Artikkelit jotka sisältävät avainsanan 'hiili'.

Lilli Kaarakka. (2018). Soil changes and long-term ecosystem recovery from physical and chemical load – stump harvesting and sprinkling infiltration as case studies. https://doi.org/10.14214/df.260

Maaperä on metsäekosysteemin rakenteen ja toiminnan perusta. Maaperän biologiset, kemialliset ja fysikaaliset prosessit säätelevät koko metsän hiilen, ravinteiden ja veden kiertoa. Ihmisen toimenpiteet muuttavat suomalaisten metsämaiden rakennetta ja toimintaa ja edelleen metsäekosysteemin häiriödynamiikkaa.

Tässä väitöskirjassa määritettiin kahden maaperän rakenteeseen ja kemialliseen koostumukseen vaikuttavan toimenpiteen − kantojen korjuun ja tekopohjaveden muodostamisen – pitkäaikaisvaikutuksia metsämaaperän ja -kasvillisuuden rakenteeseen, toimintaan ja toipumiseen. Kantojen korjuussa maaperän pintakerros häiriintyy ja siitä poistuu hiiltä ja ravinteita korjattavien juurten ja kantojen mukana. Tekopohjaveden muodostaminen sadettamalla ravinnerikasta järvivettä harjualueille puolestaan lisää maaperään hiiltä ja ravinteita, ja käsittelyn tuloksena maaperän kemiallinen koostumus muuttuu ja metsäekosysteemi rehevöityy. Aiemmat kotimaiset tutkimukset näiden toimenpiteiden vaikutuksista on tehty korkeintaan muutamia vuosia toimenpiteiden päättymisen jälkeen eikä vaikutusten kestoa ja ekosysteemien toipumisnopeutta tunneta.

Kantojen korjuun vaikutuksia tutkittiin Keski- ja Etelä-Suomessa sijaitsevilla metsäalueilla ja tekopohjaveden ekosysteemivaikutuksia Keski-Suomessa sadetusimeytystä käyttävällä tekopohjavesilaitoksella. Tutkimuksissa tarkasteltiin metsäekosysteemin toipumista toimenpiteistä, jotka olivat päättyneet yli 10 vuotta aiemmin. Tulokset osoittavat, että kantojen korjuun ja sen jälkeen tehtävän maanmuokkauksen seurauksena kuusikoiden maaperän pintakerros häiriintyy laajalti rakenteeltaan ainakin yli 10 vuoden ajaksi. Orgaanisen aineen jakauman muuttuminen heijastuu maaperän hiilen ja typen dynamiikkaan. Suomalaisten havupuiden kannot ja paksujuuret ovat huomattava hiilen ja ravinteiden pitkäaikaisvarasto maaperässä, ja kantojen korjuun merkittävin ekologinen vaikutus on lahopuun ja sen hiilivaraston määrän väheneminen.

Tekopohjaveden muodostaminen sadettamalla muutti maaperän happamuuden ja ravinteisuuden sekä edelleen kasvilajiston, ja muutokset kestivät pitkään imeytyksen lopettamisen jälkeen. Tekopohjavesialueilla maaperän pH ja ravinteiden pitoisuudet olivat 12−15 vuoden jälkeen sadetuksen päättymisestä edelleen huomattavasti korkeampia sadetetuilla koealoilla kuin vertailualoilla. Myös aluskasvillisuuden lajien runsaussuhteet ja dynamiikka olivat edelleen muuttuneita.

Tulokset osoittavat, että maan pintakerroksen rakenne ja toiminta häiriintyy pitkäaikaisesti molempien käsittelyjen seurauksena. Ympäristövaikutusten keston ja niistä toipumisen tunteminen on ensiarvoisen tärkeää, jotta toimenpiteitä, kuten metsäenergian korjuuta ja sen päätöksentekoa ja vastaavasti tekopohjavesilaitosten toimintaa voidaan suunnitella mahdollisimman pienin ympäristöhaitoin.

  • Kaarakka, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti lilli.kaarakka@helsinki.fi (email)
Sampo Pihlainen. (2017). On the economics of boreal Scots pine management under climate change. https://doi.org/10.14214/df.246

Tässä väitöskirjassa tutkitaan taloudellisesti kannattavinta tapaa hyödyntää mäntymetsiköitä. Laskennassa määritetään optimaalinen metsikön alkutiheys, harvennushakkuiden optimaalinen ajoitus, lukumäärä, intensiteetti ja tyyppi (ylä- vai alaharvennus), sekä päätehakkuun ajankohta. Työssä käytetään tarkkoja uudistamis- ja hakkuukustannuksia sekä puutavaran laadusta riippuvia hintoja. Metsänomistaja saa tuloja paitsi puun myynnistä, myös hakkuutähteiden myynnistä bioenergiaksi sekä hiilen sitomisesta kasvavaan metsään. Jälkimmäinen tulo perustuu Uudessa-Seelannissa jo käytössä olevaan hiilitukijärjestelmään, jollaista on ehdotettu Suomeenkin. Väitöskirjan viimeisessä osassa otetaan huomioon muuttuvan ilmaston vaikutus puiden kasvuun.

Väitöskirjan optimointitulokset on ratkaistu monitieteisellä ekologis-taloudellisella mallilla. Mäntymetsiköiden kasvua yksityiskohtaisesti kuvaava prosessipohjainen ekologinen malli yhdistetään taloudelliseen kuvaukseen mäntypuustojen hoidon yksityiskohdista. Prosessipohjaisessa mallissa metsikön kasvu lasketaan hyödyntäen ekologista tietämystä puun yhteytystuotoksen jakaantumisesta puun eri toimintojen välillä. Tällainen malli tuottaa luotettavampia tuloksia kuin metsäkoealojen kasvun perusteella rakennetut tilastollis-empiiriset mallit, kun metsän kasvua arvioidaan ennen kokemattomissa metsän kasvuolosuhteissa tai kun metsää käsitellään uusilla käsittelyketjuilla ja toimenpiteillä.

Tulokset on määritetty erikseen kaikille Fennoskandian puuntuotannon kannalta olennaisille männyn kasvuolosuhteille. Tulosten perusteella vaikuttaa välttämättömältä, että käytössä on riittävän yksityiskohtainen malli, ja että kaikki metsänkäsittelyä määrittävät muuttujat (puuston alkutiheys ja hakkuuvalinnat) optimoidaan samanaikaisesti. Taloudellisiin optimiratkaisuihin vaikuttavat tulosten mukaan puuston kasvuolosuhteet, käytetty diskonttokorko, ja käytössä olevan hiilitukijärjestelmän tyyppi sekä tuen taso.

Hiilitukijärjestelmä muuttaa taloudellista optimiratkaisua hiilensidontaa lisäävään suuntaan mutta samalla puunmyyntitulot alenevat. Näitä hiilensidonnan kustannuksia tarkastellaan väitöskirjassa myös kansallisella tasolla mäntyvaltaisissa metsiköissä ja niitä verrataan hiilipäästöjen vähentämiskustannuksiin energiantuotannossa. Vertailusta käy ilmi, että Suomen mäntyvaltaisten metsiköiden hiilensidonnan lisääminen esimerkiksi hiilitukijärjestelmän avulla näyttää kustannustehokkaalta verrattuna päästöjen vähentämiseen talouden muilla sektoreilla.

Ilmastonmuutoksen myötä muuttuvat sekä metsiköiden kasvuolosuhteet että metsien taloudellisesti kannattavin käsittely. Metsänkäsittelyn sopeuttaminen muuttuvaan ilmastoon tuo merkittävän lisän metsänomistajan tuloihin.

  • Pihlainen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti sampo.pihlainen@helsinki.fi (email)
Sampo Pihlainen. (2017). On the economics of boreal Scots pine management under climate change. https://doi.org/10.14214/df.246

Tässä väitöskirjassa tutkitaan taloudellisesti kannattavinta tapaa hyödyntää mäntymetsiköitä. Laskennassa määritetään optimaalinen metsikön alkutiheys, harvennushakkuiden optimaalinen ajoitus, lukumäärä, intensiteetti ja tyyppi (ylä- vai alaharvennus), sekä päätehakkuun ajankohta. Työssä käytetään tarkkoja uudistamis- ja hakkuukustannuksia sekä puutavaran laadusta riippuvia hintoja. Metsänomistaja saa tuloja paitsi puun myynnistä, myös hakkuutähteiden myynnistä bioenergiaksi sekä hiilen sitomisesta kasvavaan metsään. Jälkimmäinen tulo perustuu Uudessa-Seelannissa jo käytössä olevaan hiilitukijärjestelmään, jollaista on ehdotettu Suomeenkin. Väitöskirjan viimeisessä osassa otetaan huomioon muuttuvan ilmaston vaikutus puiden kasvuun.

Väitöskirjan optimointitulokset on ratkaistu monitieteisellä ekologis-taloudellisella mallilla. Mäntymetsiköiden kasvua yksityiskohtaisesti kuvaava prosessipohjainen ekologinen malli yhdistetään taloudelliseen kuvaukseen mäntypuustojen hoidon yksityiskohdista. Prosessipohjaisessa mallissa metsikön kasvu lasketaan hyödyntäen ekologista tietämystä puun yhteytystuotoksen jakaantumisesta puun eri toimintojen välillä. Tällainen malli tuottaa luotettavampia tuloksia kuin metsäkoealojen kasvun perusteella rakennetut tilastollis-empiiriset mallit, kun metsän kasvua arvioidaan ennen kokemattomissa metsän kasvuolosuhteissa tai kun metsää käsitellään uusilla käsittelyketjuilla ja toimenpiteillä.

Tulokset on määritetty erikseen kaikille Fennoskandian puuntuotannon kannalta olennaisille männyn kasvuolosuhteille. Tulosten perusteella vaikuttaa välttämättömältä, että käytössä on riittävän yksityiskohtainen malli, ja että kaikki metsänkäsittelyä määrittävät muuttujat (puuston alkutiheys ja hakkuuvalinnat) optimoidaan samanaikaisesti. Taloudellisiin optimiratkaisuihin vaikuttavat tulosten mukaan puuston kasvuolosuhteet, käytetty diskonttokorko, ja käytössä olevan hiilitukijärjestelmän tyyppi sekä tuen taso.

Hiilitukijärjestelmä muuttaa taloudellista optimiratkaisua hiilensidontaa lisäävään suuntaan mutta samalla puunmyyntitulot alenevat. Näitä hiilensidonnan kustannuksia tarkastellaan väitöskirjassa myös kansallisella tasolla mäntyvaltaisissa metsiköissä ja niitä verrataan hiilipäästöjen vähentämiskustannuksiin energiantuotannossa. Vertailusta käy ilmi, että Suomen mäntyvaltaisten metsiköiden hiilensidonnan lisääminen esimerkiksi hiilitukijärjestelmän avulla näyttää kustannustehokkaalta verrattuna päästöjen vähentämiseen talouden muilla sektoreilla.

Ilmastonmuutoksen myötä muuttuvat sekä metsiköiden kasvuolosuhteet että metsien taloudellisesti kannattavin käsittely. Metsänkäsittelyn sopeuttaminen muuttuvaan ilmastoon tuo merkittävän lisän metsänomistajan tuloihin.

  • Pihlainen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti sampo.pihlainen@helsinki.fi (email)
Aino Korrensalo. (2017). Behind the stability of boreal bog carbon sink: Compositional and functional variation of vegetation across temporal and spatial scales. https://doi.org/10.14214/df.240

Boreaaliset suot ovat merkittäviä hiilen varastoja ja nieluja. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia, miten suon sisäinen vaihtelu kasvillisuuden rakenteessa vaikuttaa suoekosysteemin hiilinieluun. Tutkimuksessa mitattiin kasvilajin, kasviyhteisön ja ekosysteemin mittakaavatasoilla suon hiilinielun prosesseja: Fotosynteesiä, respiraatiota, kasvibiomassan koostumusta ja tuottoa, sekä nettohiilidioksidinvaihtoa.

Suon sisäinen vedenpinnan tason vaihtelu aiheutti voimakasta vaihtelua kasvilajikoostumuksessa ja elävän kasvibiomassan määrässä. Vedenpintagradientin kuivassa päässä varpuvaltaisilla mättäillä kasvillisuuden elävä biomassa oli suurempi kuin saravaltaisissa märissä kuljuissa. Hiilidioksidinvaihdon osaprosessit, respiraatio ja bruttofotosynteesi, olivat korkeimmillaan kuivissa kasviyhteisöissä. Tästä huolimatta nettohiilidioksidinvaihto ja biomassan tuotto olivat saman suuruisia kaikissa rahkasammalten vallitsemissa kasviyhteisöissä läpi koko vedenpintagradientin. Tämä tasainen biomassatuotto on seurausta kasvilajien toiminnallisista eroista; märkien habitaattien kasvilajien biomassatuotto oli mätäslajeja tehokkaampaa. Nettohiilidioksidinvaihdon tasaisuus vedenpintagradientilla puolestaan johtui respiraation ja bruttofotosynteesin hyvin symmetrisestä vasteesta vedenpinnan tasoon. Vain sammalettomilla ruoppapinnoilla biomassatuotto oli pienempää kuin muissa kasviyhteisöissä, ja ne toimivat pääasiassa hiilen lähteenä. Rahkasammalten peittämien kuljujen ja ruoppapintojen välillä on vain pieni ero vedenpinnan tasossa. Siksi muutokset kosteusoloissa saattaisivat muuttaa näiden kasviyhteisöjen määrää ekosysteemissä, ja aiheuttaa muutoksen ekosysteemin hiilinieluun.

Tässä tutkimuksessa havaittu saman suuruinen hiilinielu läpi suon vedenpintagradientin on ristiriidassa aiemman tutkimuksen kanssa. Toisaalta hiilinielun osaprosessien vaste ympäristötekijöihin oli samankaltainen kuin aiemmissa tutkimuksissa. Toiminnallisesti erilaisten kasvilajien määräsuhteet vaihtelevat soiden välillä. Tulosten perusteella suon sisäinen hiilinielun vaihtelu näyttää olevan voimakkaasti riippuvainen kyseiselle suolle ominaisesta kasvillisuuden rakenteesta.

Suokasvilajien ympäristövasteet ja kasvukaudenaikainen lehtialankehitys eroavat. Tässä tutkimuksessa kasvilajien ja –yhteisöjen fotosynteesin ja nettohiilidioksidinvaihdon havaittiin olevan suurimmillaan eri vaiheissa kasvukautta. Nämä lajien väliset erot puolestaan vähensivät kasvukaudenaikaista vaihtelua ekosysteemitason hiilinielussa. Tutkittujen kolmen vuoden välillä kasviyhteisöjen roolit ekosysteemin hiilinielussa vaihtelivat. Tutkimuksen perusteella toiminnallisesti vaihteleva kasvilajikoostumus saattaa lisätä suoekosysteemin toiminnan palautuvuutta (resilienssiä) muuttuvissa olosuhteissa. Tämä empiirinen tulos voidaan varmentaa prosessimallien avulla, jotka pyrkivät ennustamaan soiden hiilinielun muutoksia muuttuvassa ilmastossa. Tämän tutkimuksen tulokset korostavat, että toiminnallisesti erilaisten kasvillisuuskomponenttien vaste ympäristötekijöihin tulee huomioida näissä prosessimalleissa, jotta ennusteet soiden hiilinieluista olisivat mahdollisimman tarkkoja.

Aino Korrensalo. (2017). Behind the stability of boreal bog carbon sink: Compositional and functional variation of vegetation across temporal and spatial scales. https://doi.org/10.14214/df.240

Boreaaliset suot ovat merkittäviä hiilen varastoja ja nieluja. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia, miten suon sisäinen vaihtelu kasvillisuuden rakenteessa vaikuttaa suoekosysteemin hiilinieluun. Tutkimuksessa mitattiin kasvilajin, kasviyhteisön ja ekosysteemin mittakaavatasoilla suon hiilinielun prosesseja: Fotosynteesiä, respiraatiota, kasvibiomassan koostumusta ja tuottoa, sekä nettohiilidioksidinvaihtoa.

Suon sisäinen vedenpinnan tason vaihtelu aiheutti voimakasta vaihtelua kasvilajikoostumuksessa ja elävän kasvibiomassan määrässä. Vedenpintagradientin kuivassa päässä varpuvaltaisilla mättäillä kasvillisuuden elävä biomassa oli suurempi kuin saravaltaisissa märissä kuljuissa. Hiilidioksidinvaihdon osaprosessit, respiraatio ja bruttofotosynteesi, olivat korkeimmillaan kuivissa kasviyhteisöissä. Tästä huolimatta nettohiilidioksidinvaihto ja biomassan tuotto olivat saman suuruisia kaikissa rahkasammalten vallitsemissa kasviyhteisöissä läpi koko vedenpintagradientin. Tämä tasainen biomassatuotto on seurausta kasvilajien toiminnallisista eroista; märkien habitaattien kasvilajien biomassatuotto oli mätäslajeja tehokkaampaa. Nettohiilidioksidinvaihdon tasaisuus vedenpintagradientilla puolestaan johtui respiraation ja bruttofotosynteesin hyvin symmetrisestä vasteesta vedenpinnan tasoon. Vain sammalettomilla ruoppapinnoilla biomassatuotto oli pienempää kuin muissa kasviyhteisöissä, ja ne toimivat pääasiassa hiilen lähteenä. Rahkasammalten peittämien kuljujen ja ruoppapintojen välillä on vain pieni ero vedenpinnan tasossa. Siksi muutokset kosteusoloissa saattaisivat muuttaa näiden kasviyhteisöjen määrää ekosysteemissä, ja aiheuttaa muutoksen ekosysteemin hiilinieluun.

Tässä tutkimuksessa havaittu saman suuruinen hiilinielu läpi suon vedenpintagradientin on ristiriidassa aiemman tutkimuksen kanssa. Toisaalta hiilinielun osaprosessien vaste ympäristötekijöihin oli samankaltainen kuin aiemmissa tutkimuksissa. Toiminnallisesti erilaisten kasvilajien määräsuhteet vaihtelevat soiden välillä. Tulosten perusteella suon sisäinen hiilinielun vaihtelu näyttää olevan voimakkaasti riippuvainen kyseiselle suolle ominaisesta kasvillisuuden rakenteesta.

Suokasvilajien ympäristövasteet ja kasvukaudenaikainen lehtialankehitys eroavat. Tässä tutkimuksessa kasvilajien ja –yhteisöjen fotosynteesin ja nettohiilidioksidinvaihdon havaittiin olevan suurimmillaan eri vaiheissa kasvukautta. Nämä lajien väliset erot puolestaan vähensivät kasvukaudenaikaista vaihtelua ekosysteemitason hiilinielussa. Tutkittujen kolmen vuoden välillä kasviyhteisöjen roolit ekosysteemin hiilinielussa vaihtelivat. Tutkimuksen perusteella toiminnallisesti vaihteleva kasvilajikoostumus saattaa lisätä suoekosysteemin toiminnan palautuvuutta (resilienssiä) muuttuvissa olosuhteissa. Tämä empiirinen tulos voidaan varmentaa prosessimallien avulla, jotka pyrkivät ennustamaan soiden hiilinielun muutoksia muuttuvassa ilmastossa. Tämän tutkimuksen tulokset korostavat, että toiminnallisesti erilaisten kasvillisuuskomponenttien vaste ympäristötekijöihin tulee huomioida näissä prosessimalleissa, jotta ennusteet soiden hiilinieluista olisivat mahdollisimman tarkkoja.

Xin Jia. (2017). Dynamics and biophysical controls of carbon, water and energy exchange over a semiarid shrubland in northern China. https://doi.org/10.14214/df.238

Tutkimuksessa analysoitiin hiilen, veden ja energian vaihdon dynamiikkaa ja niihin vaikuttavia biofysikaalisia tekijöitä aavikkoisella pensasarolla Pohjois-Kiinassa, vuosina 2012-2014 tehtyjen hiilivuomittausten avulla. Alhainen maan vesipitoisuus vaikutti voimakkaasti hiilen assimilaatioon ja energiataseeseen eri vuorokauden ja vuoden aikoina. Alhainen vesipitoisuus vähensi päivällä ekosysteemin nettohiilenvaihtoa. Se vähensi myös kokonaishengityksen lämpötilariippuvuutta. Sadekuurot lisäsivät välittömästi hiilen vapautumista ekosysteemistä. Ne lisäsivät myös 1-2 päivän viiveellä hiilen sitoutumista ekosysteemiin. Kasvillisuuden lehtipinta-ala selitti 45 ja 65 % ekosysteemin nettohiilenvaihdon ja kokonaistuotannon kausittaisesta vaihtelusta. Vuosittaiset sääolosuhteet vaikuttivat voimakkaasti siihen, oliko ekosysteemi hiilen lähde vai nielu. Tarkastelujakson 2012-2014 kuluessa ekosysteemi muuttui hiilen nielusta (77 ± 10 g C m-2 yr-1 vuonna 2012) hiilen lähteeksi (-22 ± 5 g C m-2 yr-1 vuonna 2014). Tämä tutkimus osoitti, että biofysikaaliset tekijät säätelevät vahvasti aavikkoisen pensasaroekosysteemin hiilen, veden ja energian vaihdon dynamiikkaa. 

  • Jia, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti xinjia@bjfu.edu.cn (email)
Xin Jia. (2017). Dynamics and biophysical controls of carbon, water and energy exchange over a semiarid shrubland in northern China. https://doi.org/10.14214/df.238

Tutkimuksessa analysoitiin hiilen, veden ja energian vaihdon dynamiikkaa ja niihin vaikuttavia biofysikaalisia tekijöitä aavikkoisella pensasarolla Pohjois-Kiinassa, vuosina 2012-2014 tehtyjen hiilivuomittausten avulla. Alhainen maan vesipitoisuus vaikutti voimakkaasti hiilen assimilaatioon ja energiataseeseen eri vuorokauden ja vuoden aikoina. Alhainen vesipitoisuus vähensi päivällä ekosysteemin nettohiilenvaihtoa. Se vähensi myös kokonaishengityksen lämpötilariippuvuutta. Sadekuurot lisäsivät välittömästi hiilen vapautumista ekosysteemistä. Ne lisäsivät myös 1-2 päivän viiveellä hiilen sitoutumista ekosysteemiin. Kasvillisuuden lehtipinta-ala selitti 45 ja 65 % ekosysteemin nettohiilenvaihdon ja kokonaistuotannon kausittaisesta vaihtelusta. Vuosittaiset sääolosuhteet vaikuttivat voimakkaasti siihen, oliko ekosysteemi hiilen lähde vai nielu. Tarkastelujakson 2012-2014 kuluessa ekosysteemi muuttui hiilen nielusta (77 ± 10 g C m-2 yr-1 vuonna 2012) hiilen lähteeksi (-22 ± 5 g C m-2 yr-1 vuonna 2014). Tämä tutkimus osoitti, että biofysikaaliset tekijät säätelevät vahvasti aavikkoisen pensasaroekosysteemin hiilen, veden ja energian vaihdon dynamiikkaa. 

  • Jia, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti xinjia@bjfu.edu.cn (email)
Pauliina Schiestl-Aalto. (2017). Modelling intra- and inter-annual growth dynamics of Scots pine in the whole-tree carbon balance framework. https://doi.org/10.14214/df.234

Ympäristötekijät vaikuttavat puiden kasvuun kahta kautta; ne säätelevät sekä hetkellistä kasvunopeutta (suora vaikutus) että puun sisäisen tilan kehittymistä (epäsuora vaikutus). Fotosynteesi puolestaan on kasvuun, hengitykseen ja muihin elintoimintoihin tarvittavan hiilen lähde. Kahden vastakkaisen teorian mukaan kasvunopeuden määrittävä tekijä on joko 1) rajoitteet käytettävissä olevan hiilen määrässä (lähdeteoria) tai 2) ympäristötekijöiden aiheuttama rajoite kudosten kasvuedellytyksissä (nieluteoria). Jotta voisimme ymmärtää, miten muuttuvat ilmasto-olosuhteet vaikuttavat puiden kasvuun ja hiilitaseeseen, on välttämätöntä tietää, miten puun eri osien (puuaine, neulaset, juuret) kasvu reagoi ympäristö- ja muiden tekijöiden vaihteluun.

Tämän tutkimuksen tarkoitus oli 1) kvantifioida lämpötilan vaikutusta männyn kasvuun eri aikaskaaloilla ja 2) estimoida hiilen saatavuuden ja lämpötilan aiheuttamien rajoitteiden suhteellisia merkityksiä kasvua määrittelevänä tekijänä.

Näitä tarkoituksia varten muodostettiin dynaaminen kasvumalli CASSIA (Carbon Allocation Sink Source InterAction). Malli kuvaa vuorokausitasolla yksittäisen männyn hiilitaseen, jonka osia ovat fotosynteesi, hengitys, varastoidun hiilen määrä sekä neulasten, puuaineen ja juurten kasvu.

CASSIA ennusti puuaineen primääri- ja sekundäärikasvunopeuden sekä neulasten kasvunopeuden päivittäisen vaihtelun lämpötilan suorien ja epäsuorien vaikutusten perusteella. Lisäksi edellisen vuoden loppukesän lämpötilan ja verson kasvujakson pituuden (lämpösummayksiköissä) välillä havaittiin positiivinen yhteys. Kasvun käynnistyminen keväällä oli pitkäaikainen prosessi, joka selittyi lämpökertymällä hetkellisten lämpötilojen sijaan.

Lyhytaikaisten kasvunvaihtelujen todettiin olevan nielurajoitteisia, koska CASSIA ennusti vuodensisäisen kasvunvaihtelun lämpötilan perusteella ilman fotosynteesin tai varastoidun hiilen suoraa vaikutusta. Toisaalta vuosienvälinen kasvunvaihtelu saatiin ennustettua hiilen lähteen (GPP, bruttoprimäärituotos) perusteella.

Tämän tutkimuksen tulosten mukaan lähde- ja nieluvaikutusten monimutkainen yhdistelmä rajoittaa kasvua. Lisäksi ympäristötekijät vaikuttavat kasvuun useilla aikaskaaloilla, jotka vaihtelevat tunneista vuosiin. Lisää tutkimusta tarvitaan, jotta saadaan tunnistettua tekijät, jotka määräävät eri prosessien nopeudet ja hiilitaseen kehittymisen.

  • Schiestl-Aalto, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti piia.schiestl@helsinki.fi (email)
Markku Koskinen. (2017). Impacts of restoration of forestry-drained peatlands on nutrient and organic carbon exports and methane dynamics. https://doi.org/10.14214/df.232

Tutkimuksessa selvitettiin metsäojitettujen soiden ennallistamisen vaikutuksia ravinteiden ja orgaanisen hiilen huuhtoutumiseen ja metaanidynamiikkaan. Työ koostuu neljästä alitutkimuksesta. Kahdessa alitutkimuksessa selvitettiin vaikutuksia veden laatuun ja aineiden huuhtoutumiseen, ja ne toteutettiin valuma-aluetasolla. Yksi alitutkimus oli laboratoriokoe, jossa selvitettiin aineiden liukenemista turpeesta anaerobisessa muhituksessa, jolla jäljiteltiin hakkuuta tai ennallistamista seuraavaa nousevaa vedenpintaa. Neljäs tutkimus oli jälleen maastotutkimus, ja siinä selvitettiin luonnontilaisten, ojitettujen ja ennallistettujen korpien metaanipäästöjen eroavaisuuksia. Kaikkiaan tutkimuksessa käsiteltiin 24:ää eri suota, joista yksi oli mukana kahdessa eri alitutkimuksessa.

Tulokset viittaavat siihen, että ennallistamisella voi olla huomattavia vaikutuksia etenkin ravinnerikkaiden kuusivaltaisten soiden tapauksessa. Niissä havaittiin suurimmat liuenneen orgaanisen hiilen ja ravinteiden kuormitus ennallistamisen jälkeen valuma-aluetason tutkimuksissa. Niiltä havaittiin ennallistamisen jälkeen myös huomattavia metaanipäästöjä, suurempia kuin luonnontilaisilta tai ojitetuilta kohteilta. Tulosten perusteella tulisi edelleen tutkia ennallistamisen menetelmiä ja niitä prosesseja, jotka vaikuttavat havaittujen vaikutusten taustalla.

  • Koskinen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti markku.koskinen@helsinki.fi (email)
Md Parvez Rana. (2016). Selection of training areas for remote sensing-based forest above-ground biomass estimation. https://doi.org/10.14214/df.227

Tämän työn tavoitteena oli arvioida puuston maanpäällistä biomassaa (AGB) – yhtä keskeistä REDD ja REDD+ MRV -mekanismien metsäinventointiin liittyvistä muuttujista. Tämä tutkimus tarkasteli opetusaluekonseptia kaksivaiheisessa AGB-arvioinnissa käyttäen laserkeilausta (ALS) ja RapidEye -satelliittiaineistoa itä-Suomessa (tutkimus I), opetusalueen sijainnin vaikutusta (tutkimus II) ja (tutkimus II) ja maastoaineiston otoskoon vaikutusta (tutkimus III) käyttäen ALS-, RapidEye- ja Landsat-aineistoa etelä-Nepalissa. AGB-malli sovitettiin käyttäen yksinkertaista lineaarista regressiota (tutkimus I) ja ”sparse bayesialaista” menetelmää (tutkimukset II-III). AGB-mallin tehokkuus testattiin käyttämällä riippumatonta validointiaineistoa ja tehokkuus arvioitiin määrittämällä keskineliövirheen neliöjuuri (RMSE) ja keskipoikkeama. Tutkimuksen I tulokset osoittavat, että RapidEye-mallilla oli lupaava tarkkuus 20%:n suhteellisella RMSE:lla suhteessa riippumattomaan validointiaineistoon. Tutkimuksen II tulokset osoittivat, että etäisyydellä tiestä ja opetusalueen kaltevuudella oli huomattava vaikutus AGB-arvion tarkkuuteen, koska metsän rakenne vaihteli saavutettavuuden mukaan. Tutkimuksen II tulokset osoittavat, että riittävä puuston pituuden ja tiheyden vaihtelevuuden kattavuus oli tärkeä edellytys opetusalueiden valitsemisiin. Suhteellisessa RMSE:ssa havaittiin vain vähäistä nousua, kun opetusalueiden kokonaismäärää pienennettiin. ALS-perusteinen ennustaminen vaati pienimmän määrän opetusalueita verrattuna RapidEye- ja Landsat-aineistoon.

Yhteenvetona: (i) ALS-simuloidut opetusalueet voisivat toimia vaihtoehtona kalliille kenttäkoealueille käyttäen kaksivaiheista lähestymistapaa; (ii) opetusalueen pitäisi kattaa laaja vaihtelevuus suhteessa saavutettavuustekijöihin ja metsän rakenteeseen kuten pituus ja tiheys; (iii) ALS-pohjainen ennustaminen onnistui paremmin kuin satelliittimateriaalipohjaiset (RapidEye- ja Landsat) menetelmät. Nämä arvioidut AGB-inventoinnin konseptit ja tekijät ovat hyödyllisiä tukemassa tulevaisuudessa metsävarojen kestävään käyttöön ja REDD-mekanismiin liittyvää metsien monitorointia ja päätöksentekoa.

  • Rana, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti parvez.rana@uef.fi (email)
Mia Vehkaoja. (2016). Beaver in the drainage basin: an ecosystem engineer restores wetlands in boreal landscape. https://doi.org/10.14214/df.220

Kosteikkojen ja lahopuun katoaminen ovat vaikuttaneet voimakkaasti boreaalisen alueen vesi- ja maaekosysteemeihin. Lahopuusta riippuvaiset lajit ovat yksi maailman uhanalaisimmista, kun taas sammakkoeläimiä voidaan hyödyntää kosteikkojen ekologisen tilan selvittämisessä. Huomattava osa maailman kosteikoista sijaitsee boreaalisella alueella. Viimeisen 500 vuoden aikana boreaalisen alueen kosteikkoihin on kohdistunut kaksi pääasiallista uhkaa: majavien hävitys sukupuuton partaalle sekä 1900-luvun laajamittaiset ojitukset.

Majavat ovat pohjoisen pallonpuoliskon tunnettuja ekosysteemi-insinöörejä. Ne muokkaavat ympäristöään patoamalla vesistöjä. Pato nostattaa tulvan ympäröivään rantametsään ja muuttaa olosuhteita niin maalla kuin vedessä. Ekosysteemiprosessit muuttuvat erityisesti silloin, kun majava muuttaa virtaavan vesistön seisovaksi, mutta ympäristössä tapahtuvat muutokset ovat selkeitä myös alun perin seisovassa vesistössä. Orgaaninen aines ja ravinteet siirtyvät vesistöön majavan kaatamista puista sekä tulvan tappamasta kasvillisuudesta. Orgaanisen hiilen määrä kasvaa huomattavasti erityisesti ensimmäisinä tulvavuosina, mikä lisää vesikasvillisuuden, planktonin ja näiden kahden kautta myös vesiselkärangattomien määriä. Rehevä kasvillisuus ja runsaat plankton- ja selkärangatonmäärät hyödyttävät sammakoita. Sammakot, ja erityisesti viitasammakko, viihtyvät majavakosteikoilla.

Lahopuuta syntyy runsaasti majavakosteikoilla tulvan ja majavan toimesta. Majavakosteikkojen ympäröimässä rantametsikössä on huomattavasti enemmän lahopuuta kuin muunlaisten vesistöjen rantametsissä. Runsastuneet lahopuumäärät tarjoavat elinympäristön lahopuusta riippuvaisille lajeille. Eniten majavakosteikoilla on pystyyn kuollutta lahopuuta, jolla ovat erikoistuneet kasvamaan nokinuppiset.

Majavien elpyminen sukupuuton partaalta on auttanut kosteikko- ja lahopuumäärien kasvua. Majavakosteikot voidaan nähdä boreaalisen alueen hiilen ja monimuotoisuuden hot spotteina. Ne lisäävät boreaalisen maiseman heterogeenisuutta ja vesistöjen jatkumoa.

  • Vehkaoja, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti mia.vehkaoja@helsinki.fi (email)
Ville Kasurinen. (2016). Linking water and carbon cycles: modeling latent heat exchange and dissolved organic carbon. https://doi.org/10.14214/df.215

Veden hydrologinen kierto ja globaalistikin tärkeät alkuaineiden kierrot kuten hiilenkierto liittyvät kiinteästi toisiinsa. Yksi merkittävimmistä sidoksista vesi- ja hiilivoiden voiden välillä on fotosynteettisen tuotannon vedenkäytön tehokkuus ja sen merkitys mm. kuivuudelle. Toinen merkittävä sidos veden- ja hiilenkierron välillä on maaekosysteemien fotosynteettistä alkuperää olevan liuenneen, värillisen orgaanisen hiilen kulkeutuminen vesiekosysteemeihin. Tässä työssä pyrittiin mallintamisen avulla selvittämään, miten pohjoisella havumetsävyöhykkeellä vallitseva kasvillisuuspeite vaikuttaa haihduntaan sekä virtavesiin päätyvän liuenneen orgaanisen aineen määrään.

Työssä osoitettiin, että havumetsävyöhykkeellä ja arktisilla alueilla latenttiin lämmönvaihtoon eli veden haihduntaan vaikuttaa samallakin ilmastovyöhykkeellä suuresti vallitseva metsä- tai kasvillisuustyyppi. Esimerkiksi mallinnettu tundratyyppisen kasvillisuuden haihdunta oli vain puolet lehtimetsän haihdunnasta. Tutkimuksessa havaittiin myös huomattavia kesän ja talven välisiä eroja tavassa, jolla ekosysteemit käyttävät vettä. Sopeutuminen talveen aiheutti kasvillisuudessa ilmarakojen toimintaan liittyviä fysiologisia muutoksia, jonka johdosta talvi- ja kesätilan väliset erot olivat suuria. Siirtyminen talvitilasta kesänaikaiseen fysiologiseen tilaan, jossa haihdunta oli suurinta, tapahtui hitaammin kuin yhteyttämiselle on aikaisemmin raportoitu.

Havumetsävyöhykkeen valuma-alueilla ja virtavesissä oli suurta ajallista ja paikallista vaihtelua liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuksissa. Tässä työssä kehitettiin hydrologian ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuudet yhdistävä malli, jota sovellettiin boreaaliselle valuma-alueelle simuloimaan virtaveden liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuuksia. Näitä pitoisuuksia tarkasteltiin suhteessa valuma-alueen vesivarastoon, maaperän lämpötilaan ja jokien virtaamaan. Malli on pelkistetty kuvaus fysikaalisesta ympäristöstä, ja sen parametrit voidaan ratkaista yksinkertaisilla tilastollisilla menetelmillä.

Maaekosysteemeistä peräisin olevan liuenneen orgaanisen hiilen merkitystä toisenvaraisille rannikkovesien ravintoverkoille arvioitiin sen jälkeen, kun se oli alistettu UV-säteilylle, jonka määrä vastasi maan pinnan kuukaudessa vastaanottamaa säteilyannosta. Tutkitut jokivesinäytteet kattoivat kymmenen maapallon suurimpiin lukeutuvaa jokea. Kokeellinen säteilytys hajotti keskimäärin puolet värillisestä liuenneesta orgaanisesta hiilestä, mikä viittaa siihen, että auringonvalon aiheuttamat valokemialliset reaktiot ovat merkittävä värillisen liuenneen orgaanisen hiilen nielu rannikkovesissä. Trooppisten sademetsien kattamat laajat alueet Amazon- ja Kongo- jokien valuma-alueilla ilmeisesti vaikuttivat biologisesti käyttökelpoisten, valokemiallisesti tuotettujen yhdisteiden suuriin tuotantomääriin ja siten suuriin liuenneen värillisen hiilen voihin näillä globaalisti tärkeillä joilla. Tutkimus paljasti, että suurin osa värillisestä liuenneesta orgaanisesta hiilestä mineralisoituu rannikkovesissä hiilidioksidiksi joko suoraan tai bakteerihengityksen kautta.

  • Kasurinen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti ville.kasurinen@helsinki.fi (email)
Sini Niinistö. (2015). Soil CO2 efflux in boreal pine forests in the current climate and under CO2 enrichment and air warming. https://doi.org/10.14214/df.194

Hiilidioksidivuo maaperästä pohjoisen havumetsävyöhykkeen männiköissä nykyisessä ilmastossa ja kohotetussa ilman hiilidioksidipitoisuudessa ja lämpötilassa Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa metsämaan hiilidioksidivuon ajalliseen ja paikalliseen vaihteluun vaikuttavia tekijöitä, vertailla mittauskammioita ja testata ilmastonmuutoskokeen vaikutuksia metsämaan hiilidioksidivuohon. Tutkimus perustui neljän vuoden mittauksiin mäntykangasmetsiköissä.

Maaperän hiilidioksidivuon hetkelliset koealakeskiarvot vaihtelivat välillä 0,04–1,12 gCO2m−2 h−1 ja metsäalueen vuosisummat välillä 1750–2050 gCO2m−2 h−1. Maan lämpötila oli maaperän hiilidioksidivuon ajallisen vaihtelun merkittävin selittäjä (R2=76–82 %). Malli, jossa lämpötila ja lämpösumma olivat selittäjinä, ennusti erillisen aineiston maaperän hiilidioksidivuon keskimäärin 15 prosentin sisälle mitatusta. Malli kuitenkin aliarvioi huippuvuon aikaan heinä-elokuussa, mahdollisesti juurien ja sienijuurien kasvun vuodenaikaisvaihtelun takia. Osatutkimuksen mukaan maaperän hiilidioksidivuon mittausten luotettavuus ei riippunut mittauskammioiden toimintaperiaatteesta.

Maaperän hiilidioksidivuon spatiaalinen vaihtelu oli suurta 400 m2:n suuruisten koealojen sisällä; variaatiokertoimet vaihtelivat välillä 0,10–0,80 ja niiden lumettoman kauden keskiarvot välillä 0,22–0,36. Positiivista autokorrelaatiota ilmeni lyhyillä etäisyyksillä (3-8 m). Humuskerroksen paksuus selitti 28 prosenttia maaperän hiilidioksidivuon vaihtelusta yhdistetyssä usean metsikön aineistossa, ja lähimpien puiden keskimääräisen etäisyyden kanssa se selitti 40 prosenttia. Maaperän hiilidioksidivuo korreloi myös humuskerroksen juurimassan kanssa. Koealojen väliset erot maaperän hiilidioksidivuossa olivat pieniä.

Kohotetut ilman hiilidioksidipitoisuus ja lämpötila lisäsivät metsämaaperän hiilidioksidivuota ilmastonmuutoskenttäkokeessa johdonmukaisesti, mutta ei aina tilastollisesti merkitsevästi. Niiden yhteisvaikutus oli additiivinen, ilman interaktiota; +23–37 % (kohotettu CO2), +27–43 % (kohotettu lämpötila) ja +35–59 % (yhdistetty käsittely), riippuen vuodesta. Kohotettu lämpötila oli tilastollisesti merkittävä tekijä neljän vuoden aineistoon perustuvassa varianssianalyysissä. Maaperän hiilidioksidivuon lämpötilavaste laski kuitenkin lämmityskäsittelyissä toisena koevuotena.

  • Niinistö, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti sini.niinisto@stat.fi (email)
Terhi Vilén. (2015). Effects of changes in land-use, age-structure and management on carbon dynamics of European forests. https://doi.org/10.14214/df.188

Maankäytön ja metsien ikärakenteen muutoksen sekä metsien hoidon vaikutus Euroopan metsien hiilidynamiikkaan

Euroopan metsien hiilivarasto on kasvanut viimeiset 60 vuotta, mutta eri tekijöiden, kuten metsien ikärakenteen, metsänhoidon ja ympäristötekijöiden vaikutus siihen on vielä epäselvä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia maankäytön muutoksen, metsien ikärakenteen ja metsänhoidon vaikutuksia Euroopan metsien hiilidynamiikkaan. Eri osatöiden tavoitteet olivat: i)rekonstruoida Euroopan metsien ikärakenne 1950 - 2010 ja tutkia metsien keski-iän muutosta tällä aikavälillä; ii)arvioida metsityksen vaikutusta keski-iän kehitykseen ja metsien pinta-alan ja rakenteen muutoksen vaikutusta metsien hiilivarastoihin, iii)määritellä kiertoajan vaikutusta metsien hiilivarastoihin ja mahdollisuuteen hillitä ilmastonmuutosta ja iv) arvioida metsäpalojen aiheuttamia vuosittaisia hiilidioksidipäästöjä Välimeren alueella ja mahdollisuuksia vähentää niitä ennaltaehkäisevän kulotuksen avulla.

Tulokset osoittavat että vaikka puuston tilavuus ja hiilivarasto ovat kasvaneet Euroopan metsissä, niiden keski-ikä on nyt alhaisempi kuin 1950-luvulla ja vanhojen metsien osuus on laskenut. Maakohtaiset erot ovat kuitenkin suuria. Metsitys on myös vaikuttanut jonkin verran puuston keski-iän kehitykseen, mutta ei ole muuttanut sen kehityssuuntaa, mikä oli nähtävissä Suomessa ja Tšekin tasavallassa tehdyssä tutkimuksessa. Kummassakin maassa puuston keskitilavuuden kasvu oli myös vaikuttanut enemmän hiilivaraston kasvuun kuin metsäpinta-alan muutos. Tulokset osoittavat myös, että pidempiä kiertoaikoja käyttämällä puuston keskimääräistä hiilivarastoa voidaan lisätä, mikä toisaalta voi vähentää maaperän ja puutuotteiden varastoimaa hiilen määrää. Lisäksi tässä työssä havaittiin, että Välimeren maissa ennaltaehkäisevän kulotuksen avulla voidaan vähentää metsäpaloista aiheutuvia hiilidioksidipäästöjä ja siten merkittävästi vaikuttaa LULUCF-sektorin hiilitaseeseen.

Huolimatta tutkimusaineistoon ja käytettyihin menetelmiin liittyvistä epävarmuustekijöistä, tämä työ tuotti arvokasta tietoa maankäytönmuutoksen, metsien ikärakenteen ja hoidon vaikutuksista Euroopan metsien hiilidynamiikkaan ja hiilitaseeseen. Puuston kasvua selvästi alhaisemmat hakkuut selittävät suurelta osin Euroopan metsien hiilivaraston kasvua, mutta eri tekijöiden vaikutus vaihtelee suuresti maittain. Tämän työn perusteella Euroopan metsien hiilidynamiikan ja hiilitaseen sekä niihin vaikuttavien tekijöiden nykyistä systemaattisempi arviointi on tarpeen, jotta kyetään arvioimaan ja hyödyntämään tehokkaasti metsien tarjoamat mahdollisuudet ilmastonmuutoksen hillinnässä.

  • Vilén, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti terhi.vilen@gmail.com (email)
Jaana Leppälammi-Kujansuu. (2014). Norway spruce fine root dynamics and carbon input into soil in relation to environmental factors. https://doi.org/10.14214/df.183

Kuusen hienojuuridynamiikka ja karikkeen hiilisyöte metsämaahan erilaisissa ympäristöoloissa

Ilmastosopimuksen mukaisesti Suomi raportoi vuosittain metsien kasvihuonekaasupäästöt ja -nielut. Metsien maaperän hiilivaraston muutoslaskelmiin liittyy kuitenkin suuri epävarmuus puiden hienojuurten eliniästä sekä vuotuisen juurikarikkeen myötä maahan kulkeutuvan hiilen määrästä. Tässä väitöskirjassa määritettiin kuusen (Picea abies L. (Karst.)) hienojuurten elinikä sekä maanalainen ja maanpäällinen kariketuotanto erilaisissa maaperän ravinteisuus- ja lämpötilaoloissa. Myös aluskasvillisuuden osuutta kariketuotannossa tarkasteltiin. Lisäksi väitöskirjassa verrattiin hienojuurten sisältämän isotooppisen hiilen (14C) ikää suhteessa hienojuurten elinikään.

Ravinteisuuden lisääntyminen ja lämpötilan nousu lyhensivät kuusen hienojuurten elinikää sekä metsikkökokeessa että luonnollisella gradientilla. Lannoitus paransi puiden kasvua ja lisäsi sekä maanpäällistä että maanalaista kariketuotantoa. Maaperän lämpötilan kohottaminen sen sijaan lisäsi ainoastaan hienojuurten kariketuotosta, mutta puiden kasvu ei pitkällä aikavälillä lisääntynyt. Muutokset lämmitetyn maaperän hienojuurten juurenkärkien morfologiassa viittasivat puiden ravinnepuutokseen. Tulokset osoittavat, että ilmaston lämpeneminen ei välttämättä lisää puiden maanpäällistä kasvua pitkäaikaisesti mikäli metsämaan ravinteisuus sitä rajoittaa.

Maaperän ravinteisuuden vähentyessä hienojuurikarikkeen määrä kasvoi suhteellisesti enemmän kuin maanpäällinen kariketuotanto, erityisesti aluskasvillisuuden suuremman osuuden vuoksi. Hienojuurten rakenteellinen hiili-14 oli isotooppimäärityksissä 3 - 6 vuotta vanhempaa kuin miniritsotronimenetelmällä määritetty hienojuurten elinikä, mikä osoittaa juurten käyttävän kasvuunsa äskettäin ilmakehästä yhteytetyn hiilen lisäksi myös varastoitua tai kierrätettyä hiiltä.

Lähes kaikissa metsiköissä maanalaisen karikkeen määrä ulottui maanpäällisen kariketuotannon tasolle, mikä osoittaa juurikariketuotannon olevan merkittävä osa boreaalisten metsiemme hiilenkiertoa. Myös aluskasvillisuuden kariketuotanto oli merkittävä. Maanpäällisen ja maanalaisen kariketuotannon suhteiden muutos maaperän ympäristötekijöiden muuttuessa voi vaikuttaa maaperän hiilivarastoon ja sen pitkäaikaiseen pysyvyyteen. Tämä aihepiiri on tärkeä jatkotutkimuskohde.

  • Leppälammi-Kujansuu, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti jaana.leppalammi-kujansuu@helsinki.fi (email)
Paavo Ojanen. (2014). Estimation of greenhouse gas balance for forestry-drained peatlands. https://doi.org/10.14214/df.176

Tässä työssä kehitettiin menetelmiä, joilla voidaan arvioida Suomen lähes viiden miljoonan metsäojitetun suohehtaarin maaperän kasvihuonekaasutaseita. Lisäksi tutkittiin eri kaasujen ja kasvavan puuston osuutta metsäojitetun suon taseessa.

Tase koostui maaperän hiilidioksidi(CO2)-, metaani(CH4)- ja typpioksiduuli(N2O)lähteestä tai -nielusta ja kasvavan puuston CO2-nielusta.

Työ koostui neljästä osasta: I) Maaperän CO2-taseen laskentamenetelmää testattiin yhdellä koealalla. II) Maaperän CH4- ja N2O-tasetta sekä maasta kasvien ja hajottajien hengityksessä vapautuvaa CO2:ta mitattiin 68 koealalla eri puolilla Suomea. III) Suomen metsäojitettujen soiden maaperän CO2-tase arvioitiin osatutkimuksessa I testatulla menetelmällä. IV) Metsäojitetun suon kasvihuonekaasutase arvioitiin osatutkimuksen II koealoille.

Maaperän CO2-tase määritettiin maahan karikkeena tulevan ja hajottajien hengityksessä vapautuvan hiilimäärän erotuksena. Rehevien koealojen (ruoho- ja mustikkaturvekankaat) maaperä oli keskimäärin CO2-lähde (190±70 g/m2 vuodessa). Karujen koealojen (puolukka- ja varputurvekankaat) maaperä oli CO2-nielu (70±30g/m2 vuodessa). N2O-lähde oli sitä pienempi, mitä karumpi koeala oli (0,185–0,029 g/m2 vuodessa). Hyvin kuivuneet koealat, joilta suokasvillisuus oli kadonnut, olivat pieniä CH4-nieluja (0,28±0,04 g/m2/ vuodessa). Märkinä pysyneet alat, joilla suokasvillisuutta oli vielä jäljellä, olivat CH4-lähteitä (1,16±0,48 g/m2 vuodessa). Kun kasvavan puuston CO2-nielu otettiin huomioon, lähes kaikki koealat olivat kasvihuonekaasunieluja.

Karut metsäojitusalueet eivät näytä olevan merkittäviä kasvihuonekaasulähteitä. Metsätalous voi niillä olla ilmastollisesti yhtä kestävää kuin kivennäismailla. Rehevillä alueilla turve hajoaa vähitellen, ja maaperä on CO2-lähde todennäköisesti kunnes kaikki turve on hajonnut. Ilmastollisesti kestävä metsätalous edellyttää, että niillä tuotetulla puulla esimerkiksi korvataan saastuttavampia raaka-aineita.

Vaikka keskimääräiset maaperän CO2-taseet olivat pieniä, kaikkien Suomen metsäojitettujen soiden maaperän CO2-tase oli suuren maapinta-alan vuoksi merkittävä. Kun otetaan huomioon käytettyjen mallien epävarmuus ja Valtakunnan metsien inventoinnin otoskoko, voidaan vuotuisen taseen arvioida olevan 10 miljoonan tonnin nielun ja 10 miljoonan tonnin lähteen välillä. Tarkempia tuloksia saadaan, kun hiilen kulkeutuminen kasvien juurista maahan opitaan ymmärtämään paremmin.

  • Ojanen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti paavo.ojanen@helsinki.fi (email)
Sergio Demiguel. (2014). Growth and yield modelling for optimal multi-objective forest management of eastern Mediterranean Pinus brutia. https://doi.org/10.14214/df.170

Pinus brutia -männiköiden kasvun ja tuotoksen mallinnus monitavoitteista metsänhoitoa varten itäisen Välimeren maissa P. brutia -mänty on tärkeä puulaji Välimeren maiden metsissä. Se on merkittävä sekä ekologiselta että sosioekonomiselta kannalta, koska P. brutia -metsät tuottavat puun lisäksi ei-puuaineisia tuotteita sekä erilaisia ekosysteemipalveluja. Puulajin tärkeydestä huolimatta P. brutia -männyn hoidosta on vasta vähän tutkimustietoa. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli lisätä tietoa P. brutia -männyn kasvusta ja tuotoksesta monitavoitteista metsätaloutta silmällä pitäen. Tutkimuksessa kehitettiin puutason kasvumallit sekä tasa- että eri-ikäismetsätaloutta varten. Lisäksi sovitettiin runkokäyräyhtälöt eri puutavaralajien tilavuuden ennustamista varten, sekä biomassamallit puun eri osien biomassan laskemiseksi. Tutkimuksessa vertailtiin vaihtoehtoisia ennustamisstrategioita, joita voidaan soveltaa kiinteäparametrisiin malleihin ja sekamalleihin.

  • Demiguel, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti sergio.demiguel@uef.fi (email)
Zhang Chao. (2013). Seasonal response of biomass growth and allocation of a boreal bioenergy crop (Phalaris arundinacea L.) to climate change. https://doi.org/10.14214/df.162

Ilmastonmuutoksen vaikutus ruokohelven (Phalaris arundinacea L.) kasvun ajoittumiseen ja kasvun suuruuteen boreaalisissa olosuhteissa Ruokohelpeä (Phalaris arundinacea L.) on viime vuosina viljelty energiabiomassaksi turvetuotannosta vapautuneilla soilla. Tutkimuksessa analysointiin, miten ilmastonmuutos ja veden saatavuus tällaisissa olosuhteissa vaikuttavat ruokohelven kasvusykliin sekä kokonaiskasvuun ja sen jakautumiseen kasvin eri osiin. Kasvihuoneessa tehdyssä faktorikokeessa ruokohelpeä kasvatettiin kohotetussa lämpötilassa (+3,5 °C korkeampi kuin kontrolliolosuhteissa) sekä kohotetussa hiilidioksidipitoisuudessa (700 ppm). Myös veden saatavuus vaihteli siten, että pohjaveden pinta osassa käsittelyitä oli 40 cm ja 20 cm syvyydessä sekä osassa maanpinnan tasalla.

Kaikki käsittelyt toistettiin neljä kertaa vuosina 2009 ja 2010. Lämpötilan kohottaminen aikaisti kasvun alkua sekä lisäsi kasvua nopeuttamalla fotosynteesiä ja lisäämällä lehtipinta-alan kasvua alkukesällä. Samalla kasvusykli nopeutui siten, että kasvu päättyi aikaisemmin kuin muissa käsittelyissä. Kasvujakson lyhentymisen vuoksi koko kasvukauden sato jäi pienemmksi kuin kohotetussa hiilidioksidipitoisuudessa tai olosuhteissa, jossa hiilidioksipitoisuuttta ja lämpötilaa kohotettiin samanaikaisesti. Lämpötilan kohottaminen nopeutti kasvua erityisesti silloin, kun pohjaveden pinta oli alhaalla. Hiilidioksidipitoisuuden kohottaminen vähensi kuitenkin alhaisen pohjaveden vaikutusta. Vastaavasti korkea pohjavesi yhdessä kohotetun hiilidioksipitoisuuden kanssa lisäsi kokonaiskasvua. Tällaisissa olosuhteissa kasvukausi pidentyi ja lehtipinta-ala kasvoi suuriksi. Myös fotysynteesinopeus oli pitempään suurempi kuin muissa käsittelyissä. Kaiken kaikkiaan pohjaveden syvyys vaikutti ruokohelven kehitykseen ja kasvuun enemmän kuin kohotettu lämpötila ja hiilidioksidipitoisuus yksin tai yhdessä. Ruokohelpiviljelmän iällä ei ollut vaikutusta vuotuisen kasvun etenemiseen tai kasvun kokonaismäärään.

Ruokohelven lehtien kasvu oli alkukesästä suurempi kuin juurten, kun taas varsi kasvoi nopeimmin kasvukauden keskivaiheilla. Juurten kasvu oli puolestaan suurimmillaan kasvukauden loppupuolella. Hiilidioksidipitoisuuden kohottaminen lisäsi juurten kasvua suhteellisesti enemmän kuin lehtien ja varren kasvua pohjaveden syvyydestä riippumatta. Korkean pohjavesipinnan vallitessa juurten kasvu jäi suhteellisesti pienemmäksi kuin lehtien ja varren kasvu. Pohjavesipinnan syvyys vaikutti biomassan jakautumiseen kasvin eri osiin enemmän kuin kohotettu lämpötila ja hiilidioksidi yksin tai yhdessä. Ruokohelven viljelyssä pohjaveden syvyyden säätely näytti olevan ratkaisevassa asemassa pyrittäessä lisäämään ruokohelven kasvua.

  • Chao, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti Chao.zhang@uef.fi (email)
Terhi Rasilo. (2013). Connecting silvan and lacustrine ecosystems: transport of carbon from forests to adjacent water bodies. https://doi.org/10.14214/df.155

Metsä- ja vesiekosysteemien yhteys: puuston sitoman hiilen kulkeutuminen vesistöihin

Metsät, suot ja järvet ovat tyypillisiä havumetsävyöhykkeen ympäristöjä. Veden liikkuminen eli hydrologinen kierto ja hiilen kierto yhdistävät ne toisiinsa. Ekosysteemien välisiä hiilivirtoja tunnetaan kuitenkin verraten huonosti, koska ekosysteemejä on perinteisesti tutkittu erikseen. Ilmastonmuutoksen edetessä tulee kuitenkin yhä tärkeämmäksi tarkastella yksittäisten kohteiden sijaan kokonaisuuksia. Väitöskirjatutkimukseni tarkasteleekin maa- ja vesiekosysteemien kytkeytymistä toisiinsa. Tutkin valuma-aluetason hiilivirtoja maastomittauksin ja mallintamalla. Lisäksi tutkin laboratoriossa yksittäisten taimien yhteyttämän hiilen allokaatiota eli jakautumista juuri- ja versobiomassan kasvuun sekä hengitykseen.

Tavassa, jolla eri puulajit allokoivat sidottua hiiltä maanalaisiin ja -päällisin osiin, oli lajikohtaisia eroja, jotka heijastavat sopeutumista erilaisiin olosuhteisiin. Symbionttiset mykoritsasienet ovat tärkeitä puiden kasvun kannalta ja tutkimustulosteni osoittavat tiettyjen sienilajien voivan muuttaa allokaatiosuhteita. Havaitsin myös sekä yhteytyksen että hengityksen kasvavan maan lämpötilan kohotessa, mutta muutokset kompensoivat toisensa eikä sidotun hiilen määrä muuttunut.

Hiilen kiertoa säätelevät prosessit ovat erilaisia maa- ja vesiympäristöissä. Metsäekosysteemin ja ilmakehän välisiä hiilivirtoja säätelevät ennen kaikkea biologiset prosessit kuten yhteyttäminen ja hajotus, kun taas järven ja ilmakehän väliseen hiilenvaihtoon vaikuttavat voimakkaasti fysikaaliset tekijät kuten vesipatsaan kerrostuneisuutta säätelevä konvektio ja tuulen aiheuttama turbulenssi. Maaperä on vakaa ympäristö, jossa kaasut liikkuvat lähinnä molekyläärisen diffuusion avulla, kun taas vesistöissä ne kulkeutuvat liikkuvan vesimassan mukana eli turbulenttinen diffuusio on tärkeämpi. Horisontaalisesti maalta veteen liikkuvan veden mukana maaperän kaasuja ja liuenneita orgaanisia yhdisteitä päätyy vesistöihin.

Metsän hiilitaseeksi kutsutaan yhteyttämällä sidotun ja hengityksessä ja hajotuksessa vapautuvan hiilimäärän erotusta. Taseen avulla voidaan arvioida metsän roolia hiilinieluna tai lähteenä. Maa- ja vesiekosysteemejä on tarkasteltava yhdessä, sillä vesistöjen kautta palautuu ilmakehään lopulta merkittäviä määriä metsissä sidottua hiiltä. Tutkimukseni osoittaa, että hiiltä poistuu metsistä veden mukana vesistöihin ja kulkeutumista säätelee erityisesti kuljettavan veden määrä. Ilmastonmuutoksen edetessäkin yleistyvien rankkasateiden jälkeen maalta vesistöihin kulkeutuvan hiilen vaikutus oli tutkimusalueellani selkein purossa. Väitöskirjatutkimukseni osoittaa, että metsistä vesistöihin kulkeutuva hiili voi pienentää metsän hiilitasetta jopa puoleen. Sen vuoksi on tärkeää tarkastella hiilitaseita maisematasolla eri ympäristöjen väliset hiilivuot huomioiden.

  • Rasilo, University of Helsinki, Department of Environmental Sciences ORCID ID:Sähköposti terhi.rasilo@helsinki.fi (email)
Sepul K. Barua. (2012). Effects of taxes and climate policy instruments on harvesting of managed forests and on tropical deforestation. https://doi.org/10.14214/df.139

Verojen ja ilmastopolitiikkavälineiden vaikutukset tasaikäisen metsän korjuuseen ja trooppiseen metsäkatoon

Tässä väitöskirjassa selvitetään verojen ja metsien ilmastopalveluita säätelevien politiikkavälineiden vaikutuksia. Väitöskirja koostuu yhteenveto-osasta ja neljästä artikkelista. Artikkelit (I) ja (II) tutkivat verojen vaikutusta tasaikäisesti hoidetun metsän hoitopäätöksiin ottamalla huomioon metsänomistajien ympäristöarvot ja iän. Artikkelit (III) ja (IV) analysoivat hiilensidontaan liittyviä politiikkavälineitä trooppisten metsien vähenemisen hidastamiseksi.

Artikkeli (I) osoittaa, että verotuksen vaikutukset puun myynteihin riippuvat metsänomistajien ympäristöarvostusten voimakkuudesta. Tämän vuoksi olisi hyödyllistä kehittää menetelmiä, joiden avulla voitaisiin arvioida tai mitata metsänomistajien ympäristöarvostuksia.

Artikkeli (II) puolestaan osoittaa, että metsänomistajien ikä vaikuttaa kulutuksen ja perinnöksi jäävän varallisuuden suhteellisiin määriin. Lisäksi artikkeli osoittaa, että pääomatulojen verotuksen ja perintöveron vaikutukset muuttuvat metsänomistajan iän myötä. Artikkelin (III) mukaan metsätulojen ja maanviljelystä saatavien tulojen verotus saattaa yksinään käytettynä olla tehoton ohjauskeino trooppisen metsäkadon hidastamisessa. Hiilimaksut voivat täydentää verotusta, ja tehokas politiikka metsäkadon torjumiseksi olisi suunnattava samanaikaisesti metsien käyttöön ja maanviljelyyn. Artikkeli (IV) tarkastelee hiilikompensaatiopolitiikan ja tuloverotuksen yhteyksiä. Optimaalinen hiilensidonnan korvausjärjestelmä voi vaatia, että kansallisten hallitusten sallitaan poiketa kansainvälisestä kompensaatiotasosta, kun kyseiset maat siirtävät saamiaan korvauksia paikallistasolle. Tulokset myös puoltavat sitä, että jo käytössä olevat ohjauskeinot, kuten verotus, tulee ottaa huomioon suunniteltaessa kansainvälisiä metsien hiilimensidontaan vaikuttavia politiikkavälineitä.

  • Barua, University of Helsinki, Department of Forest Sciences ORCID ID:Sähköposti sepul.barua@helsinki.fi (email)
Kristiina Karhu. (2010). Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in boreal soils. https://doi.org/10.14214/df.107

Tässä väitöskirjassa erilaisten maaperän orgaanisen aineen fraktioiden hajotuksen lämpötilaherkkyyttä tutkittiin laboratorioinkuboinneilla, joissa eri-ikäisen orgaanisen aineen hajotuksesta peräisin oleva hiilidioksidi (CO2) eroteltiin käyttäen 13C ja 14C isotooppeja. Eri ilmasto-olosuhteissa syntyneen orgaanisen aineen laatua, sen hajotuksen lämpötilaherkkyyttä ja hajotuksesta vastaavan mikrobiyhteisön rakennetta ja toimintaa tutkittiin vertaamalla toisiinsa maanäytteitä Etelä- ja Pohjois-Suomesta. Metsämaan orgaanista kerrosta siirrettiin pohjoisesta etelään, tarkoituksena mallintaa sitä, miten lämpenevä ilmasto muuttaa pinta-kasvillisuutta, maaperän mikrobistoa ja orgaanisen aineen hajotuksen lämpötilaherkkyyttä.

Kaikkein nuorin, ja helpoimmin hajoava hiili ei ollut juurikaan lämpötilaherkkää, mikä kertoo siitä, että mikrobit pystyivät hyödyntämään sitä lämpötilasta riippumatta. Keskipitkällä aikavälillä, muutamien vuosien – vuosikymmenten aikaskaalassa kiertävän hiilen hajotus kasvoi voimakkaasti lämpötilaa nostettaessa. Satoja vuosia vanhan hiilen hajoaminen oli taas vähemmän herkkää lämpötilalle, mikä indikoi, että jokin stabiloitumismekanismi rajoitti sen hajotusta myös korkeammissa lämpötiloissa. Merkittävä osa boreaalisten metsien pintakerrosten hiilestä on keskipitkällä aikavälillä hajoavaa, hyvin lämpötilaherkkää ainesta, mistä johtuen näistä maista voi ilmaston lämpenemisen seurauksena seuraavien vuosien ja vuosikymmenten aikana vapautua ilmakehään enemmän hiiltä, kuin on aikaisemmin arvioitu. Tulokset eivät myöskään tue hypoteesia, jonka mukaan orgaanisen aineksen hajotuksen kiihtyminen lämpötilan seurauksena olisi nopeasti ohimenevää, koska mikrobit tottuisivat korkeampaan lämpötilaan. Hajotuksen lämpötilaherkkyys oli samanlaista orgaanisen kerroksen näytteille, jotka olivat peräisin Etelä- ja Pohjois-Suomesta, eikä pohjoisten maiden siirto etelään muuttanut CO2 -tuoton lämpötilaherkkyyttä.

Boreaalisten metsämaiden hiilivarasto on enemmän uhattuna ilmastonmuutoksen vuoksi lämpimämpien ilmastojen maaperään verrattuna myös siksi, että hajotuksen lämpötilaherkkyyttä kuvaava Q10 arvo (kuinka moninkertaiseksi hajotus kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan 10 astetta) pienenee lämpötilan kasvaessa. Eli hajotuksen lämpötilaherkkyys itsessäänkin riippuu lämpötilavälistä, jolla sitä mitataan. Koska pohjoisissa maissa lämpeneminen tapahtuu alhaisella lämpötilavälillä, jossa Q10 on suurempi, sama lämpötilan nousu asteissa kiihdyttää orgaanisen aineksen hajotusta suhteellisesti enemmän. Eroja lämpötilaherkkyyden muodossa (lämpötilasta riippuvan Q10 käyrän jyrkkyydessä) oli myös metsämaan eri kerrosten välillä. Alhaisissa lämpötiloissa Q10 kasvoi orgaanisen aineksen laadun huonotessa ja korkeammissa lämpötiloissa helposti hajotettavan substraatin saatavuus alkoi enenevässä määrin rajoittaa CO2-tuottoa.

  • Karhu, Helsingin yliopisto, Metsätieteiden laitos ORCID ID:Sähköposti kristiina.karhu@helsinki.fi (email)
Tianjin Cao. (2010). Silvicultural decisions based on simulation-optimization systems. https://doi.org/10.14214/df.103

Metsänkäsittelyn päätökset simulointi-optimointijärjestelmiin perustuen

Metsien hoito kohtaa uusia haasteita ilmastonmuutoksesta johtuen. Muokkaamaalla harvennusohjelmia perinteinen metsänhoito voidaan mukauttaa metsävarojen käytön erilaisiin tavoitteisiin, kuten puuaineen laatu, metsäbioenergia ja hiilen sidonta. Tässä väitöskirjassa kehitetään optimointi-simulointijärjestelmä, jolla voidaan saavuttaa monitieteinen ymmärrys puutieteen, metsäekologian ja metsäekonomian vuorovaikutuksista.

Työssä kehitettiin OptiFor-sovellus metsänkäsittelyä varten. OptiFor-simulointi-optimointijärjestelmä yhdistää prosessipohjaisen PipeQual-kasvumallin, puuaineen laadun mallit, biomassan tuotannon ja hiilipäästöjen mallit sekä energiapuu- ja korjuukustannusmallit yhdeksi optimointimalliksi. Optimointialgoritmina päätösmuuttujien optimiarvojen määrittämiseksi käytettiin Osyczkan suora- ja satunnaishakualgoritmia.

Tämän väitöskirjan numeeriset tutkimukset laajensivat nykytietämystä ja ymmärrystä puutieteen, metsäekologian ja metsäekonomian suhteista. Puuntuotantoa koskevat tulokset osoittavat, että optimaalinen harvennusohjelma riippuu kasvupaikasta ja nuoren metsikön ominaisuuksista. Puun laadun kohdalla tulokset osoittivat, että kasvava harvennusvoimakkuus johti alempaan puun tiheyteen ja lyhyempiin kuituihin. Ravinteiden lisääminen kiihdytti tilavuuskasvua mutta alensi puun laatua kuusella.

Kun energiapuuharvennusta tarkasteltiin yhdessä perinteisen metsänkasvatuksen kanssa, todettiin, että perinteinen metsänkasvatus ilman energiapuun korjuuta oli edullisin tapa alhaisen tiheyden männiköissä. Energiapuun korjuu ensiharvennuksissa oli sen sijaan edullista tiheissä metsiköissä. Kun metsän hiilitasapaino otetaan huomioon, tulosten mukaan eri hiililaskennan menetelmät johtavat hyvin poikkeaviin optimaalisiin harvennusohjelmiin ja keskimääräisiin hiilivarantoihin. Hiilen hinnan nostaminen johti pidempiin kiertoaikoihin ja korkeampaan keskikasvuun sekä huomattavasti korkeampaan hiilivarantoon kiertoajan kuluessa.

  • Cao, Helsingin yliopisto, Metsätieteiden laitos ORCID ID:Sähköposti tianjian.cao@helsinki.fi (email)
Terhi Riutta. (2008). Fen ecosystem carbon gas dynamics in changing hydrological conditions. https://doi.org/10.14214/df.67

Pohjoisten soiden arvioidaan sisältävän kolmannes kaikesta maaperän hiilestä. Suot ovat paitsi hiilen nieluja myös maapallon suurimpia luonnollisia metaanin lähteitä. Ilmastonmuutos saattaa vaikuttaa sekä soiden hiilenkiertoon että hiilivarastoihin. Korkea vedenpinnan taso vaikuttaa merkittävästi sekä hiilen kertymiseen soihin että metaanipäästöihin soista. Siksi hydrologiset muutokset ovat erityisen tärkeitä arvioitaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia suoekosysteemiin.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää sarasuoekosysteemin hiilidioksidi- ja metaanidynamiikka eri spatiaalisilla tasoilla: kasvilajiryhmätasolla, kasviyhdyskuntatasolla sekä ekosysteemitasolla, sekä normaaleissa kosteusolosuhteissa että alhaisen vedenpinnan vallitessa. Hiilivirtoja mitattiin kahdella sarasuolla Etelä-Suomessa käyttäen suljetun kammion menetelmää sekä eddy kovarianssi –tekniikkaa.

Normaaleissa kosteusolosuhteissa suoekosysteemi oli hiilidioksidin nielu ja metaanin lähde. Rahkasammalet (Sphagnum) sekä saramaiset kasvit olivat ekosysteemin tärkeimmät yhteyttäjät. Saramaisten kasvien läsnäolo lisäsi selvästi metaanipäästöjä kun taas varpujen läsnäolo pienensi niitä. Hiilivirrat vaihtelivat huomattavasti kasviyhdyskuntien välillä, joten ekosysteemitason hiilivirrat määräytyivät kasviyhdyskuntien osuuksien mukaan.

Vedenpinnanlaskukäsittely pienensi huomattavasti saramaisten kasvien ja rahkasammalten fotosynteesiä ja respiraatiota ja toisaalta hyödytti varpuja. Siksi muutokset ekosysteemitasolla olivat pienempiä kuin kasvilajiryhmätasolla. Pienentyneen fotosynteesin ja suurentuneen respiraation (lähinnä suurentuneen turpeen respiraation) vuoksi sarasuosta tuli aikaisempaa pienempi hiilidioksidin nielu. Metaanipäästöt pienenivät merkitsevästi, lähelle nollaa. Luonnollisten kuivuusjaksojen vaikutus oli samankaltainen mutta vähäisempi kuin vedenpinnanlaskukäsittelyn. Tulokset soveltuvat lyhytaikaisen vedenpinnan laskun vaikutusten tarkasteluun ja ilmasto-olosuhteisiin joissa kuivuusjaksot yleistyvät.

  • Riutta, University of Helsinki, Department of Forest Ecology ORCID ID:(email)
Taru Palosuo. (2008). Soil carbon modelling as a tool for carbon balance studies in forestry. https://doi.org/10.14214/df.61

Metsien maaperä on merkittävä hiilen varasto. Ilmastonmuutos ja erilaiset metsänkäsittelyt vaikuttavat paitsi puuston biomassan myös maaperän hiilivarastoon. Näitä vaikutuksia ei kuitenkaan vielä täysin tunneta. Kansainvälinen ilmastosopimus kuitenkin velvoittaa sopijamaat raportoimaan myös maaperän hiilivarastossa tapahtuvat muutokset. Maaperän hiilivaraston muutosten arviointi mittaamalla on hyvin vaikeaa ja työlästä, koska varaston spatiaalinen vaihtelu on suurta verrattuna ajallisiin muutoksiin. Tämän vuoksi hiilivaraston ja sen muutosten arvioinnissa käytetään usein malleja.

Tässä väitöskirjassa kehitettiin ja testattiin kivennäismaiden metsien orgaanisen aineen hajoamista ja maaperän hiilivaraston dynamiikkaa kuvaava YASSO-malli. Mallilla pyrittiin kuvaamaan tärkeimmät hiilivaraston dynamiikkaan vaikuttavat tekijät, mutta silti pitämään malli niin yksinkertaisena, että sen toimintaperiaatteiden ymmärtäminen ja käyttö sovelluksissa olisi helppoa. Väitöskirja sisältää mallin rakenteen ja oletusten kuvauksen sekä mallin parametrien määrityksen mittausten avulla. Mallin toimintaa arvioitiin tarkastelemalla mallitulosten herkkyyttä parametriarvojen muutoksille, tutkimalla mallitulosten tarkkuutta epävarmuusanalyysin avulla ja vertaamalla mallituloksia mitattuihin havaintoihin ja toisen maamallin antamiin tuloksiin.

Väitöskirjassa esitetään lisäksi kolme erilaista mallin sovellusta, joista kaksi käsittelee hakkuutähteiden talteenoton ja energiakäytön vaikutusta maaperän hiilivarastoon metsikkötasolla. Kolmannessa mallia käytetään osana metsien inventointitietoihin perustuvaa hiilitaseen arviointimenetelmää kansallisella tasolla. Kyseisessä osatutkimuksessa Suomen metsien kasvillisuuden ja kivennäismaiden maaperän hiilitase arvioitiin vuosina 1922-2004.

Epävarmuus- ja herkkyysanalyysien mukaan YASSO-mallin hiilivarastoarviot ovat epävarmoja, sillä näihin arvioihin vaikuttavat malliparametrit tunnetaan huonosti. Hiilivarastomuutosten arviot sen sijaan ovat verrattain tarkkoja, sillä näihin vaikuttavat parametrit tunnetaan paremmin. Mallin testaus laajalla kanadalaisella karikepussiaineistolla osoitti, että malli onnistui kohtalaisesti kuvaamaan erilaisten karikkeiden hajoamisen erilaisissa ilmasto-olosuhteissa.

Mallin dynaaminen lähestymistapa osoittautui tehokkaaksi sovelluksissa, joissa se yhdistettiin metsikkömalliin tai inventointitietoihin ja biomassa- ja karikemalleihin. Jotta malli paremmin soveltuisi maaperän hiilivaraston dynamiikan arvioimiseen laajemmilla maantieteellisillä alueilla, erilaisilla maankäyttömuodoilla ja laajemmissa tutkimuskysymyksissä, mallin oleellisia kehitysalueita ovat ilmastotekijöiden vaikutusten kuvauksen tarkentaminen sekä typpidynamiikan ja maalajin huomioiminen.

Mallisovellusten mukaan hakkuutähteiden keruu hakkuiden jälkeen vähentää maaperään siirtyvää hiilen määrää ja tämä hiilivarastomuutos on merkittävä verrattuna muihin hakkuutähteiden energiakäytön aiheuttamiin kasvihuonekaasupäästöihin. Kansallisella tasolla metsien maaperän hiilivarastolla on merkittävä rooli metsien hiilitaseessa.

  • Palosuo, University of Helsinki, Department of Forest Ecology ORCID ID:Sähköposti taru.palosuo@efi.int (email)
Mikko Peltoniemi. (2007). Country-scale carbon accounting of the vegetation and mineral soils of Finland. https://doi.org/10.14214/df.50

Metsien kasvillisuuden biomassa ja maaperä ovat merkittäviä hiilen varastoja. Ilmakehän hiilidioksidia sitoutuu metsiin hitaasti metsien kasvun myötä, mutta sitä voi vapautua ilmakehään nopeasti ja hyvinkin suuria määriä esimerkiksi ihmisen toiminnan tai ilmastonmuutoksen vaikutuksesta. Kioton sopimuksen allekirjoittaneet maat ovat velvollisia seuraamaan metsiensä hiilivarastoja ja arvioimaan niiden luotettavuutta.

Väitöskirjassa arvioitiin Suomen metsien kasvillisuuden ja kangasmaiden maaperän hiilitasetta vuosina 1922–2004, sekä verrattiin menetelmän tuottamia ennusteita metsikkökohtaisiin mittauksiin maaperän hiilivarastoista. Väitöskirjassa tarkasteltiin Suomen metsien vuotuisten hiilivarastojen muutoksien (nielujen) luotettavuuksia, niihin vaikuttavia tekijöitä, sekä arvioitiin niiden epävarmuuksien merkitystä Suomen koko kasvihuonekaasutaseelle. Väitöskirjassa esitettiin myös laskentamenetelmän sovellus, jossa malliennusteita käytettiin hyväksi maaperän hiilivarastojen näytteenotannan tehostamisessa. Laskentamenetelmä käyttää lähtötietoinaan inventointitietoa metsistä (tai simuloitua metsikkötietoa), liittää sen tilastollisiin biomassa- ja karikemalleihin, sekä dynaamiseen maaperän karikkeen ja hiilen hajotusmalliin.

Keskimääräinen vuotuinen hiilivaraston muutos Suomen metsien kasvillisuudessa vuosien 1922–2004 aikana oli 3.3 Tg C a-1, ja kangasmaiden maaperän hiilivarastossa 0.7 Tg C a-1. Suomen kasvillisuuden ja maaperän nielut olivat huomattavia verrattuina kasvihuonekaasujen päästöihin muilla sektoreilla. Metsien kasvillisuuden ja maaperän nielut vaihtelivat kuitenkin vuosittain hyvin paljon. Menetelmän ennusteet metsikkökohtaisista maaperän hiilivarastoista ja niiden pitkän ajan muutoksista olivat yhteneväisiä metsiköistä mitattuihin keskiarvoihin. Suomen metsien vuotuiset nielut olivat silti lähes kertaluokkaa epävarmempia kuin esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden poltosta johtuvat hiilidioksidipäästöt, ja ne heikensivät oleellisesti Suomen kasvihuonekaasutaseen luotettavuutta. Mikäli Suomen kangasmaiden maaperän nielua arvioitaisiin toistuvilla metsikkökohtaisilla mittauksilla maaperän hiilivarastoista, mallipohjaisella näytteenotannan osituksella voitaisiin saavuttaa kohtuullisia parannuksia näytteenotannan tehokkuudessa.

Suomen metsien nieluja raportoitaessa ja käytettäessä on nykyisin perustellumpaa tukeutua keskiarvoihin, jotka on laskettu useampien vuosien nieluarvioista. Metsien vuotuisia nieluarvioita ja niiden luottamusrajoja voidaan tarkentaa tulevaisuudessa yhdistämällä useampia tietolähteitä ja malleja. Tarkempia vuotuisia ennusteita metsien hiilinieluista saatetaan tarvita esimerkiksi Kioton jälkeisillä raportointikausilla, sekä ilmastomallinnuksen tukena.

  • Peltoniemi, University of Helsinki, Faculty of Biosciences ORCID ID:Sähköposti mikko.peltoniemi@gmail.com (email)
Katri Kostiainen. (2007). Wood properties of northern forest trees grown under elevated CO2, O3 and temperature. https://doi.org/10.14214/df.47

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ilmastonmuutoksen vaikutuksia rauduskoivun (Betula pendula Roth), amerikanhaavan (Populus tremuloides Michx.), paperikoivun (Betula papyrifera Marsh.), sokerivaahteran (Acer saccharum Marsh.) ja kuusen (Picea abies (L.) Karst.) läpimitan kasvuun sekä puuaineen rakenteeseen ja kemiaan. Tutkimuksen aineistot kerättiin Suomessa, Yhdysvalloissa ja Ruotsissa toteutetuista ilmastonmuutoskokeista.

Kohotettu CO2- ja O3-pitoisuus sekä lämpötila vaikuttivat metsäpuiden puuaineen ominaisuuksiin. Rauduskoivulla kohotettu CO2 lisäsi luston leveyttä ja uuteaineiden ja tärkkelyksen pitoisuutta, kun taas selluloosan ja gravimetrisen ligniinin pitoisuus laski. Vasteet kohotetulle otsonille riippuivat kloonista: putkilo-osuus ja typpipitoisuus laskivat, kun taas soluseinäosuus nousi yhdellä kloonilla. Kohotettu CO2 kompensoi otsonin vaikutuksesta tapahtuvaa putkilo-osuuden pienenemistä.

Vasteet kohotetulle CO2- ja O3-pitoisuudelle erosivat 3- ja 5-vuotiaalla haavalla ja paperikoivulla. Kolmevuotiailla haapaklooneilla ja paperikoivulla ligniinipitoisuus lisääntyi kohotetussa O3-pitoisuudessa. Kohotettu CO2 kuitenkin kompensoi tätä vaikutusta eikä ligniinivastetta enää havaittu 5-vuotiailla puilla. Kohotettu CO2 vähensi haavalla uronihappojen pitoisuutta ja lisäsi kloonista riippuen uuteaineiden ja tärkkelyksen pitoisuutta. Kohotettu O3 vähensi haavalla rungon läpimitan kasvua ja putkiloiden soluontelon läpimittaa, mutta lisäsi soluseinän paksuutta. Viisivuotiaalla paperikoivulla kohotettu CO2 lisäsi uuteaineita ja vähensi tärkkelystä, kun taas kohotettu O3 lisäsi molempien pitoisuutta. Kolmivuotias vaahtera reagoi puulajeista vähiten niin kohotettuun CO2- kuin O3-pitoisuuteen.

Kohotettu CO2 vähensi 40-vuotiaalla kuusella typpipitoisuutta, kevätpuun soluseinän paksuutta ja kuitujen soluontelon läpimittaa, kun taas luston leveys lannoittamattomilla puilla ja kesäpuukuidun soluontelon läpimitta kasvoivat. Kohotettu lämpötila vähensi uuteaineiden ja liukoisten sokereiden pitoisuutta, ja lisäsi soluseinän paksuutta ja puun tiheyttä.

Altistuskokeiden tulokset osoittavat, että puuaineen ominaisuudet voivat muuttua ilmastonmuutoksen seurauksena, mutta vasteet kohoaville CO2- ja O3-pitoisuuksille sekä kohoavalle lämpötilalle voivat riippua puulajista ja puun iästä. Puiden pitkäikäisyyden takia lisätietoa pitkäaikaisista tutkimuksista tarvitaan, ennen kuin puuaineen ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia eri lopputuotteissa voidaan ennustaa tulevaisuuden ilmastossa.

  • Kostiainen, University of Oulu, Department of Biology ORCID ID:Sähköposti katri.kostiainen@metla.fi (email)
Petteri Muukkonen. (2006). Forest inventory-based large-scale forest biomass and carbon budget assessment: new enhanced methods and use of remote sensing for verification. https://doi.org/10.14214/df.30

Fossiilisten polttoaineiden aiheuttama ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvu on viime vuosina herättänyt runsaasti keskustelua. Kohonneen hiilidioksidipitoisuuden alentamiseksi on pohdittu muun muassa hiilen sitomista fotosynteesin avulla metsäkasvillisuuteen. Tämän takia tieteellisiä ja poliittisia tarkoituksia varten tarvitaankin alueellisia vertailukelpoisia arvioita metsien hiilitaseesta.

Tässä tutkimuksessa kehitettiin menetelmiä boreaalisten kivennäismailla sijaitsevien metsien kasvillisuuden ja maaperän hiilimäärän arvioimiseksi. Nyt esitetty menetelmä pohjautuu metsäinventointitietoihin, koska ne tarjoavat hyvien otantamenetelmiensä ansiosta luotettavan pohjan hiilimäärien arvioinnille. Nyt kehitetyt menetelmät parantavat muun muassa kariketuoton ja aluskasvillisuuden biomassan arvioimista. Lisäksi tässä työssä käytetyt kaukokartoitusaineistot ja -menetelmät mahdollistavat metsäinventoinneista riippumattoman tulosten vertailun.

Nyt saatuja tuloksia voidaan soveltaa Kioton sopimuksen ja YK:n edellyttämissä hiilitaseraportoinneissa. Tämän tutkimuksen tulokset soveltuvat laajojen alueiden hiilitaseiden arviointiin silloin, kun saatavilla on valmista metsäinventointiaineistoa kuten esimerkiksi metsätilastoja. Mikäli tällaista tietoa ei ole saatavilla, voidaan alustavia arvioita tehdä myös tässä tutkimuksessa esitettyjen kaukokartoitusaineistojen ja -menetelmien avulla.

Vaikka nyt esitetyt menetelmät mahdollistavat boreaalisten metsien hiilimäärän arvioinnin, tulevaisuudessa menetelmiä tulee silti kehittää edelleen. Erityisesti tulee huomioida maanalaisen biomassan ja kasvien maanalaisten osien kariketuoton arvioimista. Lisäksi tulevaisuudessa täytyy edelleen kehittää menetelmiä maaperän hiilimäärän muutosten selvittämiseksi.

  • Muukkonen, University of Helsinki, Faculty of Science ORCID ID:Sähköposti petteri.muukkonen@metla.fi (email)
Elemer Briceño-Elizondo. (2006). Stand level analysis on the effects of management and climate change on the growth and timber yield with implications on carbon stocks in boreal forest ecosystem: a model based approach. https://doi.org/10.14214/df.24

Tutkimuksessa analysoitiin mallisimulointien perusteella, miten metsänhoito ja ilmastonmuutos vaikuttavat boreaalisen metsän kasvuun ja kehitykseen sekä sen kykyyn tuottaa ainespuuta ja sitoa hiiltä. Laskelmat koskivat mänty- (Pinus sylvestris), kuusi- (Picea abies) koivu- (Betula sp) metsiköitä sekä Etelä- että Pohjois-Suomessa. Laskelmissa käytettiin kahta erilaista ilmastonmuutosskenaariota sekä sovellettiin kahdeksaa erilaista harvennusohjelmaa. Harvennusohjelmien laadinnassa puuston pohjapinta-alaan ja valtapituuteen perustuvia harvennussuosituksia muunneltiin siten, että puuston keskimääräinen määrä kiertoajan yli vaihteli nykysuosituksiin verrattuna.

Laskelmat osoittivat, että harventamattomissa metsiköissä kasvu ja hiilensidonta olivat aina suurempia kuin harvennetuissa metsiköissä kasvupaikasta, puulajista ja ilmastoskenaariosta riippumatta. Toisaalta harvennusohjelmat, joissa puuston keskimääräinen määrä säilyi nykyisiä suosituksi korkeampana, tuottivat runsaammin ainespuuta ja sitoivat hiiltä kuin sovellettaessa nykyisiä suosituksia. Ilmastonmuutos lisäsi kasvua, ainespuun tuotosta ja hiilensidontaa, Pohjois-Suomessa suhteellisesti enemmän kuin Etelä-Suomessa puulajista riippumatta. Puuston määrän lisääminen harvennusmetsissä saattaa olla perusteltu vaihtoehto metsästä saatavan kokonaishyödyn lisäämiseksi yhdistäessä ainespuun tuotanto ja hiilensitominen toisiinsa. Samalla voidaan luoda otollisia olosuhteita metsien monimuotoisuuden suojelemiseksi.

  • Briceño-Elizondo, University of Joensuu, Faculty of Forestry ORCID ID:Sähköposti elemer.briceno@joensuu.fi (email)
Aleksi Lehtonen. (2005). Carbon stocks and flows in forest ecosystems based on forest inventory data. https://doi.org/10.14214/df.11

Ilmastosopimus velvoittaa sopijamaat raportoimaan kasvihuonekaasupäästöjen lisäksi myös metsien hiilivaraston muutokset, koska metsien hiilitase vaikuttaa merkittävästi ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksiin ja kasvihuoneilmiön voimakkuuteen. Kioton sopimuksen ja sitovien päästövähennystavoitteiden myötä metsien hiilitaseen kattava ja luotettava arviointi on tullut välttämättömäksi, sillä metsien hiilinieluilla voidaan kompensoida osa päästövähennystavoitteista. Suomessa metsien hiilinieluraportointi on aikaisemmin koskenut vain puustoa eikä käytettyjen mallien edustavuutta ole testattu.

Väitöskirjan tavoitteena oli kehittää menetelmiä, joilla voidaan määrittää metsien hiilivarastoja ja virtoja kansallisella tasolla perustuen metsien inventointiaineistoihin.

Puuston biomassan arviointia varten kehitettiin biomassan muuntokertoimet (BEF) Suomelle. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin muuntokertoimien epävarmuudet. Myös oksakarikkeen muodostama hiilivirta puustosta maahan arvioitiin uusien mallien avulla. Sekä biomassan, että oksakarikkeen estimointimenetelmiä testattiin riippumattomilla mittausaineistoilla.

Kehitettyjä biomassan muuntokertoimia ja kariketuotantokertoimia sovellettiin suomalaiseen inventointiaineistoon vuosilta 1922 − 2004 metsien hiilivarastojen ja niiden muutosten selvittämiseksi. Laskennassa otettiin huomiin tärkeimmät karikkeen lähteet (biomassan karike, hakkuutähteet ja luonnonpoistuma), joiden vaikutus maan hiilivarastoon mallinnettiin dynaamisella maamallilla.

Aikasarjat metsien hiilivarastoista vuosille 1922 − 2004 laskettiin biomassan muuntokertoimien, kariketuotannon ja maamallin yhdistämisellä. Tulosten mukaan puuston hiilivarasto oli 20-luvun alkupuolella 510 Tg hiiltä ja vuonna 2004 se oli puolestaan 780 Tg hiiltä. Samalla jaksolla mineraalimaiden maaperän hiilivarasto kasvoi 110 Tg, ollen vuonna 2004 noin 960 Tg hiiltä. Tutkimuksessa huomattiin myös että kasvillisuuden ja maaperän hiilivarastojen vaihtelut olivat suuria ja usein erisuuntaisia vuosien välillä. Nämä vaihtelut johtuivat pääosin lämpötilan ja hakkuiden vuosittaisista vaihteluista. Lisäksi Suomen metsien vuotuinen nettoprimäärituotos kasvoi 0.1 kg m-2 82 vuoden jakson aikana, ollen jakson lopussa 0.4 kg m-2 vuodessa. Suomen metsien kasvillisuus ja mineraalimaat yhdessä toimivat hiilinieluna 1970-luvulta lähtien.

Suomen metsien rooli kansallisessa kasvuhuonekaasutaseessa edellyttää kattavaa laskentaa − on tärkeää laskea metsän kaikki hiilivarastot, kuten puusto, karike, maaperä ja kuolleet puut, ja niissä tapahtuvat muutokset. Näiden hiilivarastojen muutosten määrittäminen on erityisen tärkeää, jos metsänhoitomenetelmiä ja -suosituksia muutetaan metsien hiilensidonnan lisäämiseksi.

  • Lehtonen, University of Helsinki, Department of Forest Ecology ORCID ID:Sähköposti aleksi.lehtonen@metla.fi (email)
Eija Juurola. (2005). Photosynthesis, CO2 and temperature – an approach to analyse the constraints to acclimation of trees to increasing CO2 concentration. https://doi.org/10.14214/df.4

Tutkimuksen tavoitteena oli analysoida lämpötilan ja hiilidioksidipitoisuuden vaikutuksia fotosynteesiin ja siihen liittyviin prosesseihin ottaen huomioon lajille tyypillinen lehden kolmiulotteinen rakenne. Lehden rakenne vaikuttaa sekä hiilidioksidin kulkeutumiseen että valon absorptioon lehteen ja siten viherhiukkasten fotosynteesitehokkuuteen. Työssä yhdistetään fotosynteesiin vaikuttavia fysikaalisia ja biologisia tekijöitä. Puiden mukautumista ilman kohoavaan hiilidioksidipitoisuuteen tutkittiin kokeellisesti männyllä ja rauduskoivulla ja tuloksia tulkittiin suhteessa lehden ja neulasen rakenteellisiin eroihin.

Tutkimuksessa kehitettiin rauduskoivun lehden kolmiulotteista rakennetta yksityiskohtaisesti kuvaava malli, jonka avulla hiilidioksidin kulkeutumista ja valon absorptiota lehden sisällä voitiin analysoida. Lämpötilan vaikutusta hiilidioksidin sitoutumiseen lehdessä tutkittiin aluksi määrittämällä kokeellisesti fotosynteesin tärkeimpien reaktioiden lämpötilariippuvuus boreaalisella vyöhykkeellä kasvavalle rauduskoivulle. Tässä käytettiin hyväksi perinteistä fotosynteesireaktioita kuvaavaa mallia.

Näitä riippuvuuksia hyväksi käyttäen voitiin kolmiulotteisella mallilla analysoida fysikaalisten tekijöiden vaikutuksia lehden fotosynteesin lämpötilariippuvuuteen. Kehitetty malli osoittautui hyväksi työkaluksi kun tutkitaan hiilidioksidin sitoutumista eri lajeilla. Tulosten perusteella määritettiin uudet fotosynteesireaktioiden lämpötilariippuvuudet, joissa lehden rakenteen ja fysikaalisten tekijöiden vaikutus otettiin huomioon. Tulosten perusteella voidaan sanoa että lehden rakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat selvästi lehtitasolla mitatun fotosynteesin lämpötilariippuvuuteen. Tällä on merkitystä kun tarkastellaan lajien välisiä eroja muuttuvassa ympäristössä. Kolmiulotteisen mallianalyysin perusteella voitiin myös todeta, että muiden vaikuttavien tekijöiden lisäksi lehden rakenteella voi olla huomattava vaikutus siihen miten kasvi mukautuu ilman kohoavaan hiilidioksidipitoisuuteen.

Puiden mukautumista tutkittiin kahdella eri puulajilla, ja tulosten perusteella voidaan sanoa että mukautuminen ilman kohoavaan hiilidioksidipitoisuuteen eroaa puulajien välillä. Mänty hitaasti kasvavana ikivihreänä puuna suuntaa käytettävissä olevia resursseja fotosynteesin lisäksi myös esimerkiksi talviaikaiseen suojautumiseen ja kuivuuteen mukautumiseen, kun taas koivu nopeasti kasvavana lehtipuuna voi käyttää resurssejaan fotosynteesinopeuden hetkelliseen maksimointiin. Nämä puulajien väliset erot näkyvät myös mukautumisessa muuttuvaan ympäristöön. Hiilidioksidipitoisuuden noustessa saattaa jopa käydä niin, että mänty hyötyy pitoisuuden noususta ainakin väliaikaisesti enemmän kuin rauduskoivu.

  • Juurola, University of Helsinki, Department of Forest Ecology ORCID ID:Sähköposti eija.juurola@helsinki.fi (email)

Rekisteröidy käyttäjäksi
Paina tätä linkkiä Metsätieteen aikakauskirjan käsikirjoituksen tarjoamis- ja seurantajärjestelmään (OJS) kirjautumiseen.
Kirjaudu sisään
Jos olet kirjautunut käyttäjäksi, kirjaudu sisään tallentaaksesi valitsemasi artikkelit myöhempää käyttöä varten.
Ilmoitukset päivityksistä
Kirjautumalla saat tiedotteet uudesta julkaisusta.


Valitsemasi artikkelit