innovaatiot ovat olennaisia sekä typen että hiilidioksidin päästöjen pienentämiseen. Talouden energiaintensiteettiä voi pienentää tehostamalla polttoaineiden polttoa ja vähentämällä energian käyttöä. Suomalaisen kalatalouden päästöjen vähentäminen teknologian avulla onnistuu vain tiettyyn rajaan saakka, sillä kasvatuskalan biologisten ominaisuuksien rajat tulevat vastaan. Kotimaisen kalatalouden päästöjen vähentäminen lisäämällä ulkomaisen lohen tuontia puolestaan siirtää kalankasvatuksen ympäristövaikutuksia Suomen ulkopuolelle. Teknologian tehostamisen ja dematerialisaation ohella päästöjen vähentämiseen tarvitaan todennäköisesti muitakin näkökulmia. Energiajärjestelmässä kiertävien ravinteiden kokonaismäärää vähentämällä voidaan vaikuttaa välillisesti myös päästöjen määrään. Lohenkasvatuksen ravinnekiertoja voidaan sulkea korvaamalla kalarehun sisältämää tuontikalaa kotimaisella kalalla. Erityisesti hiilidioksidipäästöjen vähentäminen tulevaisuudessa on haastavaa. Ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi vaadittava dematerialisaatio ja energiantuotannon päästöintensiivisyyden pienentäminen tulee olla voimakasta. Ilmastonmuutoksen hillinnässä myös esimerkiksi metsänielujen rooli tulee ottaa huomioon. Lisäksi väestökysymykset ja bruttokansantuotteen kasvu tulee ottaa huomioon, kun tarkastellaan päästöjen vähentämistä. Ilmastopolitiikka on vaikuttanut päästöjen vähentämiseen vasta suhteellisen vähän aikaa, ja tehokkaita toimia ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi tarvitaan nyt nopeasti. Ympäristöpolitiikan tulee olla kattavaa liittyen tuotantoon ja ympäristövaikutuksiin, jotta päästövuodot saadaan estettyä. Menetelmänä tutkimuksessa käytettiin ImPACT-dekompositioanalyysiä (IPAT-identiteetti). ImPACT-dekompositioanalyysi on yksinkertainen ja selkeä menetelmä päästöjen muutosten syiden tarkasteluun makrotasolla. Tilastoja yleisesti tunnetuista makroindikaattoreista on usein hyvin saatavilla. Menetelmä on myös läpinäkyvä. Menetelmää sovellettiin tässä tutkimuksessa onnistuneesti globaaleihin ja paikallisiin ympäristöongelmiin, lyhyisiin ja pitkiin aikasarjoihin. Tutkimuksen mukaan makro-indikaattoreiden käyttö soveltuu hyvin myös kansainvälisten päästövähennystavoitteiden arvioimiseen ja asettamiseen. Väestön ja varallisuuden kasvun huomioon ottaminen on erityisen tärkeää asetettaessa kansainvälisiä ympäristötavoitteita. Makrotason tarkastelu on kuitenkin karkea, ja ennustuksiin liittyy paljon epävarmuutta. ImPACT-yhtälö perusmuodossa ottaa huomioon palveluiden kulutuksen taloudellisen intensiteetin ja palveluiden päästöintensiivisyyden. Mitä useampaan muuttujaan ImPACT-yhtälö jaetaan, sitä yksityiskohtaisempaa tietoa muutostekijöistä saadaan. Kalankasvatusesimerkki osoitti hyvin, miten tuotannon ulkoistaminen vaikuttaa kotimaassa syntyviin päästöihin. Kansainvälinen kauppa tuleekin aina ottaa huomioon vastaavissa analyyseissa.

This dissertation explored the ecological dimension of ecologically sustainable forest management in boreal forests, and factors of the socio-cultural dimension that affect how the concept of ecologically sustainable forest management is defined. My approach was problem-oriented and generalistic-holistic. I examined associations between the abundances of wildlife groups (grouse, large predators, small predators, ungulates) and Siberian flying squirrels, and their co-occurrence with tree structural characteristics at the regional level. The trade-offs between ecological, social and economic sustainability in forestry were explored at the regional scale. I identified a potential 'shopping basket' of regional indicators for ecologically sustainable forest management, combining the relative abundance of Siberian flying squirrels, a wildlife richness index (WRI) for grouse, diversity indices of saw-timber trees, tree age classes and the proportion of old-growth (> 120 yr) forests. I suggest that the close association between forestry activity, the proportion of young forests (< 40 yr) and a WRI for small predators can be considered as potential 'alarm bells' for regions in which the creation of trade-offs (negative relationships) between economic and ecological components of sustainable forestry is ongoing. Explorative analyses revealed negative relationships between forestry activity and a WRI of 16 game species, the WRI for grouse and tree age diversity. Socially sustainable communities compete less intensively with ecological components of forests than communities where forestry is important. Interestingly, forest ownership types (farmers, other private forest owners, the forestry industry, the State) correlated significantly with the co-occurrence of flying squirrels, grouse and diverse forest structural characteristics rather than, for instance, with the total number of protection areas, suggesting that private forest ownership can lead to increased ecological sustainability. I examined forest actors’ argumentation to identify characteristics that affect the interpretation of ecologically sustainable forest management. Four argumentation frame types were constructed: information, work, experience and own position based. These differed in terms of their emphasis on external experts or own experiences. The closer ecologically sustainable forest management is to the forest actor’s daily life, the more profiled policy tools (counselling, learning through experiences) are needed to guide management behaviour to become more ecologically sound. I illustrated that forest actors interpret, use and understand information through meaningful framing. I analysed the extent to which ecological research information has been perceived in the Forestry Development Centre TAPIO’s recommendations and revised PEFC Finland criteria. We noticed that the political value for decaying wood was much lower in PEFC Finland critera (4 m3) than could be expected as a socially acceptable level (9 m3) or ecologically sound (10-20 m3). I consider it important for scientists to join political discourses and become involved in policy making concerning sustainable forest management to learn to present their results in a way that is reasonable from the user’s perspective. Kestävä kehitys metsäalalla tänä päivänä tarkoittaa kulttuuristen, sosiaalisten, taloudellisten ja ekologisten kestävyyskomponenttien tasavertaista huomioimista päätöksenteossa. Kestävä metsätalous on metsäluonnossa tapahtuvaa toimintaa, jolla on aina välitön ja välillinen vaikutus ympäristöönsä. Käsitteen määrittämiseen ja sitä kautta toimintaan vaikuttavat toisaalta sosio-kulttuuriset tekijät. Väitöstyöni teeman dualistisesta ominaispiirteestä johtuen tutkin kestävää metsätaloutta luonnontieteellisenä ja sosio-kulttuurisena ilmiönä. Analysoin metsien ekologisesti kestävää käyttöä ja ekologisten, sosiaalisten ja taloudellisten kestävyyskomponenttien välisiä vaihtosuhteita hyödyntäen olemassa olevia seutukuntatason sosiaalista ja taloudellista hyvinvointia kuvaavia tilastoja sekä 16 riistalajin, liito-oravan sekä valtakunnallisen metsien inventointiaineistoja. Tulosten perusteella tutkimusalueen Pohjanmaan seutukunnat olivat tarkasteltujen mittareiden perusteella ekologisesti toimivampia kuin Savon ja Keski-Suomen seutukunnat. Jälkimmäisellä alueella ekologisten ja taloudellisten arvojen oletettiin olevan toisiaan pois sulkevia, kun taas Pohjanmaan alueella ei vahvaa vaihtosuhdetta havaittu. Metsänomistajarakenne selitti parhaiten alueellisia eroja. Päättelimme, että pienmetsänomistajien harjoittama metsätalous voi johtaa puuston monipuolistumiseen ja ikääntymiseen, tästä näyttävät hyötyvän tietyt metsälajit. Tarkastelin metsätoimijoiden tulkintaa ja käsityksiä kestävästä metsien käytöstä ja ekologisesta kestävyydestä. Metsien kestävän käytön sosiaalisissa reunaehdoissa on kyse kulttuuristen, sosiaalisten ja yhteiskunnallisten tekijöiden yhteisvaikutuksista, jotka muokkaavat metsätoimijoiden käsityksiä metsien ekologisesta hyvyydestä. Metsätoimijoiden arkinen toimintaympäristö voi asettaa tiukatkin reunaehdot sille miten he määrittelevät ekologisen kestävyyden. Ekologista kestävyyttä tulkittiin joko tukeutumalla ulkopuolisiin asiantuntijoihin, ammentamalla omista kokemuksista, korostamalla omaa ammattivelvollisuutta, luottamalla omaan asiantuntemukseen tai tekemällä asiasta valta- ja hallintakysymyksen. Tieteellisellä tutkimuksella ei ole merkittävää vaikutusta kun toimija tulkitsee ekologisesti kestävää metsien käyttöä. Myös poliittisia ohjauskeinoja määriteltäessä kilpailevat arvot ja intressit kohtaavat, jolloin kriteerit tai luonnonhoidon ohjeet monimuotoisuuden turvaamiseksi ja ekologisen kestävyyden edistämiseksi on vahvasti sidoksissa kulloisenkin hetken sosiaalisiin ja poliittisiin arvoihin. Tutkimukseni mukaan suomalaisen PEFC-metsäsertfioinnin kriteerit mm. säästöpuun määrälle perustuvat pikemminkin poliittisiin arvoihin kuin tieteellisesti määritettyihin ekologisiin reunaehtoihin metsälajien selviytymiseksi.

Bernin yliopiston collegium generale on julkaissut äskettäin kirjan ”Johtotieteiden ajankohtaisuus ja katoavaisuus”. Googlea katsoessa käsite ”johtotiede” tuntuu hyvin saksalaiselta termiltä – suomeksi siellä tulee näkyviin käsite ”perustiede”, joka puolestaan voisi helposti sekoittua jokaisen tieteenhaaran pohjalla olevaan perustutkimukseen. Suomessa johtotiedettä voisi verrata eri aloilta valittuihin huippuyksiköihin, koska kummassakin rahallinen resursointi määrää valta-aseman.

Children and young people as environmental citizens the environmental education perspective to participation This doctoral thesis examines the participation of children and young people in developing their own environment at school, as a part of environmental education. The aim of the research is to assess and consider children and young people s environmentally responsible participation and its effectiveness in relation to the participants own learning and the end results of the participation. The research combines the perspectives of environmental education and citizenship education through the concept of environmental citizenship. Environmental education, which enhances environmental citizenship, offers children and young people the possibility to be active citizens and learn about citizenship in their own lives by taking action themselves. The research is made up of two parts which complement each other. The first part consists of an action research carried out in the Joensuu Lyseo Upper Secondary School, where an environmental education course with a traffic-related theme was planned, developed and evaluated. The second part is made up of an interview survey carried out in Helsinki. In the survey actors from schools and various city offices, who were involved in development projects of school environments, were interviewed. According to the research results, all-round cooperation and more open relations with those outside of the school environment are important ways to support environmental citizenship in schools. Thus, environmentally responsible participation offers a chance to learn competence that an environmental citizen needs the knowledge, skills and willingness to act that have not been successfully taught through traditional school education. The research introduces a model of environmentally responsible participation as a learning process, in which learning is studied through the development of competence, self-empowerment and social empowerment. The model makes the context of environmental education visible and puts emphasis on reflection in the learning process. A central factor in children and young people s self-empowerment is the sense of being heard and taken into consideration. At the moment children and young people s rights to participate are strong, due to legislation, school curricula, and several national and international agreements. Despite this, involving them in developing their own immediate surroundings has not become a part of schools and planning organisations daily life and established methods. Reasons for this situation can be found in the lack of regard and resources for these matters, in the complex nature of planning and a long time frame, and the problems of ownership and of reaching each other. Central to overcoming these obstacles are a gradual change in conduct and mentalities and the strengthening of teachers and officials competence. Children and young people need different ways and methods of varying levels of involvement, structures and arenas which enable participation and in which environmental citizenship can be realized. Key words: environmental citizenship, environmental education, citizenship education, children and young people s participation, social learning, self-empowerment, social empowerment, school, community planning Tämä tutkimus tarkastelee lasten ja nuorten osallistumista oman lähiympäristönsä kehittämiseen koulun puitteissa, osana ympäristökasvatusta. Tutkimuksen tavoitteena on arvioida ja pohtia lasten ja nuorten ympäristövastuullista osallistumista ja sen vaikuttavuutta suhteessa osallistujien oppimiseen ja osallistumisen lopputulokseen. Tutkimus nivoo yhteen ympäristökasvatuksen ja kansalaiskasvatuksen näkökulmat ympäristökansalaisuuden käsitteen avulla. Ympäristökansalaisuutta tukeva ympäristökasvatus tarjoaa lapsille ja nuorille mahdollisuuden olla kansalaisia ja oppia kansalaisuutta omassa elämässään, itse toimimalla. Tutkimus muodostuu kahdesta toisiaan täydentävästä osasta. Ensimmäisen osan muodostaa Joensuun lyseon lukiossa toteutettu toimintatutkimus, jossa suunniteltiin, kehitettiin ja arvioitiin valinnainen ympäristökasvatuskurssi liikenneteemalla. Toisen osan muodostaa Helsingissä tehty haastattelututkimus, jossa haastateltiin koulujen lähiympäristön kehittämishankkeiden aktiivisia toimijoita kouluista ja kaupungin eri virastoista. Tutkimuksen tulosten mukaan merkittävä keino ympäristökansalaisuuden tukemiseen koulussa on monipuolinen yhteistyö ja avautuminen koulun ulkopuolelle. Tällöin ympäristövastuullinen osallistuminen tarjoaa tilaisuuden oppia monipuolisia ympäristökansalaisen valmiuksia - juuri niitä tietoja, taitoja ja halua toimia, joita perinteisen kouluopetuksen kautta ei olla onnistuttu opettamaan. Tutkimus esittelee mallin ympäristövastuullisesta osallistumisesta oppimisprosessina, jossa oppimista tarkastellaan osaamisen, voimaantumisen ja valtautumisen kehittymisen kautta. Malli tekee näkyväksi ympäristökasvatuksen toimintaympäristön eli kontekstin ja korostaa reflektion merkitystä oppimisprosessissa. Keskeinen tekijä lasten ja nuorten voimaantumisessa on kokemus siitä, että on tullut kuulluksi ja huomioon otetuksi. Tällä hetkellä lasten ja nuorten osallistumisen oikeutus on lainsäädännön, opetussuunnitelmien ja useiden kansallisten ja kansainvälisten sopimusten ansiosta vahva. Tästä huolimatta heidän osallistamisensa oman lähiympäristönsä kehittämiseen ei ole niveltynyt osaksi koulujen ja suunnitteluorganisaatioiden arkea ja vakiintuneita toimintatapoja. Syitä tähän tilanteeseen ovat arvostuksen ja resurssien puute, suunnittelun monimutkaisuus ja pitkä aikaskaala sekä tavoittamisen ja omistajuuden ongelmat. Näiden esteiden voittamisessa on keskeistä vähittäinen toimintakulttuurin ja asenteiden muuttuminen sekä opettajien ja virkamiesten osaamisen vahvistaminen. Lapset ja nuoret tarvitsevat erilaisia ja eri syvyisiä osallistumisen mahdollistavia väyliä, rakenteita ja areenoita, joilla ympäristökansalaisuus voi toteutua. Avainsanat: ympäristökansalaisuus, ympäristökasvatus, kansalaiskasvatus, lasten ja nuorten osallistuminen, sosiaalinen oppiminen, voimaantuminen, valtautuminen, koulu, yhdyskuntasuunnittelu.

Vihreä teoria : ympäristö yhteiskuntateorioissa / Ilmo Massa (toim.). Helsinki : Gaudeamus, 2009.

Chemical characteristics and behaviour of sediment phosphorus in the northeastern Baltic Sea Eutrophication is a severe environmental problem in the Baltic Sea, especially in the Gulf of Finland and the Archipelago Sea, and it is enhanced by the release of phosphorus (P) from bottom sediments. The release of P from sediment reserves largely depends on the occurrence of P in different chemical forms and on the prevailing conditions, especially on the presence of oxygen. This study examines the chemical character and the vertical distribution of sediment P in two shallow estuaries, in shallow coastal sediments overlain by oxic near-bottom water, and in poorly oxygenated open sea sediments in the northeastern Baltic Sea. The objective was to evaluate how much of the sediment P is buried and removed from the nutrient cycle, and how much of it is in forms that can be released from the sediment to the overlaying water over time. Relationships between the distribution of the different P forms and the chemical and physical properties of the sediment, sediment pore water, and near-bottom water were determined in order to examine the behaviour of P at the sediment-water interface. The results show that the chemical character of sediment P varied in the different areas. Generally, in the outer estuaries and in the organic-rich coastal areas in the eastern Gulf of Finland, the sediments were higher in P than the sediments in the poorly oxygenated open sea areas in the central and western Gulf. The estuary sediments that received erosion-transported material were characterised by P bound to hydrated oxides of iron and aluminum. Iron-bound P is sensitive to changes in redox-conditions, but part of it was buried in the estuaries, possibly because of high sedimentation rates and incomplete reduction of iron. The open sea sediments in the central and western Gulf of Finland were dominated by apatite-P, which was also abundant in the areas strongly affected by sediment transportation. The burial of sediment P was most effective in the areas rich in apatite-P, which is a relatively stable form of P in sediment. In the eastern Gulf of Finland, organic P forms predominated in the organic-rich sediments. A part of these P forms will be buried, while part will be degraded in the long term, releasing soluble P to the pore water. In the poorly oxygenated areas, iron compounds at the sediment surface are not able to retain P released during mineralisation of organic matter or reduction-induced dissolution of iron-compounds in deep sediment layers. However, in the shallow coastal areas overlain by oxic near-bottom water, the organic-rich surface sediment can also become temporarily reduced and release P from the sediment to the overlaying water. The considerable variation in the chemical composition of sediment P reserves in the northeastern Baltic Sea proved that it is an important factor and should be taken into account when evaluating the release of sediment P and the role of P reserves in bottom sediments in eutrophication. Sedimentin fosforin kemiallinen luonne ja käyttäytyminen koillisella Itämerellä Rehevöityminen on vakava ympäristöongelma Itämerellä, erityisesti Suomenlahdella ja Saaristomerellä. Sitä pahentaa fosforin (P) vapautuminen pohjasedimentin varastoista, mikä riippuu suurelta osin P:n kemiallisesta esiintymismuodosta sekä vallitsevista olosuhteista, erityisesti happitilanteesta. Tämä tutkimus tarkastelee sedimentin P:n kemiallista luonnetta ja vertikaalista jakautumista kahdessa matalassa estuaarissa sekä matalissa, hapellisen pohjanläheisen veden peittämissä rannikkosedimenteissä ja heikosti hapettuneissa avomerisedimenteissä koillisella Itämerellä. Tavoitteena oli arvioida, kuinka suuri osa sedimentin P:sta hautautuu ja poistuu ravinnekierrosta, ja kuinka suuri osa siitä on sellaisissa muodoissa, jotka voivat vapautua sedimentistä yläpuoliseen veteen ajan kuluessa. Eri fosforimuotojen jakaantumista verrattiin sedimentin, huokosveden ja pohjanläheisen veden kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin P:n käyttäytymisen selvittämiseksi sedimentti-vesi rajapinnassa. Tulokset osoittivat, että P:n kemiallinen luonne vaihteli eri alueilla. Yleensä estuaarien uloimmissa osissa ja itäisen Suomenlahden rannikkoalueiden sedimenteissä, joissa oli runsaasti orgaanista ainesta, oli enemmän P:a kuin keskisen ja läntisen Suomenlahden avomerialueiden sedimenteissä, jotka olivat heikosti hapettuneita. Estuaarisedimenttejä, joihin kertyi eroosion kuljettamaa materiaalia, luonnehti raudan ja alumiinin hydratoituihin oksideihin sitoutunut P. Rautaan sitoutunut P on herkkää hapetus-pelkistys olosuhteissa tapahtuville muutoksille, mutta osa siitä hautautuu estuaareissa, mahdollisesti suuren sedimentaationopeuden ja P:a sitovan raudan epätäydellisen pelkistymisen seuraksena. Keskisen ja läntisen Suomenlahden avomerisedimenteissä dominoi apatiittifosfori, jota oli runsaasti myös alueilla, joilta hienojakoinen sedimentti kulkeutui pois. Fosforin hautautuminen oli tehokkainta alueilla, joilla oli runsaasti apatiittifosforia, joka on varsin stabiili fosforimuoto sedimenteissä. Itäisellä Suomenlahdella, jossa sedimenteissä oli paljon orgaanista ainesta, orgaaniset fosforimuodot dominoivat. Osa niistä hautautuu, mutta osa hajoaa pitkällä aikavälillä vapauttaen liukoista P:a huokosveteen. Heikosti hapettuneilla alueilla sedimentin pinnan rautayhdisteet eivät pysty pidättämään mineralisaatiossa tai syvissä sedimenttikerroksissa pelkistymisen seurauksena rautayhdisteistä vapautunutta P:a. Myös matalilla rannikkoalueilla, joilla pohjanläheinen vesi on hapellista, voi runsaasti orgaanista ainesta sisältävä sedimentin pintakerros ajoittain pelkistyä ja vapauttaa P:a pohjanläheiseen veteen. Sedimentin fosforivarastojen kemiallisen koostumuksen merkittävä vaihtelu koillisella Itämerellä osoitti, että se on tärkeä tekijä ja tulisi ottaa huomioon arvioitaessa sedimentin P:n vapautumista ja pohjasedimenttien fosforivarastojen roolia rehevöitymisessä.

Essential environmental science / Edward A. Keller & Daniel B. Botkin. Hoboken : Wiley, 2008.

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

Aerosol particles can cause detrimental environmental and health effects. The particles and their precursor gases are emitted from various anthropogenic and natural sources. It is important to know the origin and properties of aerosols to efficiently reduce their harmful effects. The diameter of aerosol particles (Dp) varies between ~0.001 and ~100 μm. Fine particles (PM2.5: Dp < 2.5 μm) are especially interesting because they are the most harmful and can be transported over long distances. The aim of this thesis is to study the impact on air quality by pollution episodes of long-range transported aerosols affecting the composition of the boundary-layer atmosphere in remote and relatively unpolluted regions of the world. The sources and physicochemical properties of aerosols were investigated in detail, based on various measurements (1) in southern Finland during selected long-range transport (LRT) pollution episodes and unpolluted periods and (2) over the Atlantic Ocean between Europe and Antarctica during a voyage. Furthermore, the frequency of LRT pollution episodes of fine particles in southern Finland was investigated over a period of 8 years, using long-term air quality monitoring data. In southern Finland, the annual mean PM2.5 mass concentrations were low but LRT caused high peaks of daily mean concentrations every year. At an urban background site in Helsinki, the updated WHO guideline value (24-h PM2.5 mean 25 μg/m3) was exceeded during 1-7 LRT episodes each year during 1999-2006. The daily mean concentrations varied between 25 and 49 μg/m3 during the episodes, which was 3-6 times higher than the mean concentration in the long term. The in-depth studies of selected LRT episodes in southern Finland revealed that biomass burning in agricultural fields and wildfires, occurring mainly in Eastern Europe, deteriorated air quality on a continental scale. The strongest LRT episodes of fine particles resulted from open biomass-burning fires but the emissions from other anthropogenic sources in Eastern Europe also caused significant LRT episodes. Particle mass and number concentrations increased strongly in the accumulation mode (Dp ~ 0.09-1 μm) during the LRT episodes. However, the concentrations of smaller particles (Dp < 0.09 μm) remained low or even decreased due to the uptake of vapours and molecular clusters by LRT particles. The chemical analysis of individual particles showed that the proportions of several anthropogenic particle types increased (e.g. tar balls, metal oxides/hydroxides, spherical silicate fly ash particles and various calcium-rich particles) in southern Finland during an LRT episode, when aerosols originated from the polluted regions of Eastern Europe and some open biomass-burning smoke was also brought in by LRT. During unpolluted periods when air masses arrived from the north, the proportions of marine aerosols increased. In unpolluted rural regions of southern Finland, both accumulation mode particles and small-sized (Dp ~ 1-3 μm) coarse mode particles originated mostly from LRT. However, the composition of particles was totally different in these size fractions. In both size fractions, strong internal mixing of chemical components was typical for LRT particles. Thus, the aging of particles has significant impacts on their chemical, hygroscopic and optical properties, which can largely alter the environmental and health effects of LRT aerosols. Over the Atlantic Ocean, the individual particle composition of small-sized (Dp ~ 1-3 μm) coarse mode particles was affected by continental aerosol plumes to distances of at least 100-1000 km from the coast (e.g. pollutants from industrialized Europe, desert dust from the Sahara and biomass-burning aerosols near the Gulf of Guinea). The rate of chloride depletion from sea-salt particles was high near the coasts of Europe and Africa when air masses arrived from polluted continental regions. Thus, the LRT of continental aerosols had significant impacts on the composition of the marine boundary-layer atmosphere and seawater. In conclusion, integration of the results obtained using different measurement techniques captured the large spatial and temporal variability of aerosols as observed at terrestrial and marine sites, and assisted in establishing the causal link between land-bound emissions, LRT and air quality. Aerosolihiukkaset ovat ilmassa leijuvia nestemäisiä ja kiinteitä hiukkasia, joiden koko vaihtelee 0,001 ja 100 μm (mikrometri = millimetrin tuhannesosa) välillä. Erityisesti pienhiukkaset (PM2,5 eli koko alle 2,5 μm) voivat aiheuttaa vakavia ympäristö- ja terveyshaittoja. Suomessa, sekä maaseudulla että kaupungeissa, suurin osa ilmassa leijuvasta pienhiukkasmassasta on kaukokulkeutunut maan rajojen ulkopuolelta. Jotta hiukkasten haitallisia vaikutuksia voitaisiin torjua mahdollisimman tehokkaasti, tarvitaan entistä tarkempaa tietoa niiden ominaisuuksista ja lähteistä. Tässä työssä tutkittiin, kuinka kaukokulkeutuneiden aerosolien aiheuttamat saaste-episodit vaikuttavat ilmanlaatuun. Hiukkasten lähteitä ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia selvitettiin monilla mittauksilla, jotka tehtiin (1) Etelä-Suomessa valikoitujen kaukokulkeumaepisodien ja puhtaiden jaksojen aikaan sekä (2) Atlantin valtamerellä Euroopan ja Etelämantereen välisen merimatkan aikana. Lisäksi pienhiukkasten kaukokulkeumaepisodien yleisyyttä tutkittiin ilmanlaadun seurantatulosten perusteella Etelä-Suomessa kahdeksan vuoden jaksolla. Pienhiukkaspitoisuudet ovat vuositasolla matalia Etelä-Suomessa, mutta kaukokulkeumaepisodit aiheuttavat korkeita vuorokausipitoisuushuippuja joka vuosi. Maailman terveysjärjestön (WHO) ohjearvo pienhiukkasten vuorokausipitoisuudelle (25 µg/m3) ylittyi Helsingin kaupunkitausta-asemalla Kalliossa 1-7 kaukokulkeumaepisodin aikana vuosittain jaksolla 1999-2006. Pienhiukkaspitoisuudet nousivat pääkaupunkiseudulla episodien vuoksi suunnilleen samalle tasolle kuin Euroopan saasteisimpien kaupunkien tavanomaiset pitoisuudet. Suurin osa kaukokulkeutuneesta hiukkasmassasta kuului pienhiukkasten kokoluokkaan. Voimakkaimpien kaukokulkeumaepisodien aikaan Suomeen kulkeutui Itä-Euroopan maastopalojen ja peltojen kulotusten päästöistä peräisin olevia hiukkasia. Myös muut Itä-Euroopan ihmistoiminnasta peräisin olevat päästöt (mm. energiantuotannosta, liikenteestä, teollisuudesta ja pienpoltosta) aiheuttivat melko voimakkaita kaukokulkeumajaksoja Etelä-Suomessa. Avopaloista ja ihmistoiminnasta peräisin olevien hiukkastyyppien (mm. tervapallot, metallioksidit/hydroksidit, pallomaiset lentotuhkahiukkaset ja kalsiumrikkaat hiukkaset) lukumääräosuudet kasvoivat kaukokulkeumaepisodien aikaan. Merisuolahiukkasten osuus kasvoi, kun ilmamassat saapuivat pohjoisesta hyvin puhtailla mittausjaksoilla. Kaukokulkeutumisen aikana yksittäishiukkasiin oli kertynyt ja sekoittunut useita kemiallisia komponentteja (ns. internal mixing), mikä voi muuttaa voimakkaasti hiukkasten aiheuttamia ympäristö- ja terveysvaikutuksia. Atlantin valtamerellä mantereilta peräisin olevat aerosolit vaikuttivat hiukkaskoostumukseen ainakin 100-1000 km etäisyydellä rannikosta (mm. saasteita Euroopasta, autiomaapölyä Saharasta ja biomassan poltosta peräisin olevia aerosoleja Guineanlahden lähettyviltä). Mantereisista lähteistä peräisin olevilla aerosoleilla on näin ollen merkittäviä vaikutuksia sekä ilmakehän että meriveden koostumukseen kaukana niiden lähdealueista. Useita mittausmenetelmiä yhdistelemällä saadut tulokset osoittivat, että erilaisten kaukokulkeutuneiden aerosolien vaikutus ilmanlaatuun vaihtelee voimakkaasti ajan ja paikan suhteen sekä mantereella että merellä.

Vehicles affect the concentrations of ambient airborne particles through exhaust emissions, but particles are also formed in the mechanical processes in the tire-road interface, brakes, and engine. Particles deposited on or in the vicinity of the road may be re-entrained, or resuspended, into air through vehicle-induced turbulence and shearing stress of the tires. A commonly used term for these particles is road dust . The processes affecting road dust emissions are complex and currently not well known. Road dust has been acknowledged as a dominant source of PM10 especially during spring in the sub-arctic urban areas, e.g. in Scandinavia, Finland, North America and Japan. The high proportion of road dust in sub-arctic regions of the world has been linked to the snowy winter conditions that make it necessary to use traction control methods. Traction control methods include dispersion of traction sand, melting of ice with brine solutions, and equipping the tires with either metal studs (studded winter tires), snow chains, or special tire design (friction tires). Several of these methods enhance the formation of mineral particles from pavement wear and/or from traction sand that accumulate in the road environment during winter. When snow and ice melt and surfaces dry out, traffic-induced turbulence makes some of the particles airborne. A general aim of this study was to study processes and factors underlying and affecting the formation and emissions of road dust from paved road surfaces. Special emphasis was placed on studying particle formation and sources during tire road interaction, especially when different applications of traction control, namely traction sanding and/or winter tires were in use. Respirable particles with aerodynamic diameter below 10 micrometers (PM10) have been the main concern, but other size ranges and particle size distributions were also studied. The following specific research questions were addressed: i) How do traction sanding and physical properties of the traction sand aggregate affect formation of road dust? ii) How do studded tires affect the formation of road dust when compared with friction tires? iii) What are the composition and sources of airborne road dust in a road simulator and during a springtime road dust episode in Finland? iv) What is the size distribution of abrasion particles from tire-road interaction? The studies were conducted both in a road simulator and in field conditions. The test results from the road simulator showed that traction sanding increased road dust emissions, and that the effect became more dominant with increasing sand load. A high percentage of fine-grained anti-skid aggregate of overall grading increased the PM10 concentrations. Anti-skid aggregate with poor resistance to fragmentation resulted in higher PM levels compared with the other aggregates, and the effect became more significant with higher aggregate loads. Glaciofluvial aggregates tended to cause higher particle concentrations than crushed rocks with good fragmentation resistance. Comparison of tire types showed that studded tires result in higher formation of PM emissions compared with friction tires. The same trend between the tires was present in the tests with and without anti-skid aggregate. This finding applies to test conditions of the road simulator with negligible resuspension. Source and composition analysis showed that the particles in the road simulator were mainly minerals and originated from both traction sand and pavement aggregates. A clear contribution of particles from anti-skid aggregate to ambient PM and dust deposition was also observed in urban conditions. The road simulator results showed that the interaction between tires, anti-skid aggregate and road surface is important in dust production and the relative contributions of these sources depend on their properties. Traction sand grains are fragmented into smaller particles under the tires, but they also wear the pavement aggregate. Therefore particles from both aggregates are observed. The mass size distribution of traction sand and pavement wear particles was mainly coarse, but fine and submicron particles were also present. Moottoriajoneuvot päästävät hiukkasia ilmaan pakokaasujen mukana, mutta niitä muodostuu myös mekaanisissa prosesseissa tien pinnan ja renkaan vuorovaikutuksessa, jarruissa ja moottorissa. Lisäksi hiukkaset, jotka ovat laskeutuneet tien pinnalle tai sen lähettyville voivat nousta ilmaan uudelleen ajoneuvojen aiheuttamien ilmavirtojen tai renkaiden nostattamina (resuspensio). Yleistermi näille hiukkasille on katupöly . Katupölyn muodostumiseen ja päästöihin vaikuttavat prosessit ovat monimutkaisia ja tällä hetkellä huonosti tunnettuja. Katupöly muodostaa erityisesti keväisin merkittävän osan keuhkohengitettävistä PM10 hiukkasista maapallon pohjoisilla alueilla kuten Skandinaviassa, Pohjois-Amerikassa ja Japanissa. Korkeat katupölypitoisuuksien on esitetty olevan seurausta lumisista ja jäisistä talviolosuhteista, joiden takia liikenteessä on käytettävä liukkaudentorjuntaa. Liukkaudentorjuntamenetelminä käytetään esimerkiksi talvihiekoitusta ja teiden suolausta. Lisäksi autoissa käytetään joko nastallisia tai nastattomia talvirenkaita (kitkarenkaita), joiden suunnittelussa on erityisesti kiinnitetty huomiota renkaiden pitoon liukkaissa talviolosuhteissa. Useat liukkaudentorjuntamenetelmistä lisäävät mineraalihiukkasten muodostumista tien päällysteen tai hiekoitushiekan kulumatuotteina. Muodostuneet hiukkaset kerääntyvät tieympäristöön talven aikana. Keväällä kun lumi ja jään sulaa ja pinnat kuivuvat, hiukkasia nousee ilmaan merkittäviä määriä mm. liikenteen aiheuttamien ilmavirtauksien nostamina. Yleisenä tavoitteena tutkimuksessa oli selvittää katupölyn muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä ja prosesseja päällystetyillä pinnoilla. Erityisenä painopisteenä oli tutkia hiukkasten muodostumista tien pinnan ja renkaan vuorovaikutuksessa, käytettäessä talvirenkaita ja hiekoitusmursketta. Mittausten kohteena olivat keuhkohengitettävät hiukkaset, joiden aerodynaaminen halkaisija on alle 10 mikrometriä (PM10), mutta myös muita hiukkaskokoluokkia tutkittiin. Tutkimuksessa selvitettiin seuraavia kysymyksiä: i) Miten talvihiekoitus ja hiekoitusmateriaalin fysikaaliset ominaisuudet vaikuttivat katupölyn muodostumiseen? ii) Miten nastoitetut talvirenkaat erosivat pölyn muodostumisen osalta nastoittamattomista talvirenkaista (kitkarenkaista)? iii) Mikä oli katupölyn koostumus ja lähteet testiradalla sekä keväisen katupölyepisodin aikana Suomessa? iv) Mikä oli tien ja renkaan vuorovaikutuksessa syntyneiden hiukkasten kokojakauma? Tutkimukset suoritettiin testiradalla ja kaupunkiolosuhteissa. Testiradalla saatujen koetulosten perusteella hiekoitus lisäsi PM10-katupölyn muodostumista ja että päästöt kasvoivat hiekoitusmurskeen määrää lisättäessä. Pölyn muodostumista lisäsivät lisäksi murskeen heikompi iskunkestävyys sekä materiaalin korkea hienoainespitoisuus. Rengastyyppien vertailu koeolosuhteissa osoitti, että pölyä muodostui enemmän nastoitetuilla talvirenkailla kuin nastoittamattomilla, nk. kitkarenkailla. Sama trendi havaittiin myös hiekoitetuissa testeissä. Koeolosuhteissa havaitut hiukkaset olivat pääasiassa mineraaleja ja peräisin päällysteen kiviaineksesta ja/tai hiekoitusmurskeesta. Hiekoitetuissa kokeissa havaittiin nk. hiekkapaperi-ilmiö: hiekoitusmurske hajoaa pienemmiksi partikkeleiksi renkaan alla, mutta syntyneet partikkelit kuluttavat myös päällystettä. Näin ollen pölyssä havaitaan hiukkasia molemmista lähteistä. Myös kaupunkiolosuhteissa talvihiekoituksen havaittiin olevan tärkeä hiukkaslähde. Hiukkasten massakokojakaumassa karkeat hiukkaset muodostavat valtaosan, mutta myös pienhiukkasia (PM2.5) havaittiin.

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential elements for all living organisms. However, in excess, they contribute to several environmental problems such as aquatic and terrestrial eutrophication. Globally, human action has multiplied the volume of N and P cycling since the onset of industrialization. The multiplication is a result of intensified agriculture, increased energy consumption and population growth. Industrial ecology (IE) is a discipline, in which human interaction with the ecosystems is investigated using a systems analytical approach. The main idea behind IE is that industrial systems resemble ecosystems, and, like them, industrial systems can then be described using material, energy and information flows and stocks. Industrial systems are dependent on the resources provided by the biosphere, and these two cannot be separated from each other. When studying substance flows, the aims of the research from the viewpoint of IE can be, for instance, to elucidate the ways how the cycles of a certain substance could be more closed and how the flows of a certain substance could be decreased per unit of production (= dematerialization). In Finland, N and P are studied widely in different ecosystems and environmental emissions. A holistic picture comparing different societal systems is, however, lacking. In this thesis, flows of N and P were examined in Finland using substance flow analysis (SFA) in the following four subsystems: I) forest industry and use of wood fuels, II) food production and consumption, III) energy, and IV) municipal waste. A detailed analysis at the end of the 1990s was performed. Furthermore, historical development of the N and P flows was investigated in the energy system (III) and the municipal waste system (IV). The main research sources were official statistics, literature, monitoring data, and expert knowledge. The aim was to identify and quantify the main flows of N and P in Finland in the four subsystems studied. Furthermore, the aim was to elucidate whether the nutrient systems are cyclic or linear, and to identify how these systems could be more efficient in the use and cycling of N and P. A final aim was to discuss how this type of an analysis can be used to support decision-making on environmental problems and solutions. Of the four subsystems, the food production and consumption system and the energy system created the largest N flows in Finland. For the creation of P flows, the food production and consumption system (Paper II) was clearly the largest, followed by the forest industry and use of wood fuels and the energy system. The contribution of Finland to N and P flows on a global scale is low, but when compared on a per capita basis, we are one of the largest producers of these flows, with relatively high energy and meat consumption being the main reasons. Analysis revealed the openness of all four systems. The openness is due to the high degree of internationality of the Finnish markets, the large-scale use of synthetic fertilizers and energy resources and the low recycling rate of many waste fractions. Reduction in the use of fuels and synthetic fertilizers, reorganization of the structure of energy production, reduced human intake of nutrients and technological development are crucial in diminishing the N and P flows. To enhance nutrient recycling and replace inorganic fertilizers, recycling of such wastes as wood ash and sludge could be promoted. SFA is not usually sufficiently detailed to allow specific recommendations for decision-making to be made, but it does yield useful information about the relative magnitude of the flows and may reveal unexpected losses. Sustainable development is a widely accepted target for all human action. SFA is one method that can help to analyse how effective different efforts are in leading to a more sustainable society. SFA's strength is that it allows a holistic picture of different natural and societal systems to be drawn. Furthermore, when the environmental impact of a certain flow is known, the method can be used to prioritize environmental policy efforts. Typpi (N) ja fosfori (P) ovat elintärkeitä alkuaineita kaikille olioille. Liiallisissa määrin ympäristössä ne kuitenkin aiheuttavat monia ongelmia kuten vesistöjen ja maaperän rehevöitymistä. On arvioitu, että maailmanlaajuisessa mittakaavassa ihmistoiminta on moninkertaistanut typen ja fosforin kiertomäärän ja -nopeuden teollistumisesta alkaen. Pääasiallisina syinä ovat maatalouden tehostuminen, energiankäytön lisääntyminen ja väestömäärän kasvu. Teollisessa ekologiassa ihmisten vuorovaikutusta ekosysteemien kanssa tarkastellaan systeemianalyyttisen lähestymistavan avulla. Teollisen ekologian perusajatus on, että teolliset järjestelmät muistuttavat ekosysteemeitä, ja niitä voidaan näin ollen kuvata materiaali-, energia- ja tietovirtojen ja varantojen avulla. Teolliset järjestelmät ovat riippuvaisia biosfäärin tarjoamista resursseista, eikä näitä kahta voida erottaa toistaan. Kun tutkitaan ainevirtoja, on teollisen ekologian näkökulmasta tavoitteena muun muassa etsiä ja havainnollistaa tapoja, kuinka tietyn aineen kierto voisi olla entistä suljetumpi. Lisäksi voidaan tutkia esimerkiksi dematerialisaatiota eli sitä, miten tietyn yhdisteen virtoja voitaisiin pienentää tuotettuun määrään verrattuna. Suomessa typpeä ja fosforia sekä niiden käyttäytymistä, kiertoa ja vaikutuksia on tutkittu kattavasti eri ekosysteemeissä. Lisäksi päästöjä ympäristöön on selvitetty paljon. Kattava kokonaiskuva, joka vertailee typpeä ja fosforia eri yhteiskunnallisissa järjestelmissä, on kuitenkin puuttunut. Tässä tutkimuksessa typen ja fosforin virtoja tarkasteltiin ainevirta-analyysilla neljässä järjestelmässä: I) metsäteollisuus ja puupolttoaineiden käyttö, II) ruoan tuotanto ja kulutus, III) energia ja IV) yhdyskuntajätteet. Näistä tehtiin yksityiskohtainen 1990-luvun loppua koskeva analyysi. Lisäksi typen ja fosforin virtojen historiallista kehitystä tutkittiin energiajärjestelmässä (III) ja yhdyskuntajätejärjestelmässä (IV). Pääasialliset tietolähteet olivat viralliset tilastot, kirjallisuus, päästöjen tarkkailuaineisto ja asiantuntija-arviot. Tutkimuksen tarkoituksena oli tunnistaa tärkeimmät typen ja fosforin virrat neljässä järjestelmässä Suomessa sekä laskea virtojen suuruus. Lisäksi tarkoituksena oli tarkastella, ovatko kyseisten järjestelmien typpi- ja fosforivirrat suljettuja vai avoimia sekä löytää tapoja, kuinka typen ja fosforin käyttöä ja kiertoa voitaisiin tehostaa. Tavoitteena oli myös pohtia, kuinka hyvin ainevirta-analyysi soveltuu ympäristöongelmia ja niiden ratkaisuja koskevan päätöksenteon tueksi. Tarkastelluista neljästä järjestelmästä ruoan tuotanto ja kulutus ja energiajärjestelmä tuottivat suurimmat typen virrat. Fosforin virtojen aiheuttajana ruoan tuotanto ja kulutus oli merkittävin. Suomen merkitys maailmanlaajuiseen ravinnekiertoon on vähäinen, mutta asukasmäärään suhteutettuna Suomi on yksi merkittävämpiä typpi- ja fosforivirtojen aiheuttajia. Syitä ovat suhteellisen korkea energian- ja lihankulutus. Tutkimus osoitti kaikkien neljän systeemin avoimuuden, mikä johtuu suomalaisen kaupan kansainvälisyydestä, keinolannoitteiden mittavasta käytöstä, suhteellisen suuresta energiankulutuksesta ja monien jätejakeiden alhaisesta kierrätysasteesta. Polttoaineiden ja keinolannoitteiden käytön vähentäminen, energiantuotantorakenteen uudistaminen, ihmisten ravinteiden kulutuksen (ruoassa) vähentäminen ja teknologinen kehitys ovat olennaisia keinoja pienentää typpi- ja fosforivirtoja. Puutuhkan ja lietteen kierrätyksen avulla voitaisiin edistää ravinnekiertojen sulkeutumista ja korvata keinolannoitteita. Ainevirta-analyysi ei ole yleensä riittävän tarkka menetelmä tuottaakseen yksityiskohtaisia johtopäätöksiä päätöksentekijöille. Sen avulla voidaan tuottaa käyttökelpoista tietoa eri virtojen suhteellisista osuuksista ja se voi myös paljastaa odottamattomia aineiden hävikkejä. Kestävyys on yleisesti hyväksytty tavoite kaikessa ihmistoiminnassa. Ainevirta-analyysi on yksi menetelmä, jonka avulla voidaan tarkastella tapoja, miten kohti kestävämpää yhteiskuntaa päästään. Ainevirta-analyysin vahvuutena on, että sen avulla voidaan tuottaa kokonaiskuva eri luonnon- ja yhteiskunnan järjestelmistä. Kun lisäksi kunkin virran ympäristövaikutus tiedetään, menetelmää voidaan käyttää ympäristöpoliittisten toimenpiteiden priorisointiin

The overall aim of this dissertation was to study the public's preferences for forest regeneration fellings and field afforestations, as well as to find out the relations of these preferences to landscape management instructions, to ecological healthiness, and to the contemporary theories for predicting landscape preferences. This dissertation includes four case studies in Finland, each based on the visualization of management options and surveys. Guidelines for improving the visual quality of forest regeneration and field afforestation are given based on the case studies. The results show that forest regeneration can be connected to positive images and memories when the regeneration area is small and some time has passed since the felling. Preferences may not depend only on the management alternative itself but also on the viewing distance, viewing point, and the scene in which the management options are implemented. The current Finnish forest landscape management guidelines as well as the ecological healthiness of the studied options are to a large extent compatible with the public's preferences. However, there are some discrepancies. For example, the landscape management instructions as well as ecological hypotheses suggest that the retention trees need to be left in groups, whereas people usually prefer individually located retention trees to those trees in groups. Information and psycho-evolutionary theories provide some possible explanations for people's preferences for forest regeneration and field afforestation, but the results cannot be consistently explained by these theories. The preferences of the different stakeholder groups were very similar. However, the preference ratings of the groups that make their living from forest - forest owners and forest professionals - slightly differed from those of the others. These results provide support for the assumptions that preferences are largely consistent at least within one nation, but that knowledge and a reference group may also influence preferences. Väitöskirjassa tutkittiin ihmisten maisemapreferenssejä (maisemallisia arvostuksia) metsänuudistamishakkuiden ja pellonmetsitysten suhteen sekä analysoitiin näiden preferenssien yhteyksiä maisemanhoito-ohjeisiin, vaihtoehtojen ekologiseen terveyteen ja preferenssejä ennustaviin teorioihin. Väitöskirja sisältää neljä tapaustutkimusta, jotka perustuvat hoitovaihtoehtojen visualisointiin ja kyselytutkimuksiin. Tapaustutkimusten pohjalta annetaan ohjeita siitä, kuinka uudistushakkuiden ja pellonmetsitysten visuaalista laatua voidaan parantaa. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että uudistamishakkuut voivat herättää myös myönteisiä mielikuvia ja muistoja, jos uudistusala on pieni ja hakkuun välittömät jäljet ovat jo peittyneet. Preferensseihin vaikuttaa hoitovaihtoehdon lisäksi mm. katseluetäisyys, katselupiste ja ympäristö, jossa vaihtoehto on toteutettu. Eri viiteryhmien (metsäammattilaiset, pääkaupunkiseudun asukkaat, ympäristönsuojelijat, tutkimusalueiden matkailijat, paikalliset asukkaat sekä metsänomistajat) maisemapreferenssit olivat hyvin samankaltaisia. Kuitenkin ne ryhmät, jotka saavat ainakin osan elannostaan metsästä - metsänomistajat ja metsäammattilaiset - pitivät metsänhakkuita esittävistä kuvista hieman enemmän kuin muut ryhmät. Nämä tulokset tukevat oletusta, että maisemapreferenssit ovat laajalti yhteneväisiä ainakin yhden kansan tai kulttuurin keskuudessa, vaikka myös viiteryhmä saattaa vaikuttaa preferensseihin jonkin verran. Nykyiset metsämaisemanhoito-ohjeet ovat pitkälti samankaltaisia tässä väitöskirjassa havaittujen maisemapreferenssien kanssa. Myöskään tutkittujen vaihtoehtoisten hoitotapojen ekologisen paremmuuden ja niihin kohdistuvien maisemallisten arvostusten välillä ei ollut suurta ristiriitaa. Kuitenkin joitakin eroavaisuuksia oli; esimerkiksi sekä maisemanhoito-ohjeiden että ekologisten hypoteesien mukaan säästöpuut tulisi jättää ryhmiin, kun taas ihmiset pitivät eniten yksittäin jätetyistä puista. Informaatiomalli ja psyko-evolutionaarinen teoria tarjoavat mahdollisia selityksiä uudistushakkuisiin ja pellonmetsitykseen kohdistuville preferensseille, vaikkakaan tutkimuksen tuloksia ei voida täysin selittää näillä teorioilla.