Artikkelit jotka sisältää sanan 'hydrologia'

Metsäiset suot ovat maailmanlaajuisesti merkittäviä hiilivarastoja, mutta ne ovat myös tärkeitä metsän ja muun biotuotannon alueita. Suometsien hoidolla on osin ristiriitaisia tavoitteita, kuten taloudellinen hyöty, ilmastonmuutoksen hillitseminen ja siihen sopeutuminen, sekä vesiensuojelu. Tasapainottaminen näiden tavoitteiden välillä edellyttää ekosysteemiprosessien perusteellista ymmärtämistä sekä mallinnustyökaluja, jotka pystyvät kuvaamaan käsittelyvaihtoehtojen monimutkaiset vaikutukset ekosysteemiin. Tässä työssä esitellään kolme prosessipohjaista ekosysteemimallia, ja niiden sovelluksia ojitettujen turvemaiden konkreettisiin käsittelyskenaarioihin.

Kaikki kolme artikkelia rakentuvat yhteiselle hydrologiselle mallille. Kahdessa tutkimuksessa käsitellään patojen vaikutusta pohjaveden suoveden pinnan korkeuteen ja hiilidioksidipäästöihin trooppisilla soilla. Ensimmäinen tutkimusartikkeli osoittaa, että optimointialgoritmien käyttö ennallistettavan suoalueen patojen sijoittelussa parantaa merkittävästi suon uudelleen vettämistä. Toisessa tutkimusartikkelissa analysoidaan patojen vaikutusta trooppisten suon vedenpinnan korkeuteen ja arvioidaan patojen toimintaa erilaisissa sääolosuhteissa ja erilaisilla turpeen ominaisuuksilla. Kolmannessa tutkimusartikkelissa esitellään ekosysteemimalli, joka keskittyy kuivatuksen vaikutukseen ravinnedynamiikkaan ja metsän kasvuun boreaalisilla soilla. Yhdistämällä hydrologiset ja biogeokemialliset prosessit tämä ekosysteemimalli mahdollistaa toisiinsa liittyvien ilmiöiden, kuten puuston kasvua rajoittavan tekijän tunnistamisen sekä tyypillisten ojaverkoston hoitotoimenpiteiden vaikutuksen ravinnetaseeseen ja metsän tuottavuuteen.

• Urzainki, University of Eastern Finland, Faculty of Science, Forestry and Technology, School of Forest Sciences https://orcid.org/0000-0002-9079-1269 Sähköposti: iurzainki@gmail.com

Prosessipohjaiset maaperän hiilimallit voivat simuloida pieniä, lyhytaikaisia ​​muutoksia maaperän orgaanisen hiilen (SOC) varastoissa rekonstruoimalla maaperän CO₂- ja CH₄-päästöjen vasteen samanaikaisesti muuttuviin ympäristötekijöihin. Malleista puuttuu kuitenkin edelleen yhtenäinen teoria maaperän lämpötilan, kosteuden ja ravinnetilan vaikutuksista boreaalisissa ympäristöissä. Näin ollen jopa pieni systemaattinen virhe mallinnetuissa hetkellisissä maaperän CO₂- ja CH₄-päästöissä voi lisätä pitkän aikavälin SOC-varastojen ennusteiden vinoutuneisuutta.

Tutkimme ympäristötekijöitä, jotka säätelevät CO₂- ja CH₄-päästöjä ekosysteemien vaihettumisvyöhykkeellä Suomessa (metsä-suo-ekotonilla) kosteuden ja maaperän hiilen lisääntyessä (I ja II); maaperän CO₂-päästöjä ja SOC-varastoja neljällä metsäalueella Suomessa (III); ja maaperän hiilen sitomista kansallisessa mittakaavassa käyttämällä vuoden 2020 metsäkoealoja Ruotsin kansallisesta metsämaaperäluettelosta (IV). CO₂- ja CH₄-päästöjä sekä SOC-varastoja säätelevät ympäristötekijät arvioitiin soveltamalla epälineaarista regressio- ja korrelaatioanalyysiä empiirisiin aineistoihin ja maaperän hiilimalleilla (Yasso07, Q ja CENTURY).

Metsä-suo-ekotonilla maaperän hiilidioksidipäästöjen hetkellistä vaihtelua selitti lähinnä maaperän lämpötila (eikä niinkään maaperän kosteus), mutta SOC-varastot korreloivat pitkäaikaisen kosteuden kanssa. Äärimmäisten sääilmiöiden aikana, kuten pitkittyneessä kesän kuivuudessa, maaperän CO₂-päästöt mineraalimailla ja CH₄-päästöt suoalueilla vähenivät merkittävästi. Siirtymässä metsästä suolle ei havaittu CO₂- ja CH₄-päästöjen erityistä aktiivisuutta. Hiilidioksidipäästöt olivat vertailukelpoisia metsä- ja suotyyppien välillä, mutta CH₄-päästöt muuttuivat metsien pienistä nieluista suhteellisen suuriksi päästöiksi soilla. Soiden CH₄-päästöt eivät kuitenkaan kompensoineet niiden CO₂-nieluja. Ruotsalaisessa aineistossa metsien SOC-varastot kasvoivat selvästi kosteuden ja ravinnetilan ollessa korkeampia. Maaperän hiilimallit rekonstruoivat SOC-varastot hyvin mesotrofisille maaperille, mutta epäonnistuivat korkeamman hedelmällisyyden maaperille sekä kosteille maaperille, joissa oli turpeista humusta. Mitattujen ja mallinnettujen SOC-varastojen ja maaperän kausiluonteisten CO₂-päästöjen vertailu osoitti, että arvioiden tarkkuus vaihteli suuresti riippuen siitä, millaiset hajoamiseen vaikuttavien ympäristötekijöiden matemaattiset muotoilut mallissa oli ja miten ne oli kalibroitu.

Mallinnustulosten epätarkkuudet osoittivat, että maaperän kosteuden ja ravinteikkuuden roolit boreaalisen metsämaaperän pitkäaikaisessa hiilen sitomisessa ovat matemaattisesti puutteellisesti edustettuina prosessipohjaisissa malleissa. Tämä johtaa sekä SOC-varastojen että kausiluonteisten CO₂-päästöjen epäsuhtaan. Näiden vaikutusten uudelleenmuotoilu malleissa niin, että mikrobien ja entsyymien dynamiikka hajoamisen katalysaattoreina otettaisiin paremmin huomioon, parantaisi maaperän hiilimallien luotettavuutta ennustettaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia maaperään hiileen.

• Ťupek, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences Sähköposti: boris.tupek@luke.fi

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 Sähköposti: ville.kasurinen@helsinki.fi

Ilmastonmuutoksen vaikutus boreaalisten suoekosysteemien vesitalouteen ja kasvihuonekaasujen päästöihin sekä ruokohelven kasvuun tuotannosta vapautuneilla turvekentillä Väitöskirjatyössä tutkittiin, miten ilmastonmuutos vaikuttaa boreaalisten suoekosysteemien vesitalouteen ja kasvihuonekaasujen päästöihin sekä ruokohelven kasvuun tuotannosta vapautuneilla turvekentillä. Tätä varten laadittiin simulointimalleja, jotka kuvaavat kohosoiden ja aapasoiden hydrologisia olosuhteita ja niiden herkkyyttä ilmastotekijöiden vaihtelulle ja ilmastonmuutokseen (ilman hiilidioksidipitoisuuden ja lämpötilan kohoaminen sekä sadannan muuttuminen) Suomen eri osissa. Tehtyjen mallilaskelmien avulla arvioitiin miten ilmastonmuutos vaikuttaa luonnontilaisten ja turvetuotannosta vapautuneilta soilta tapahtuviin kasvihuonekaasupäästöihin sekä ruokohelven kasvuun tuotannosta vapautuneilla turvekentillä, ja miten ruokohelpeä voidaan tällaisissa olosuhteissa käyttää hyväksi ilmastonmuutoksen hillinnässä. Koko Suomen yli ulottuneet mallilaskelmat osoittivat, että luonnontilaisten soiden pohjaveden pinta voi laskea ilmaston lämmetessä sadannan lisääntymisestä huolimatta tämän vuosisadan loppuun mennessä verrattuna nykyilmastoon. Tämän seurauksena soiden merkitys hiilidioksidin sidonnassa vähenisi samalla, kun metaanipäästöt lisääntyisivät. Koko maan tasolla nämä muutokset vähentäisivät tuntuvasti luonnontilaisten soiden merkitystä ilmastonmuutoksen hillinnässä. Erityisesti maan etelä- ja länsiosissa suot voivat muuttua hiilen nieluista hiilen lähteiksi tämän vuosisadan loppupuolella. Tehdyt mallilaskelmat osoittivat myös, että ruokohelven kasvu on suuresti riippuvainen pintaturpeen kosteudesta. Tämän vuoksi ruokohelven kasvu tuotannosta vapautuneilla turvekentillä on herkkä suhteessa pohjavedenpinnan syvyyteen sekä sateiden määrään ja toistuvuuteen. Ilman hiilidioksidipitoisuuden ja lämpötilan kokoaminen voi lisätä ruokohelven kasvua tulevaisuudessa, mutta samanaikaisesti tapahtuva pohjavedenpinnan lasku ja pintaturpeen kuivuminen voivat vähentää tuntuvasti ruokohelven kasvua verrattuna potentiaaliseen kasvuun. Ruokohelpikasvuston kyky sitoa hiiltä oli tehtyjen mallilaskemien mukaan kuitenkin vielä tämän vuosisadan loppupuolella likimain yhtä suuri kuin vastaavan luonnontilaisen suokasvuston. Riittävän korkea pohjavedenpinta on avainasemassa pyrittäessä maksimoimaan ruokohelven kasvua tuotannosta vapautuneilla turvekentillä, olipa kysymyksessä nykyinen tai nykyistä lämpimämpi ilmasto.

• Gong, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: jinnang@student.uef.fi