Artikkelit jotka sisältää sanan 'vesi'

Kaupungistumisen, teollistumisen, maatalouden, kaivostoiminnan ja hulevesien vaikutukset ekosysteemeihin ovat johtaneet merkittäviin vesien saastumisongelmiin maailmanlaajuisesti. Kuitenkin vain vähän tutkimusta on julkaistu kadmiumin (Cd), kromin (Cr) ja eri kasviravinteiden samanaikaisesta erottamisesta hulevesistä ns. kelluvia kosteikkoja (FTW) käyttämällä tai harvinaisten maametallien (REE) keräämisestä ja talteenotosta biomassaviljelmien avulla. Tämä tutkimus lisää tietämystä REE:n talteenotosta vesistä käyttämällä lyhytkiertoisia pajuja (Salix spp.) ja simuloitua Cd:n ja Cr:n keruuta hulevesistä Phragmites australis- ja Iris pseudacorus -kasvilajeilla. Tässä yhteydessä tehtiin kolme erilaista ns. mikrokosmoskoetta monivuotisilla kasveilla (P. australis ja I. pseudacorus) FTW:ssä. Kasvien kasvua, juuren pituutta, klorofyllipitoisuusindeksiä (CCI), anatomisia kasvien kudosmuutoksia, Cd:n kertymistä sekä kasvien kasvua ja typen ja fosforin poistamista simuloiduissa hulevesissä tutkittiin 50 vuorokauden pituisenkokeen aikana eri Cd-annoksilla (0, 1, 2 ja 4 mg l^-1). Lisäksi tutkittiin FTW:ssä 50 päivän ajan Cr-annoksen (0, 500, 1000 ja 2000 μg l^-1) vaikutuksia P. australis- ja I. pseudacorus -lajien kasvuun ja anatomiaan sekä Cr:n kertymiseen kasvien biomassaan; lisäksi selvitettiin typen ja fosfaatin poistoa vesistä. REE-annosten vaikutuksia kasvien varren kasvuun, biomassaan ja juurten pituuteen tutkittiin kahdella pajulajilla (S. myrsinifolia ja S. schwerinii) ja kahdella pajun viljelylajikkeella (Klara ja Karin) FTW:ssä 28 vuorokauden aikana. Kokeissa vesi sisälsi REE kerta-annoksen lantaania (La: 50 mg l^-1) ja 6-REE:n moniliuosta (La: 11,50 + yttrium (Y: 11) + neodyymi (Nd) 10,50) + dysprosium (Dy: 10) + cerium (Ce: 12) ja terbium (Tb: 11,50 mg l^-1)). Kokeissa oli lisäksi kontrollikäsittelyt ilman REE:tä. Lisäksi tutkittiin REE:n talteenottoa biomassatuhkasta biomassan polton jälkeen. Tässä tutkimuksessa Cd-stressi ei haitannut P. australis tai I. pseudacorus -lajien kasvua; kasvien juuret keräsivät enemmän Cd:tä kuin versot. Kasvit pystyivät alentamaan typpi- ja fosforipitoisuuksia vesissä. Cr:n vaikutus kasvien kasvuun oli selvä jo pienillä ja keskisuurilla annoksilla (500 ja 1000 μg Cr l^-1) ja anatomisia muutoksia havaittiin suurella annoksella (2000 μg Cr l^-1). Molemmat lajit pystyivät poistamaan huomattavan määrän (98–99 %) typpeä ja fosforia 10 päivän aikana lisääntyneen Cr-kuormituksen aikana. Suurin määrä Cr:a säilyi P. australis- ja I. pseudacorus -juurissa. Pajulajit ja lajikkeet eivät osoittaneet REE-toksisuusoireita. Noin 80 % REE:stä säilyi pajun tuhkassa polton jälkeen. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että nämä monivuotiset kasvit voisivat olla sopivia ehdokkaita kontrolloimaan valumavesien Cd-, Cr- ja REE -päästöjä vesistä samalla kun ne tuottavat biomassaa tehokkaasti.

• Mohsin, University of Eastern Finland, Faculty of Science, Forestry and Technology, School of Forest Sciences https://orcid.org/0000-0003-1211-5211 Sähköposti: muham@uef.fi

Suometsät muodostavat tärkeän puuvarannon suomalaiselle metsäteollisuudelle, mutta samaan aikaan suoekosysteemit ovat tärkeitä metsien monimuotoisuuden, hiilensidonnan, vesiensuojelun ja virkistyskäytön kannalta. Suometsiä ojitettiin laaja-alaisesti kasvavan metsäteollisuuden tarpeisiin 1960–70 -luvuilla, mikä lisäsi merkittävästi puuston kasvua turvemailla. Ojitukset heikensivät kuitenkin suometsien monimuotoisuutta ja lisäsivät huomattavasti vesistöjen kiintoaine- ja ravinnekuormitusta, mikä on aiheuttanut järvien ja jokien rehevöitymistä, samentumista ja tummentumista.

Tämä väitöskirja esittelee käytännönläheisiä mahdollisuuksia, joiden avulla suometsien hoidossa voidaan kustannustehokkaasti huomioida erityisesti metsien monimuotoisuus ja vesiensuojelu. Suometsien hakkuita ja ojituksia kritisoidaan laajasti, joten suometsänhoidon yleisen hyväksyttävyyden lisääminen ympäristöasioiden paremmalla huomioimisella on tarpeen. Lentolaserkeilauksen tuottama 3D-pistepilvi tarjoaa erinomaisen aineiston muun muassa biomassan määrän ja laadun arviointiin, heikkotuottoisten alueiden tunnistamiseen ja rajaamiseen, pintavesien virtauksen mallintamiseen sekä kosteiden maastonkohtien kartoittamiseen. Laserkeilauksen vahvuus muihin kaukokartoitusmenetelmiin verrattuna on sen kyky tuottaa maanpinnasta erittäin tarkka korkeusmalli, sillä keilaimen lähettämät pulssit pystyvät läpäisemään metsän latvuskerroksen.

Korkeusmallista laskettujen, kohteen lähiympäristöä kuvaavien tekstuuripiirteiden käyttö maaston kantavuuden ennustamisesta on uusi idea, joka kannattaa huomioida jatkotutkimuksissa ja käytännössä, koska tekstuuripiirteet kuvasivat lupaavasti hyvin pienialaista, leimikon sisäistä kantavuuden vaihtelua. Toinen uusi idea tässä väitöskirjassa on vesiensuojelurakenteiden automaattiseen sijoitteluun tähtäävä laskentamenetelmä, jonka on tarkoitus helpottaa ojituksen suunnittelijan työtä, koska etenkin pintavalutuskentille on yleisesti ollut vaikea löytää sopivia sijoituspaikkoja. Ylipäätään laserkeilausaineistoista voidaan johtaa paljon sellaista tietoa, joka auttaa merkittävästi suometsänhoidon ja ojien kunnostuksen suunnittelua. Paikkatiedon avulla valtaosa suunnittelusta voidaan jatkossa tehdä toimistotyönä, jolloin suunnittelun maastotyöt pystytään etukäteen kohdistamaan tärkeimpiin maastonkohtiin.

• Niemi, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences Sähköposti: mikko.t.niemi@helsinki.fi

Puun johtosolukot yhdistävät puun fysiologiset prosessit ja puun kasvun kasvupaikan resurssien saatavuuteen. Vettä liikkuu maasta pitkin mantopuuta, eli ksyleemisolukkoa, jopa 100-metristen puiden latvukseen. Kuoressa sijaitsevaa sokereita ja muita tärkeitä yhdisteitä kuljettavaa nilasolukkoa pitkin yhteyttämistuotteet liikkuvat lehdistä puun aineenvaihdunnallisiin prosesseihin, varastoihin, kasvuun ja puun puolustukseen. Veden saatavuuden heikentymisen seurauksena puu sulkee lehtien ilmarakoja. Tämä samalla laskee puun yhteytystuotosta, koska yhteyttämisessä tarvittavat vesi ja hiilidioksidi siirtyvät molemmat ilmarakojen kautta lehtien ja ympäröivän ilman välillä. Nilakuljetuksen saa aikaiseksi hydrostaattiset paine-erot, turgorpaine-erot, mitkä muodostuvat kuljetussolukkoihin, esimerkiksi puun latvuston ja juuriston välille. Turgorpaine-erot muodostuvat nilan osmolalisuuden, eli osmoottisesti aktiivisten yhdisteiden pitoisuuden, ja ksyleemin vesipotentiaalin yhteisvaikutuksesta. Puut ovat sopeutuneet paikallisiin olosuhteisiin perinnöllisten tekijöiden avulla sekä mukautuen rakenteellisesti kasvun avulla. Nopeisiin ympäristön muutoksiin puut sopeutuvat fysiologisilla vasteilla. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan puun fysiologisia vasteita, kuten nilasolukon osmolalisuutta, puun vesipotentiaalia ja lehtien ilmarakojen aukioloastetta eli ilmarakokonduktanssia, ja kuinka ne ovat kytköksissä muuttuviin ympäristöolosuhteisiin. Väitöskirjan tutkimukset keskittyvät metsämäntyyn ja –kuuseen, ja ne ovat pääosin kenttäolosuhteissa tehtyjä tutkimuksia.
Tämän väitöskirjan tulosten mukaan vuodenaikaiset vaihtelut maan lämpötilassa ja vesipitoisuudessa välittyvät puun vedenkuljetuskykyyn maan ja latvuston välillä. Myös lehtien ilmarakokonduktanssi, ja siten myös puun hiilensidonta, ovat kytköksissä näihin vedenkuljetuskyvyn muutoksiin kasvukauden aikana. Väitöskirjan tutkimukset tukevat vallitsevaa käsitystä nilakuljetuksen toiminnasta, ns. Münchin nilakuljetusteoriaa, missä osmoottiset pitoisuuserot muodostavat riittävän turgorpaine-eron sokereita tuottavien, tai varastoivien, ja sokereita kuluttavien solukkojen välille. Nilakuljetukselle tarvittava osmoottinen gradientti solukkojen välillä sekä painovoiman edistävä vaikutus puun juuristoa kohti tapahtuvassa nilakuljetuksessa ovat molemmat havaittavissa näissä tutkimuksissa kenttäolosuhteissa. Vettä kuljettavan ksyleemisolukon vesipotentiaali ohjailee puun nilasolukon osmolalisuutta ja turgorpainetta päivittäin, veden saatavuutta ja puun haihdutusta mukaillen. Nilakuljetusta ajavat turgorpaine-erot näyttäisivät myös määrittävän puun päivittäistä ja vuodenaikaista yhteytystuotteiden allokointia vedensaatavuuden mukaan. Kaarnakuoriaisten mukana puihin kulkeutuvat sinistäjäsienet kykenevät aiheuttamaan puun vedenkuljetuksessa häiriöitä, mitkä voivat heikentää puun elinvoimaisuutta. Äkilliset heikentymiset puun vedenkuljetuksessa voivat olla seurausta veden pintajännityksen laskusta ksyleemisolukossa intensiivisen patogeeni-infektion seurauksena.

• Paljakka, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Institute for Atmospheric and Earth System Research / Forest Sciences Sähköposti: teemu.paljakka@helsinki.fi

Maailman metsät altistuvat uudenlaiselle stressille ilmastonmuutoksen myötä. Tuhohyönteiset sekä patogeenit siirtyvät uusille leveysasteille ja kuumuuden aiheuttama stressi lisääntyy, mikä johtaa lisääntyneeseen puiden kuolleisuuteen sekä kasvaneeseen metsäpalojen määrään maailmanlaajuisesti. On vaikeaa arvioida, kuinka voimakasta metsien heikentyminen ilmastonmuutoksen myötä on minkä vuoksi tarvitaan uusia harhattomia menetelmiä metsien kunnon arviointiin. Kaukokartoitusmenetelmillä voidaan mitata useita eri muuttujia metsistä, mutta stressin havaitseminen aikaisessa vaiheessa on ollut haastavaa muutoksien hienovaraisuudesta johtuen. Monikanavalaserkeilausteknologialla on potentiaalia havaita aikaisia puun heikentymisen merkkejä tarjoamalla tarkkaa kolmiulotteista tietoa sekä informaatiota puun heijastuvuudesta useilla eri aallonpituuksilla samanaikaisesti.

Tämän väitöskirjan päätavoitteena oli tutkia monikanavalaserkeilauksen kykyä havaita ja arvioida useiden eri stressitekijöiden aiheuttamaa puun heikentymistä. Tämä tehtiin tutkimalla kaukokartoituksen avulla havaittavaa puiden heikentymisen indikaattoria, lehtien vesipitoisuutta. Väitöskirjassa kehitettiin uusia menetelmiä lehtien vesipitoisuuden arviointiin monikanavalaserkeilauksen avulla useilla eri mittakaavoilla yksittäisistä lehdistä kokonaisiin latvuksiin. Myös lehtien vesipitoisuuden ja erilaisten puun heikentymistä aiheuttavien stressitekijöiden välistä suhdetta tutkittiin, jotta stressin ja vesipitoisuuden välistä riippuvuutta voitaisiin ymmärtää paremmin.

Osatutkimukset I-III keskittyivät tutkimaan lehtien vesipitoisuuden sekä laserintensiteetin, eli laserin heijastaman valon, välistä yhteyttä usealla aallonpituudella. Ensin, hyperspektrilaserkeilainta, joka havaitsee kahdeksaa eri aallonpituutta, käytettiin muutosten havaitsemiseen tuoreiden sekä kuivuuskäsiteltyjen mäntyjen sekä kuusten välillä (osatutkimus I). Sitten tehtiin tutkimus yksittäisillä lehdillä sekä neulasryhmillä (osatutkimus II) käyttäen mäntyä, kuusta, metsälehmusta, vaahteraa sekä rauduskoivua ja havaittiin vahva riippuvuus lehtien vesipitoisuuden sekä 1550 nm ja 690 nm aallonpituuksista lasketun indeksin välillä. Tämän jälkeen osatutkimuksessa III tutkittiin neulasten kosteuspitoisuuden arviointia monikanavalaserkeilauksen avulla sekä patogeenin ja kuivuuden aiheuttamaa lehtien vesipitoisuuden vaihtelua kuusen taimilla. Sinistäjäsienellä infektoitujen taimien neulasten vesipitoisuus vähentyi nopeasti, kun taas kuivuuskäsiteltyjen taimien vesipitoisuus pysyi tasaisempana erittäin voimakkaaseen kuivuuteen asti. Neulasten kosteuspitoisuus sekä heikentyneet taimet pystyttiin ennustamaan hyvällä tarkkuudella käyttäen indeksiä, joka oli laskettu 1550 nm ja 905 nm aallonpituuksista.

Kehitettyä menetelmää sekä neulasten kosteuspitoisuuden ja puun heikentymisen välistä yhteyttä tutkittiin osatutkimuksessa IV kirjanpainajan (Ips typographus L.) heikentämässä metsässä. Monikanavalaserkeilauksen avulla pystyttiin erottamaan hyvällä tarkkuudella (90% yleistarkkuus) kirjanpainajan saastuttamat puut jo silloin kun latvus ei vielä osoittanut visuaalisia heikentymisen merkkejä. Laserintensiteetin avulla pystyttiin havainnoimaan pihkavuotoja rungossa, mikä auttoi terveiden puiden luokittelussa. Huomattiin myös, että neulasten kosteuspitoisuus laskee jo pian kirjanpainajan iskeytymisen jälkeen.

Tämä väitöskirja edistää sekä objektiivisen ja automatisoitavan menetelmän kehitystä, jolla voidaan havaita ja mitata puiden heikentymistä, että lehtien vesipitoisuuden ja puiden heikentymisen välisen yhteyden ymmärtämistä. Väitöskirjan tuloksista julkaistaan myös populääri musiikki- ja videoteos nimellä: Idän Proffa feat. Linda Ilves – Keilaa puita. Video julkaistaan täällä: http://bit.ly/keilaapuita.

• Junttila, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: samuli.junttila@helsinki.fi

Liuenneen orgaanisen hiilen ja typen (DOC ja DON) kulkeutuminen boreaalisesta metsämaasta vesistöihin on lisääntynyt. Tästä huolimatta hajoavan maa-aineksen ja maan ravintoverkkojen vaikutus DOCin ja DONin vapautumisnopeuteen ja laatuun on vielä huonosti tunnettu. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää hiilen ja typen vapautumisen määrää kangashumuksesta ja turpeesta, jotka ovat boreaalisen metsämaan tavallisimmat orgaaniset maatyypit. Myös maaperäeläimistön vaikutusta vapautumisprosesseihin arvioitiin. Hajotus jaettiin välituotteisiin (DOC ja DON) ja mineralisoituneisiin lopputuotteisiin (CO₂-C ja NH₄⁺-N). Inkubaatiokokeissa mitattiin hiilen ja typen vapautumista maaliuokseen ja uutettavaan fraktioon, sekä hiilidioksidin vapautumista ilmaan. DOC ja DON jaettiin edelleen molekyylipainoltaan painavaan ja kevyeen fraktioon.

Eri maatyyppien välillä oli eroja hiilen vapautumisessa. Turve vapautti absoluuttisesti vähemmän, mutta suhteellisesti enemmän hiiltä DOC-muodossa kuin kangashumus. Kunttamato (Cognettia sphagnetorum) vaikutti hajoamistuotteiden koostumukseen edistämällä mineralisaatiota ja suurimolekyylipainoisen DOCin vapautumista.

Heikosti maatuneessa turpeessa typen nettovapautumista tapahtui DON-muodossa, kun taas muissa maatyypeissä vapautunut typpi oli pääasiassa ammoniumia. Heikosti maatuneet turpeet sijaitsevat usein pintamaassa lähellä vesialueita, jossa veden virtaama on suurinta. Tästä syystä heikosti maatuneilla turpeilla voi olla merkittävä rooli typen kulkeutumisen säätelyssä.

Tuloksia käytettiin ROMUL-hajotusmallin kehittämisessä tarkentamalla DOCin ja DONin prosesseja ja lisäämällä malliin hajoamistuotteiden jako välituotteisiin ja lopputuotteisiin. Mallin parametrisointia ja rakennetta analysoitiin GLUE-menetelmällä (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation) sekä hyödyntämällä useita yhtä aikaa mitattuja muuttujia. Tällainen mallin analysointi oli uutta tällä tutkimusalalla.

• Lappalainen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: mjlappalainen@gmail.com

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää tehokkaita metsähakkeen toimitusketjuja tienvarsivarastolta käyttöpaikalle. Tutkimusmenetelmänä käytettiin diskreettiä tapahtumapohjaista simulointia. Neljässä tutkimustapauksessa voitiin osoittaa seuraavat tulokset. 1) Voimalaitoksen polttoaineen vastaanottojärjestelmän uudelleenjärjestelyt sekä metsähake- ja turverekkojen saapumisen aikataulutus vähensi jonotusaikoja voimalaitoksella merkittävästi. 2) Metsäenergian tienvarsivarastojen tehokas sijainti- ja laatutiedon hyödyntäminen varastojen oikea-aikaisessa valinnassa toimituksiin lisäsi toimitettavan metsähakkeen energiasisältöä ja pienentää toimituskustannuksia. 3) Syöttöterminaalin käyttö osana metsähakkeen toimituksia käyttöpaikalle lisäsi hakkureiden ja hakeautojen käyttöastetta ja jakoi työmäärää tasaisemmin vuoden ympäri. 4) Metsähakkeen sisävesikuljetukset proomuilla tarjosi kilpailukykyisiä kuljetusratkaisuja pitkillä kuljetusetäisyyksillä, jos metsähakkeen käyttöpaikat sijaitsivat vesitiekuljetusreittien lähellä.

• Väätäinen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: kari.vaatainen@luke.fi

Puiden toiminta muuttuu kun veden määrä niissä vähenee. Veden määrän vähetessä elävät solut puun sisällä voivat kokea kuivuusstressiä ja puun kyky kuljettaa vettä vähenee kun ksyleemi-solukkoon alkaa kertymä ilmaa ilmiössä, jota kutsutaan embolisaatioksi. Veden määrä vähenee puissa niiden kokiessa kuivuutta tai kun ne jäätyvät. Jäätymisen tapauksessa, nestemäisen veden määrä puun sisällä alenee tyypillisesti erittäin nopeasti jäätymisen alettua ja jään kemiallisista ominaisuuksista johtuen jää myös kuivattaa eläviä soluja erittäin tehokkaasti vetämällä nestemäistä vettä puoleensa. Veden liikettä puissa kuvataan usein vesipotentiaalin avulla. Vesipotentiaali alenee paineen laskiessa ja osmoottisen konsentraation noustessa, josta seuraa että vesi kulkee kohti alhaisempaa vesipotentiaalia.

Tässä väitöskirjassa pyrittiin ymmärtämään vesipotentiaalin vaikutuksia puiden elävin soluihin ja ksyleemin hydrauliseen vedenjohtavuuteen alentamalla vesipotentiaalia; kuivuuden ja jäädyttämisen keinoin ja nostamalla osmoottista potentiaalia apoplastisessa tilassa. Apoplastisella tilalla tarkoitetaan tilaa joka käsittää ksyleemin putkilot ja muun tilan elävien solujen ulkopuolella. Vaikutuksia tutkittiin käyttämällä läpimitanmuutos-, lämpötila- ja kaasunvaihtomittauksia.

Alhaisen vesipotentiaalien vaikutuksia eläviin soluihin tutkittiin ksyleemin parenkyymi- ja lehtien mesofyllisolujen tapauksessa. Puiden paksuuskasvua ja veden kuljetusta on tutkittu paljon mittaamalla rungon läpimitanmuutoksia ajan suhteen. Parenkyymisoluilla on yleisesti uskottu olevan vain marginaalinen vaikutus ksyleemin läpimitanmuutoksiin, mutta tämän väitöskirjan tuloksista ilmenee että niillä on merkittävä vaikutus, erityisesti puiden jäätyessä. Mesofyllisoluissa tapahtuvan fotosynteesin tiedetään alentuvan lämpötilan painuessa nolla asteen alapuolelle. Tässä väitöskirjassa näytetään ensimmäistä kertaa miten fotosynteesi nopeus alenee nopeasti jäätymisen alettua puissa ja kuinka se tapahtuu samaan tahtiin elävien solujen kokeman kuivuusstressin kanssa.

Väitöskirjassa tutkittiin myös alhaisen vesipotentiaalin, embolisaation ja jäätymisen vaikutuksia ksyleemin hydrauliseen johtavuuteen ja puiden kykyä havaita ja aktiivisesti kontrolloida embolisaation kehittymistä. Väitöskirja paljasti kuinka jäätyminen ja embolisaatio voi saada aikaan paineen nousuja ksyleemissä, jolla voi olla pitkäkestoisia seurauksia puiden toimintaan ja ksyleemin hydrauliseen konduktanssiin ja joilla voi olla myös suuria ekologisia seurauksia. Kaiken kaikkiaan väitöskirja osoitti miten vesipotentiaalin ja sen vaikutusten keskinäinen suhde ei ole niin yksinkertainen ja lineaarinen kun tieteen alalla on yleisesti ymmärretty.

• Lindfors, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: lauri.lindfors@helsinki.fi

• Kymäläinen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: Maija.kymalainen@helsinki.fi

• Mäkiranta, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: paivi.makiranta@metla.fi

• Hynninen, University of Helsinki, Department of Geosciences and Geography Sähköposti: anu.hynninen@metla.fi

• Tanskanen, University of Helsinki, Department of Forest Ecology Sähköposti: niina.tanskanen@helsinki.fi

• Helenius, University of Helsinki, Department of Forest Ecology Sähköposti: pekka.helenius@metla.fi