Dissertationes Forestales vol. 2018 | 2018

Tutkin väitöskirjassani metsien polton ja hakkuun voimakkuuden vaikutusta lahottajasieniin, kääpiin, 10 vuoden aikana polton ja hakkuun jälkeen. Metsien hakkuiden yhteydessä valtaosa puusta korjataan metsistä, ja tämän takia monet kuolleesta puusta riippuvaiset eliölajit ovat uhanalaisia. Lajien elinmahdollisuuksia voidaan parantaa uusien keinojen, kuten hakkuualoille jätettävien säästöpuiden ja metsän hallitun polttamisen avulla, mutta toimenpiteiden merkitystä kääville ei juuri ole tutkittu.

Aineistoni kerättiin samoilta tutkimusalueilta viitenä eri vuotena: 2000, 2003, 2005, 2008 ja 2011. Laaja-alaisessa kokeellisessa asetelmassa oli mukana 24 tutkimusmetsikköä, joissa toteutettiin erilaisia hakkuita, ja joista puolet poltettiin. Käsittelyt toistettiin (replikoitiin) eri metsiköissä. Aineisto sisältää 98 136 kuolleiden puiden mittaustulosta ja 22 150 havaintoa niillä kasvaneista 122 eri kääpälajista.

Työni päähavainnot ovat:

1) Jätettävän säästöpuumäärän on oltava suuri, jotta kääpien monimuotoisuus säilyy hakkuualalla. Havaitsin enemmän kääpiä tutkimusaloilla, joille oli jätetty säästöpuuta 50 m³ ha^-1, kuin aloilla, joille säästöpuuta oli jätetty vain 10 m³ ha^-1. Hakattujen alojen polttaminen nopeutti säästöpuiden kuolemista ja kaatumista ja monipuolisti kuolleen puuston laatua. Uhanalaisia kääpälajeja löydettiin pääasiassa poltetuilta aloilta, joilla oli enemmän säästöpuita.

2) Hakkuualoilla on paljon erityyppisiä kuolleita puita: vanhaa hakkuuta edeltänyttä maapuuta, kantoja, latvuksia ja kuolleita säästöpuita. Kaikki nämä eri kuolleen puun laadut ovat tärkeitä kääville ja ylläpitävät lajiston monipuolisuutta talousmetsissä. Käsittelyjen vaikutus kääpälajistoon on nähtävissä tavallisesti vasta usean vuoden kuluttua. Erilaiset kuolleet puut lahoavat eri nopeuksilla ja ovat siten kääville sopivia kasvualustoja eri pituisia ajanjaksoja.

3) Metsän polttaminen lisäsi kääpälajien määrää ja monipuolisuutta sekä hakatuilla että hakkaamattomilla tutkimusaloilla. Hakatuissa metsissä poltto lisäsi lajimäärää erityisesti kannoilla.

Väitöskirjani tulokset osoittavat uusia keinoja kuolleesta puusta riippuvaisen lajiston suojelemiseksi suojelualueiden ulkopuolella. Säästöpuiden jättäminen, hakkuutähteiden korjuun välttäminen ja hakkuita edeltävän vanhan lahopuun säästäminen hakkuualoilla ovat erityisen hyviä keinoja monimuotoisuuden kannalta. Kontrolloiduilla metsänpoltoilla voidaan luoda aiempaa monipuolisempi ja myös ajallisesti vaihteleva kuollut puusto käsiteltyihin metsiin.

• Suominen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: mai.suominen@gmail.com

Suurin osa maailman metsistä sijaitsee suojelualueiden ja metsäplantaasien ulkopuolella. Metsien monikäyttö on tavallista näissä metsissä. Näissä metsissä onkin periaatteessa mahdollista toteuttaa kestävää metsien käyttöä, joka turvaa metsien monien tuotteiden saatavuuden ja ylläpitää metsien ekosysteemipalveluita. Käytännössä näiden metsien käyttö on kuitenkin usein voimaperäistä ja tähtää usein vain yhden tuotteen – puubiomassan – tuottamiseen. Tällöin metsien käyttö ja hoito johtavat metsien yksipuolisuuteen, joka jättää huomioimatta metsien monet toiminnalliset merkitykset, niiden biologisen monimuotoisuuden ja ekosysteemipalvelut.

Työssäni tutkin, miten metsien toiminnallinen heterogeenisuus vaikuttaa metsien monimuotoisuuteen ja metsien ekosysteemipalveluihin. Työ perustuu laaja-alaiseen metsäekologiseen kokeelliseen asetelmaan, jossa on mukana metsien erilaisia hakkuutapoja sekä metsän polttoja. Koeasetelman käsittelyt perustuvat metsien häiriödynamiikkaan. Koeasetelma perustettiin vuonna 2000, ja se on käsittelyjen ja koeyksiköiden tasolla tilastollisesti toistettu. Tutkimuksen kohteena ovat erilaiset hakkuut, joissa metsien säästöpuuston määrä vaihtelee, yhdistettynä metsän polttoon. Koeasetelmaan sisältyy 24 koemetsikköä.

Tulokset osoittavat, että metsän polton ja riittävän suuren säästöpuumäärän yhdistäminen metsikkötasolla parantaa puolukan satoisuutta. Palon jälkeen metsiin jäävät kuollut puuaines yhdessä maaperän palonjälkeisen rakenteen kanssa lisäävät metsävarpujen pölyttäjien (mesipistiäisten) määrää ja monipuolisuutta, koska pölyttäjille on näissä metsissä tarjolla sopivia pesänrakennuspaikkoja. Varhaiset, poltetut metsien sukkessiovaiheet ylläpitävät myös useiden loishyönteisten monipuolisuutta, mikä on yhteydessä näiden metsien häiriönjälkeisen kasvillisuuden rakenteelliseen monipuolisuuteen.

Metsikkötasoa laajemmalla maisematasolla vanhat metsät ovat tärkeitä etenkin mustikan kukinnalle ja marjatuotannolle. Vanhat metsät täydentävät nuorissa, häiriön jälkeisissä metsissä pesivien ja lisääntyvien pölyttäjähyönteisten pölytys- ja ruokailumahdollisuuksia. Vanhat metsät yhdessä erilaisten hakkuualueiden säästöpuumäärien ja metsäpalon (kulotuksen) vaihtelun kanssa ylläpitävät ja lisäävät pölyttäjäyhteisöjen monipuolisuutta sekä ajallisesti että alueellisesti. Lajistollisesti monipuolinen pölyttäjäyhteisö on tulosteni mukaan myös toiminnallisesti monipuolinen, etenkin poltetuilla alueilla.

Tulosteni merkittävin yleinen päätelmä on, että metsien luontaisten häiriöiden jäljitteleminen talousmetsissä – esimerkiksi riittävän säästöpuumäärän ja kulotuksen avulla – yhdessä suojeltujen vanhojen metsien kanssa on erityisen tärkeää, kun metsien käytön kestävyyttä kehitetään niin, että metsät pystyvät ylläpitämään niiden tarjoamat kriittiset ekosysteemipalvelut – kuten metsävarpujen pölytyksen – sekä turvaamaan metsien monimuotoisuuden.

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

Työssä kehitettiin kuusen (Picea abies (L.) Karst.) alkiomonistusmenetelmää ja sen lisäystehokkuutta, tavoitteena yhdistää alkiomonistus käytännön metsänjalostukseen ja käytössä oleviin taimituotantomenetelmiin. Työssä tutkittiin erityisesti i) alkioiden kypsytys- eli maturaatiovaiheen, kylmävarastoinnin, solukkoviljelyalustalla tapahtuvan idätyksen ja taimitarhakasvatuksen olosuhteiden (laboratorio-taimitarha rajapinta) vaikutusta solukkotaimien elävyyteen ja kasvuun (Artikkelit I ja II); ii) mahdollisuuksia parantaa alkiomonistukseen perustuvan taimituotannon tehokkuutta säilyttäen samalla lisäysaineiston perinnöllinen monimuotoisuus (Artikkelit I ja II); sekä iii) mahdollisuutta kasvattaa lisäystehokkuutta käyttämällä solukkotaimia pistokasemoina (Artikkeli III). Tavoitteiden saavuttamiseksi toteutettiin sarja solukkoviljely- ja taimikasvatuskokeita. Lisäksi arvioitiin alkiomonistuksen kustannusrakenne sekä menetelmäkehityksen vaikutus kustannuksiin.

Menetelmäkehityksen tuloksena tuotettujen alkioiden määrä kaksinkertaistui tuotantoyksikköä kohden, solukkotaimien elävyys lähes kaksinkertaistui ja pituuskasvu taimitarhalla lisääntyi siinä määrin, että solukkotaimien kasvatusaika taimitarhalla lyheni yhdellä vuodella aiempaan verrattuna. Solukkotaimia pystyttiin tuottamaan 356 eri genotyypistä, mikä oli 50 % testatuista, syväjäädytettynä säilötyistä ja sulatetuista genotyypeistä. Menetelmäkehitys alensi solukkotaimien tuotantokustannuksia 75 %. Työn tulokset osoittavat, että yhden viikon ajan laboratoriossa solukkoviljelyalustalla idätettyjä solukkotaimia voidaan kasvattaa kasvihuoneeseen koulinnan jälkeen siementaimien kanssa samoissa olosuhteissa ilman ylimääräisiä toimenpiteitä. Solukkotaimia on mahdollista lisätä edelleen pistokkaina: solukkotaimipistokkaat juurtuivat hyvin samoissa olosuhteissa, joita käytetään siementaimista leikatuille pistokkaille. Genotyyppien laajamittaisen kenttätestauksen aloittaminen on mahdollista käyttäen 5-12 solukkotaimea pistokasemoina.

• Tikkinen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: mikko.tikkinen@luke.fi

Tässä tutkimuksessa analysoitiin metsänhoidon ja ilmastonmuutoksen voimakkuuden vaikutusta metsien ainespuuntuotantoon ja hiilivarastoon Suomessa, käyttäen metsikkötason (I)  ja metsäaluetason (II, III) metsäekosysteemimallilaskelmissa 28 maailmanlaajuisen ilmastonmuutosmallin tuloksia (CMIP5 tietokanta, RCP4.5 ja RCP8.5, vuodet 2010-2099.  Eri osatöissä selvitettiin ilmastonmuutoksen voimakkuuden ja puuston harvennusohjelmien (I, III) ja eri puulajien suosimisen (II) sekä hakkuiden ulkopuolelle jätettävän metsäpinta-alan (I) vaikutusta metsien tilavuuskasvuun, hiilenvarastoihin, ainespuutuotantoon ja sen taloudelliseen kannattavuuteen (I) sekä lahopuun määrään metsissä (III).  

Ilmastonmuutoksen vaikutus  metsien tilavuuskasvuun, hiilenvarastoihin, ainespuutuotantoon ja sen taloudelliseen kannattavuuteen sekä metsien lahopuun määrään vaihteli suuresti, riippuen maantieteellisestä alueesta, puulajista ja ilmastonmuutoksen voimakkuudesta. Eri puulajien ja alueiden vaste-erot kasvoivat myös ilmastonmuutoksen voimakkuuden lisääntyessä. Ilmastonmuutoksen kasvuvaikutukset olivat puulajista riippumatta Pohjois-Suomessa positiivisempia kuin Etelä-Suomessa. Koivun kasvu hyötyi eniten ilmastonmuutoksesta Etelä-Suomessa ja sen kasvu lisääntyi myös hyvin voimakkaan ilmastonmuutoksen vallitessa, toisin kuin kuusella ja osin myös männyllä. Hakkuiden ulkopuolelle jätettävän metsäpinta-alan määrän kasvu lisäsi metsien tilavuuskasvua, hiilenvarastoja ja lahopuun määrää, mutta alensi ainespuutuotantoa. Riippuen maantieteellisestä alueesta, puulajista ja ilmastonmuutoksen voimakkuudesta, hyvin erilaisia metsien hoidon sopeuttamiskeinoja voidaan tarvita, tulevaisuudessa jotta voidaan hyödyntää ilmastonmuutoksen positiiviset vaikutukset ja vähentää sen haitallisia vaikutuksia.

• ALRahahleh, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: laith.alrahahleh@uef.fi

Kaakkois-Aasian trooppiset suot ovat merkittäviä hiilen varastoja ja luonnon monimuotoisuuden keskittymiä. Pääasiallinen turvetta muodostava ja varastoiva ekosysteemi Kaakkois-Aasiassa on paksuturpeinen trooppinen suosademetsä. Hakkuut ja maankäytön muutos plantaaseiksi ja maanviljelyyn on aiheuttanut laaja-alaista suosademetsien tuhoa, ja samalla niiden suojelu ja ennallistaminen on tullut ajankohtaiseksi. Tämä väitöskirja keskittyy ensin luonnontilaisen suosademetsän pintaturpeen ominaisuuksiin, metsän pohjan pinnanmuotojen mikrotopografiaan ja kasvillisuuden esiintymiseen suhteessa pinnanmuotoihin. Näitä tietoja on käytetty hyväksi väitöskirjan toisen osan muodostavissa palaneiden ja kuivatettujen entisten suosademetsäalueiden ennallistamiskokeissa.

Tutkitussa luonnontilaisessa suosademetsätyypissä metsän pohjaa voidaan kuvata pinta-alaltaan vähäisempien mättäiden ja laajempien matalammalla sijaitsevien välipintojen jatkumoksi, jossa suurin osa maanpinnasta on pohjavedenpinnantason yläpuolella suurimman osan vuodesta. Toisin kuin boreaalisilla ja temperaattisilla soilla, metsän pohjan mikrotopografialla ei havaittu selkeää suuntautuneisuutta tai järjestäytyneisyyttä. Pintaturpeen rakenne ja kemia vaihtelivat suhteessa turpeen mikrotopografiseen sijaintiin niin, että useimpien kasviravinteiden pitoisuudet olivat korkeampia korkeammilla pinnoilla. Myös puut ja suuremmat puun taimet olivat keskittyneet korkeammille pinnoille, kun taas pienempiä taimia esiintyi kaikilla maanpinnantasoilla.

Ensimmäisessä taimi-istutuskokeessa testasimme 21 paikallisen puulajin soveltuvuutta palaneiden ja kuivatettujen alueiden uudelleenmetsittämiseen. Kokeen tuloksena saimme tietoa eri lajien taimien tulvan- ja kuivuudensiedosta, lajien soveltuvuudesta erilaisille alueille ja taimien sopivasta istutuskoosta. Toisessa taimi-istutuskokeessa kokeilimme pintakasvillisuuden perkauksen, lannoituksen ja mätästyksen vaikutusta taimien menestykseen viidellä jo aiemmissa ennallistusprojekteissa käytetyllä lajilla. Selvitimme myös alueella kaksi vuotta istutuksen jälkeen riehuneiden maastopalojen vaikutusta taimien selviämiseen.

Luonnontilaisesta suosademetsästä ja taimikokeista saamiemme tulosten avulla pystyimme lisäämään tietoa useiden lajien soveltuvuudesta suosademetsän ennallistamiseen.

• Lampela, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: maija.lampela@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

Kuusi (Picea abies (L.) Karst.) on metsänviljelyn pääpuulaji pohjoismaissa. Suomessa tuotetaan vuosittain noin 100 miljoonaa kuusen tainta. Kuusen siementuotanto on sidoksissa lajin lisääntymisbiologiaan: hyvät siemenvuodet toistuvat harvoin ja merkittävä osa siemenistä on tavallisesti tyhjiä tai hyönteisten vaurioittamia. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan siementen laadun eri osa-alueiden vaikutusta paakkutaimituotantoon sekä mahdollisuuksia parantaa siementen ja taimien laatua siementen esikäsittelyillä. Lisäksi tarkastellaan siementen laadun ja painon vaihtelua metsiköstä ja siemenviljelykseltä kerätyssä aineistossa ja vaihtelun merkitystä siemensaantoon.

Väitöskirjan ensimmäisessä osajulkaisussa eristettiin kaupallisista siemeneristä niissä esiintyvät sienet ja tutkittiin siementen liotuskäsittelyiden vaikutusta näiden runsauteen. Tutkituissa kolmessa siemenerässä esiintyi patogeenisiä sienilajeja, mutta suurin osa lajistosta oli saprofyyttistä. Taimipolteoireiden esiintyvyyttä tutkittiin agar-alustalla ja turpeessa tehdyissä orastumiskokeissa. Taimipoltteen yleisyys vaihteli siemenerittäin agar-alustalla, muttei turpeessa, mikä korostaa kasvatusolosuhteiden merkitystä siementen mukana leviävien sienitautien ehkäisemisessä.

Siementen liotuskäsittelyt aikaistivat itämistä laboratoriossa sekä orastumista taimitarhakokeissa. Liotuskäsittelyn avulla voitiin lajitella siemeneristä pois tyhjät ja hyönteisten vaurioittamat siemenet. Työn toisessa osajulkaisussa tarkasteltiin yksivuotiaaksi kasvatetuilla taimilla orastumisajankohdan ja taimien laadun yhteyttä. Mitä myöhemmin taimi orastui, sitä todennäköisemmin siitä kehittyi huonolaatuinen, ns. raakkitaimi. Siementen liotuskäsittelystä oli hyötyä 1,5-vuotiaaksi kasvatettujen taimien kehitykselle. Tulosten mukaan raakkitaimien osuus pieneni ja taimien koko kasvoi liotuskäsittelyn seurauksena. Tulosten perusteella esikäsittelyn vaikutus riippuu itämisen ja taimien alkukehityksen aikaisista olosuhteista.

Väitöskirjan neljännessä osajulkaisussa havaittiin täysien siementen osuuksien vaihtelevan yksittäisten puiden, tai siemenviljelyksillä kloonien, välillä. Metsikköaineistossa myös hyönteistuhojen osuus vaihteli puittain. Siementen keskipainot vaihtelivat niin ikään puiden tai kloonien välillä, mutta varianssikomponenttianalyysin mukaan kävyn sisäinen siementen painon varianssi on käpyjen ja puiden tai kloonien välistä painovaihtelua suurempaa. Siementen painolajittelu vaikuttaa näin ollen vähemmän siemenerän geneettiseen kokoonpanoon kuin aiemmin on ajateltu.

Siementen laatu ei ole siementuottajien, taimitarhatuotannon ja yhteiskunnan näkökulmista yhtenäinen käsite vaan laadun eri osa-alueet ovat niille eri tavoin merkityksellisiä, ja niiden keinot laadun ohjailuun ovat erilaisia.

• Himanen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: katri.himanen@luke.fi

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 Sähköposti: lilli.kaarakka@helsinki.fi

Luonnontilansa menettäneitä metsäekosysteemeitä voidaan palauttaa lähemmäs luonnontilaa ennallistamalla. Ennallistaminen voidaan tehdä joko aktiivisesti palauttamalla luontaisia rakennepiirteitä tai passiivisesti jättämällä alue kehittymään itsekseen. Erityyppisten ennallistamiskeinojen vaikutukset metsien rakenteeseen ja ekologisiin prosesseihin, esimerkiksi maaperän tai kasvillisuuden ominaispiirteisiin, tunnetaan huonosti. Tässä tutkimuksessa selvitetään metsien erityyppisten ennallistamiskeinojen vaikutuksia maaperän orgaanisen aineen määriin sekä kasvillisuuteen itäsuomalaisissa havupuuvaltaisissa metsissä.

Tutkimuksen aineisto kerättiin suojelualueilta ja talouskäytössä olevista metsistä Pohjois-Karjalassa. Tutkimusalueilta mitattiin useita maaperän ja kasvillisuuden rakennetta kuvaavia tunnuksia. Lisäksi tutkittiin erityisesti lahoavien puunrunkojen vaikutuksia maaperän orgaanisen aineen hajotukseen ennallistamistoimien jälkeen.

Aktiivisessa ennallistamisessa sovellettiin metsän polttoa yhtenä ennallistamismenetelmänä, yhdessä erilaisten puuston hakkuiden kanssa. Osittain hakattujen, poltettujen metsien maaperän humus ja orgaanisen aineen määrä olivat alhaisempia kuin hakatuissa, mutta polttamattomissa vastaavissa metsissä. Myös kasvillisuuden biomassa väheni poltetuilla alueilla selvemmin kuin muilla alueilla. Metsän polton jälkeen monet kasvilajit vähenivät tai hävisivät alueellisesti yhdenmukaisesti, eikä kasvillisuuden rakenne vielä 10 vuoden kuluessa palautunut ennalleen. Säästöpuiden jättäminen käsitellyille alueille lievensi osittain palon vaikutuksia kasvillisuuden monimuotoisuuteen. Maaperän orgaanisen aineen hajotusta lisäsi läheisyys maassa makaavaan puunrunkoon, mutta tämä vaikutus näkyi vain polttamattomien runkojen lähellä. Poltettujen ja hiiltyneiden runkojen lähellä vastaavaa lisäystä hajotusnopeudessa ei havaittu, mikä viittaa aiemmin tuntemattomaan mekanismiin, joka kytkee metsäpalon maaperän hajotusprosesseihin hiiltyneen puuaineksen välityksellä. 

Passiivista ennallistamista tutkittiin yli sata vuotta sitten kaskiviljelyä varten poltettujen alueiden, mutta sen jälkeen luonnontilaan jätettyjen alueiden maaperän ja kasvillisuuden palautumisena. Kaskiviljelyn ja metsänpolttojen vaikutukset olivat havaittavissa metsän kasvillisuuden ja maaperän rakenteessa vielä yli sadan vuoden kuluttua. Kaskiviljelyyn käytetyillä alueilla koivujen määrä (tilavuus) oli edelleen suurempi ja maaperän orgaanisen aineen määrä alhaisempi kuin kontrollimetsissä. Tulosten mukaan pohjoisissa havumetsissä metsän passiivinen palautuminen voi siten kestää yli 100 vuotta, ennen kuin ekosysteemin ominaispiirteet palautuvat samaan tilaan, jossa ne olivat ennen häiriöitä. Erityisesti maaperän palautuminen ennalleen kestää pitkään ja ilmeisesti pitempään kuin kasvillisuuden palautuminen.

Tulokseni viittaavat siihen, että aktiivinen ja passiivinen ennallistaminen voivat johtaa hyvinkin erilaisiin ekosysteemin ominaispiirteisiin. Ennallistaminen esimerkiksi metsää polttamalla toteutetaan melko alhaisella palon voimakkuudella. Tällaiset palot eivät näytä aiheuttavan suuria tai pitkäkestoisia haitallisia muutoksia metsien maaperässä. Etenkään syvemmällä oleva kivennäismaa ei näiden polttojen yhteydessä muokkaudu, minkä vuoksi ekosysteemin toipuminen on mahdollista. Tutkimuksessani ei kuitenkaan ollut mahdollista koota tai pystytty kattavasti analysoimaan pitkiä aikasarjoja, jotka liittyvät metsien aktiiviseen ja passiivisen ennallistamiseen. Tällaisiin tutkimuksiin jää ilmeinen tarve jatkossa. Tulokseni kuitenkin merkitsevät sitä, että erilaiset ennallistamistavat voivat tuottaa ekologisesti erilaisia tuloksia: passiivisessa ennallistamisessa tavoitellaan koko ekosysteemin palautumista kokonaisuutena, kun taas aktiivisessa ennallistamisessa voidaan palauttaa tiettyjä yksittäisiä ekosysteemin piirteitä tai lajeja. Näiden ennallistamismenetelmien ero tulisi jatkossa tunnistaa aiempaa paremmin.

• Čugunovs, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: mihails.cugunovs@uef.fi

Luonnolliset häiriötekijät voivat nopeasti muuttaa metsien rakennetta sekä lajien välisiä suhteita. Niiden vaikutukset voivat myös vaarantaa metsäekosysteemin tuottamien palveluiden ja tuotteiden hankintaa. Sen vuoksi metsänhoidon suunnitelmien laadinnassa on hyvin tärkeää ottaa huomioon luonnolliset häiriötekijät. Tämä tutkimus esittää yleiset puitteet riskien sisällyttämiseksi pitkän aikavälin metsähoitoon kahden päävaiheen avulla: 1) riskien arviointi (tuhojen tunnistaminen ja mallintaminen) ja 2) riskien hallinta (simulointi ja optimointi). Tutkimus luonnehtii Norjassa esiintyviä pääasiallisia metsäluonnon häiriöitä sekä merkittävimpien häiriötekijöiden osalta tutkitaan niiden esiintyvyys- ja tuhomalleja. Tulokset osoittavat, että Norjassa tärkeimmät luonnolliset häiriöt ovat lumi, tuuli sekä sorkkaeläinten laidunnus. Malli tunnistaa mitkä metsikkö- ja kasvupaikkamuuttujista vaikuttavat eniten metsätuhojen ennustettavuuteen. Laidunnuksen tuhojen esiintyvyyteen vaikuttaa mallin mukaan metsikön ikä, koko sekä tiheys. Lumi- ja tuulituhojen mallintamisessa tärkeimmiksi muuttujiksi nousi metsikön tiheys, rakenne, keskiläpimitta ja korkeus mutta myös kasvupaikkatekijöistä leveysaste ja kasvupaikan korkeus merenpinnasta. Lumi- ja tuulituhomallit käyttävät kovariaatteja kuten pohjapinta-ala, korkeus, läpimitta ja hoikkuus. Näitä malleja käytettiin metsikön dynaamisessa simulaatiossa jossa optimointiin metsänhoidon riskienhallintaohjeita. Optimaalinen metsänhoitosuunnitelma kuusivaltaisille kuvioille lyhensi kiertoaikaa sekä jätti pienempiä tilavuuksia kiertoajan loppupuolelle. Väitöskirja antaa merkityksellistä tietoa luonnollisista häiriötekijöistä joita metsäsuunnittelijat voivat käyttää metsänhoidonsuunnittelussa riskienarvioinnissa. jne.

• Díaz-Yáñez, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences http://orcid.org/0000-0003-3829-5759 Sähköposti: olalla.diaz@gmail.com

Ilmasta tehtävä laserkeilaus on tehostanut metsänarviointia viime vuosikymmenten aikana, koska sen avulla voidaan tuottaa 3D-tietoa metsien rakenteesta. Tämä tutkimus keskittyy laserkeilauspohjaisen metsänarvioinnin ja metsäsuunnittelun integrointiin kun tavoitteena on luoda dynaamisia käsittelykuvioita (DTU, dynamic treatment units). Käsittelykuviot eivät ole kiinteitä ja ennalta määrättyjä, vaan ne muodostetaan yhdistämällä pienempiä laskentayksiköitä. Yhdistely suoritetaan metsänhoitotavoitteiden ja metsien dynamiikan perusteella. Tutkimus suoritettiin kahdessa mäntymetsässä Kastilian ja Leónin alueella Espanjassa, joilta kerättiin sekä maastomittauksia että laserkeilausaineistoa. Tämä väitöskirja sisältää neljä artikkelia jotka käsittelevät dynaamisten käsittelykuvioiden muodostamista (artikkelit I ja III), vaihtoehtoisten inventointiyksiköiden (FIU, forest inventory unit) vaikutuksia kun ongelma muotoillaan kahdella eri tavalla (artikkelit I, II ja IV), ja koealojen paikannusvirheiden vaikutuksia aina otantavaiheesta päätöksentekoon asti (artikkeli II). Puustotunnukset estimoitiin kaikissa artikkeleissa laserkeilauksen perusteella, ja läpimittajakaumia sekä metsikön dynamiikkaa kuvaavia malleja sovellettiin pysyvillä koealoilla havaittujen puustotunnusten muutoksen ennustamiseen. Simulointien lopputuloksena saatiin käsittelyketjuja, jotka pyrkivät maksimoimaan ei-spatiaalisia (artikkeli III) ja spatiaalisia (kaikki artikkelit) vastemuuttujia sisältävien hyötyfunktioiden arvoja. Tulokset osoittavat epäsäännöllisten inventointiyksiköiden tuottavan hyviä tuloksia ja korostavat segmentointimenetelmien avulla saatavia hyötyjä, kun tavoitteena on luoda kompakteja käsittelykuvioita. Spatiaalinen optimointi paransi metsäsuunnitelmissa tarvittavaa kuviointia ja lisäsi suunnittelun kustannuksia vain vähän verrattuna ilman spatiaalista optimointia laadittuihin suunnitelmiin. Spatiaaliset tavoitteet ja spatiaalisuuden huomioivat korjuukustannusfunktiot helpottavat inventointiyksiköiden koostamista kuvioiksi. Heuristiset optimointimenetelmät toimivat tehokkaasti kombinatoristen ongelmien ratkaisemisessa. Väitöskirja osoittaa kuinka laajasti käytettyjen laserkeilauspohjaisten menetelmien ja spatiaalisen optimoinnin yhdistäminen auttaa parempien metsäsuunnittelumenetelmien kehittämisessä.

• Pascual Arranz, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: adrian.pascual.arranz@uef.fi

Työn tavoitteena oli soveltaa ja edelleen kehittää satelliittikuvatietoon perustuvia metsien inventoinnin laskennan menetelmiä ja komponentteja boreaalisen ja trooppisen metsän olosuhteissa. Tässä työssä esitettävät sovellukset perustuvat optisen alueen kaukokartoitustietoon, pääosin satelliittikuvatietoon, sekä epäparametriseen k:n lähimmän naapurin estimointimenetelmään, jotka molemmat ovat yleisesti käytettyjä komponentteja monilähteisessä metsien inventoinnissa.

Variogrammia tekstuuri-informaation lähteenä metsikkökuvion puuston keskitilavuuden estimoinnissa kokeiltiin digitaalisen ilmakuvan avulla Hyytiälässä. Ristiinvalidoinnin mukaan keskitilavuuden estimoinnin tarkkuus parani, kun semivarianssin arvot olivat mukana hakumuuttujien joukossa.

Metsäpeitteen ja tilavuuden kartoittamisessa Terain alueella Nepalissa hyödynnettiin. Landsat TM -satelliittikuvia. Monilähteisen metsien inventoinnin laskentaa sovellettiin tilavuuden kartoitukseen myös Kon Tumin provinssin alueella Vietnamissa. Näissä kahdessa tutkimuksessa käytettiin MODIS -satelliittikuvatietoa referenssinä Landsat TM kuvien suhteellisessa kalibroinnissa.

Satelliittikaukokartoitus on edesauttanut myös metsähakkeen teknisen korjuumahdollisuusarvion laskentamenetelmien kehitystyötä. Työssä esitetään esimerkkisovellus Keski-Suomessa ja lähtötietona laskentaproseduurissa käytetään monilähdeinventoinnin tuottamaa rasterimuotoista biomassakartoitusta. Metsähakkeen korjuumahdollisuusarvio perustui hakkuutähteiden ja kantojen korjuuseen päätehakkuukohteilla.

Trooppisen metsän alueita koskevissa sovelluksissa laskennan toteutus tehtiin Open Source -laskentaohjelmistoilla. Tehty työ on osaltaan myös REDD+ ohjelmaan liittyvää metsien inventoinnin ja kaukokartoituksen kapasiteetin kehitystyötä. Metsähakkeen korjuumahdollisuusarviot toimivat puolestaan tukena metsäbioenergian tuotantoon liittyvässä päätöksenteossa.

• Muinonen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: eerom7@gmail.com

Työn tavoitteena oli tutkia metsien hiilen sidonnan ja metsäbiomassan (kuitu- ja tukkipuu) käytön ilmastovaikutuksia sen korvatessa fossiilista energiaa (esim. kivihiili ja öljy) ja fossiilispohjaisia tuotteita (esim. betoni, teräs ja muovi) boreaalisissa olosuhteissa. Työssä käytettiin ekosysteemimallinnusta ja elinkaarityökalua yhdistettynä, jolloin voitiin tarkastella metsäbiosysteemin nettohiilenvaihtoa. Ilmastovaikutuksia ja biomassan tuotannon taloudellista kannattavuutta tutkittiin käyttämällä puuston eri harvennustiheyksiä, typpilannoitusta, erilaisia kiertoaikoja ja biomassan korjuun voimakkuutta päätehakkuulla (ainespuu, hakkuutähteet ja/tai kannot ja juuret). Nykyiset harvennussuositukset, jotka tähtäävät ainespuun tuotantoon, toimivat työssä verrokkikäsittelynä. Näiden lisäksi tutkittiin ilmastovaikutuksien herkkyyttä laskennassa käytetyille substituutiokertoimille ja puun käytön tehokkuuksille. Työssä käytettiin simulointiaineistoja, jotka oli tehty kuviotasolla (alkutilana uudistuskypsä metsikkö), maisematasolla (alkutiloina erilaiset metsäalueen ikärakenteet) ja aluetasolla (alkutilana valtakunnan metsien inventointiaineisto Etelä-Suomessa)

Työn tulokset osoittivat, että suurimmat metsäbiomassan tuotannon ja käytön ilmastohyödyt saavutettiin käyttämällä 20% suosituksia suurempaa puuston tiheyttä, typpilannoitusta ja 80-100 vuotta pitkiä kiertoaikoja. Nämä lisäsivät sekä hiilen sitoutumista metsiin että korjattavan aines- ja energiabiomassan määrää. Tulosten perusteella suurinta ilmastohyötyä ja biomassan tuotannon taloudellista kannattavuutta ei kuitenkaan pystytty saavuttamaan yhtä aikaa. Tukkipuusta valmistetuilla tuotteilla saavutettiin parhaat korvaushyödyt pitkällä aikavälillä ja niillä voitiin lisätä myös hiilen varastoja. Tämän lisäksi metsäbiomassan käytön korvaushyödyt ja puunkäytön tehokkuus vaikuttivat ilmastovaikutuksiin enemmän kuin työssä käytetyt harvennuskäsittelyt. Metsäbiomassan tuotannon ja käytön ilmastohyödyt olivat suurimmat kun ainespuun lisäksi käytettiin energiapuuta, ja hyötyjä voitiin lisätä erityisesti Suomen etelä- ja itäosissa 40-vuoden aikajänteellä. Tulosten perusteella ilmastovaikutuksien ajoittuminen oli herkkä valitusta tarkastelun aloitusajankohdasta, ja tämä vaikutti myös metsänhoitotoimenpiteiden keskinäiseen paremmuuteen. Tämän vuoksi metsien kokonaisvaltaisten ilmastovaikutuksien analysoinnissa tulee huomioida sekä metsänhoitotoimenpiteiden vaikutukset että tarkastelun aloitusajankohta, jotta voidaan arvioida tehokkaita keinoja lisätä metsien ja metsäbiomassan käytön ilmastohyötyjä.

• Baul, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences https://orcid.org/0000-0002-0805-0657 Sähköposti: tarit.baul@uef.fi

Väitöskirja tarkastelee paikallisyhteisöjen omistuksessa olevan uusiutuvan energiantuotannon hallintaa, erilaisia paikallistason vaikutuksia ja hankkeiden kustannustehokkuutta. Tavoitteena on ymmärtää kuinka ja minkälaisissa tilanteissa yhteisöllisessä omistuksessa oleva energiatuotanto on toteuttamiskelpoinen ja tehokas tapa pyrittäessä kohti yhteiskunnan kestävää kehitystä. Väitöskirjan julkaisujen tausta on monitieteinen vaihdellen energiapolitiikan analyysista projektitason hankkeiden toteutettavuuteen ja vaikutusten arviointiin. Tutkimusmenetelminä käytetään systemaattisia kirjallisuuskatsauksia, diskurssianalyysia, instituutioiden kehityksen historiallista tarkastelua sekä energiainvestointien riski- ja kannattavuusarviointia. Väitöskirja tuottaa uutta metatason tietoa paikallistason energiatuotannosta Iso-Britanniassa ja sen kehityksestä teknologia- ja instituutiomuutosten aikana. Lisäksi se arvioi ns. Quality of Evidence -ongelmia projektitasolla ja myös vaikutusarvioinnin kirjallisuuden ja menetelmien laajemmasta näkökulmasta.

Tulosten mukaan yhteisöllisen energiantuotannon omistusrakenteet ovat herkkiä politiikkaympäristön haasteille ja linjauksille sekä muille eksogeenisille muutoksille. Uusiutuvan energian projekteilla on kuitenkin edellytyksiä tuottaa monia myönteisiä paikallistason vaikutuksia, mutta nämä vaikutukset riippuvat projektien tavoitteenasetannasta ja tuottovaatimuksista. Uusiutuvan energian paikallistason tuotannon kautta voidaan vahvistaa paikallisyhteisöjen kykyä hallita sosioekonomisia ongelmiaan. Yhteisölliset energiantuotantohankkeet, joiden taustalla on uusia ruohonjuuritason toimijoita, ovat kuitenkin erityisen herkkiä erilaisille toimintaan liittyville riskeille, jotka voivat heikentää niiden kannattavuutta verrattuna markkinaehtoisiin hankkeisiin. Laajentuakseen merkittävästi nykyisestään paikallistason uusituvan energian investoinnit tarvitsevat niille räätälöityjä politiikan tukea, mikä olisi kuitenkin perustetavissa hankkeiden tuomilla sosiaalisilla, taloudellisilla ja ympäristöhyödyillä. Paikallistason uusituvan energian tukeminen vaatii kuitenkin myös erityistä valmiutta nivoa yhteen hyvinkin erilaisia energia- ja yhteiskuntapoliittisia tavoitteita.

• Berka, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: a.harnmeijer@auckland.ac.nz

Kasvit tuottavat osana sekundaarimetaboliaansa tuhansia erilaisia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä eli VOC-yhdisteitä, joita ne hyödyntävät erityisesti puolustusyhdisteinä. Alhaisista pitoisuuksistaan huolimatta nämä yhdisteet osallistuvat ilmakehässä moninaisiin kemiallisiin prosesseihin, jolloin niiden vaikutus ulottuu paljon yksittäisen kasvin kasvuympäristöä laajemmalle. Mänty (Pinus sylvestris L.) tuottaa erityisesti mono- ja seskviterpeenejä, joista valtaosa varastoituu pihkaan. Pihka on tiehyissä paineenalaisena. Tässä tutkimuksessa paineen havaittiin korreloivan positiivisesti sekä ilman lämpötilan että versojen transpiraationopeuden kanssa. Lisäksi sekä korkean pihkanpaineen että ilman korkean lämpötilan havaittiin lisäävän monoterpeenien haihduntanopeutta rungosta.

Monoterpeenisyntaasiaktiivisuus kuvaa neulasten maksimaalista kykyä tuottaa monoterpeenejä. Ympäristötekijöiden vuodenaikaisvaihtelun ja neulasten iän todettiin selittävän suurimman osan neulasten monoterpeenisyntaasiaktiivisuuksien sekä monoterpeenivarastojen ja -päästöjen vaihtelusta. Männynneulasten monoterpeenipitoisuuden vaihtelu vuodenaikojen, eri-ikäisten neulasten ja eri puiden välillä oli puolestaan verrattain pientä. Monoterpeenisyntaasiaktiivisuus oli suurempaa alle vuoden ikäisillä neulasilla kuin tätä vanhemmilla. Saman puun neulasten monoterpeenisyntaasiaktiivisuuksien ja monoterpeenivarastojen yhdistekohtainen koostumus ei heijastunut päästöjen koostumukseen: esimerkiksi δ-3-kareenia oli päästöissä selvästi suurempi osuus kuin varastoissa ja syntaasiaktiivisuuksissa. 

VOC-yhdisteiden päästöjä on mitattu puiden yhteyttävistä osista jo pitkään, mutta tässä tutkimuksessa seurattiin ensikertaa puiden puuosien päästöjä usean vuoden ajan. Mittaukseen käytettiin automaattista kammiomittausjärjestelmää ja siihen liitettyä protoninvaihtoreaktiomassaspektrometriä.

Männyn rungosta havaittiin vapautuvan ilmaan monoterpeenejä ja metanolia. Kummankin aineen päästöissä näkyi vuodenaikaisvaihtelua: Metanolipäästöt olivat suurimmillaan keskellä kasvukautta. Monoterpeenipäästöt puolestaan olivat korkeimmillaan paitsi kesien kuumimpina päivinä, myös keväällä puiden yhteytyskapasiteetin palautuessa lepokauden jälkeen. Tutkittujen puiden monoterpeenipäästöjen enantiomeerikoostumuksessa esiintyi vuorokausivaihtelua. Puiden vapauttamien yhdisteiden määrän, yhdisteiden reaktiivisuuden, metsän puulajikoostumuksen ja puiden eri kemotyyppien runsauden havaittiin heijastuvan latvuskerroksen yläpuolisen ilman terpeenikoostumukseen.

• Vanhatalo, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Institute for Atmospheric and Earth System Research / Forest Sciences Sähköposti: anni.vanhatalo@alumni.helsinki.fi

Pohjoiset suot ovat tärkeitä hiilen nieluja sitoessaan sitä hitaasti kertyviin turvekerroksiin. Samalla ne vapauttavat kasvihuonekaasu metaania (CH₄), jota syntyy kasvimateriaalin hajotessa hapettomissa oloissa. Näiden soiden yleisin kasvi, rahkasammal (Sphagnum), on oleellinen paitsi turpeen kertymiselle, myös metaanipäästöjen torjunnalle: Se tarjoaa asuinympäristön metaania hapettaville bakteereille, metanotrofeille, jotka suodattavat osan metaanista rajoittaen sen vapautumista ilmakehään. Samalla metaanin hapetuksessa syntyvä hiilidioksidi (CO₂) siirtyy rahkasammalen käyttöön. Rahkasammalien ja metanotrofien muodostama ”metaanisuodin” on havaittu useammassa tutkimuksessa, mutta muun muassa sen herkkyys ympäristön muutoksille tunnetaan huonosti.

Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin rahkasammalien ja niissä elävien metanotrofien vuorovaikutuksen tarkempaa luonnetta. Metanotrofien yhteisörakennetta ja aktiivisuutta tarkasteltiin suhteessa suoekosysteemissä tapahtuviin muutoksiin. Vertailun vuoksi tutkittiin myös sammalten alapuolisten turvekerrosten metaaninhapetusta. Metanotrofien molekyylibiologisessa analysoinnissa hyödynnettiin erityisesti metaaninhapetuksen mahdollistavaa pmoA-geeniä sekä siihen perustuvaa koetinsirutekniikkaa.

Ensimmäisessä osatyössä metanotrofien ja niiden hapetusaktiivisuuden osoitettiin leviävän rahkasammalesta toiseen veden välityksellä. Työn perusteella nämä metanotrofit kykenevät elämään myös sammalien ulkopuolella eli niiden välillä näyttäisi olevan ns. fakultatiivinen symbioosi. Kahdessa muussa osatyössä rahkasammalten metanotrofien dynamiikan havaittiin olevan hyvin samankaltaista kahdella erilaisella suon kehitysgradientilla: sekä luonnontilaisilla soistuvilla aloilla, että eri-ikäisillä, uudelleen kasvittuneilla turvetuotantoaloilla. Metanotrofien yhteisöt olivat monimuotoisia kaikissa kehitysvaiheissa, mutta niiden valtaryhmät erosivat nuorten, vedenpinnaltaan epävakaiden alojen ja vanhojen, täysin sammalpeitteisten alojen välillä. Huolimatta yhteisöjen eroista metaaninhapetusaktiivisuus ei eronnut merkitsevästi eri kehitysvaiheissa, lukuun ottamatta aivan vanhimpien alojen heikompaa aktiivisuutta. Tämä viittaa ns. toiminnalliseen päällekkäisyyteen, jossa tietystä toiminnosta vastaa useampi, eri olosuhteisiin erikoistunut eliöryhmä. Toisin kuin elävässä sammalkerroksessa, sen alapuolisessa turpeessa hapetuspotentiaali kasvoi turpeentuotantoalojen kasvipeitteen kehityksen mukana.

Kyky levitä veden välityksellä sekä toiminnallinen päällekkäisyys viittaavat rahkasammalten metanotrofien pystyvän sekä sopeutumaan erilaisiin olosuhteisiin, että palautumaan suoekosysteemiä kohtaavista häiriöistä, kuten ilmastonmuutoksen mukana mahdollisesti lisääntyvistä kuivista jaksoista. Rahkasammalkerroksessa jo nuorimmalla turvetuotantoalalla havaittu metaaninhapetuspotentiaali tulisi huomioida näitä aloja ennallistettaessa: rahkasammal-istutusten avulla näyttäisi olevan mahdollista paitsi käynnistää hiilensidonta turpeeksi, myös torjua samanaikaisesti lisääntyviä metaanipäästöjä.

• Putkinen, University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences Sähköposti: anuliina.putkinen@helsinki.fi

Tämän väitöskirjan päätavoitteina oli tutkia kannettavien pudotuspainomittalaitteiden soveltuvuutta metsätien kantavuuden mittaamiseksi ja vertailla tuloksia raskaaseen pudotuspainolaitteeseen, muodostaa erilaitteilla mitattujen kantavuusarvojen pohjalta metsätien urautumista ennustava taulukko ja vertailla neljän erilaisen lentotuhkarakenteen teknistä onnistumista kantavuuden perusteella ja vertailla taloudellista kannattavuutta perinteiseen murskeen käyttöön.. Kantavuustieto olisi merkittävä apu metsäammattilaiselle arvioitaessa kelirikkoisen metsätien kulkukelpoisuutta ja vaurioitumisriskiä ja myös metsätien peruskunnostustarpeen arviointiin kesällä. Puu- ja turveperäisen lentotuhkan käyttökohteiden lisääminen vähentäisi kaatopaikalle päätyvän tuhkan määrää, mikä pienentäisi kaatopaikkamaksujen suuruutta ja edistäisi kiertotalouden periaatteita.

Molemmat kannettavat pudotuspainolaitteet (LFWD ja DCP) osoittautuivat tulostensa puolesta vertailukelpoisiksi raskaaseen pudotuspainolaitteeseen verrattuna (FWD) tietyin rajoituksin kevät- ja kesäolosuhteissa. Kaikkien kolmen laitteen kelirikkomittausten osalta löydettiin myös raja-arvot, joiden alittaminen aiheuttaa voimakasta urautumista metsätiellä raskaan ajoneuvon seurauksena. Bioperäisen lentotuhkan hyödyt metsätien kunnostamisessa olivat ilmeiset, kantavuus nousi keväällä samalle tasolle kuin kesämittauksessa ennen kunnostamista. Lentotuhka rakenteen korkeampi hinta puolestaan kompensoitui vähentyneinä kaatopaikkamaksuina.

• Kaakkurivaara, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: tomi.kaakkurivaara@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

Tässä väitöskirjassa kehitetään, parametrisoidaan ja validoidaan yksityiskohtainen taloudellis-ekologinen malli poropopulaatiosta, sen energiaresursseista ja käytöstä. Mallin avulla tutkitaan paliskunnan mahdollisimman suurta kestävää tulotasoa tavoittelevaa teurastusta, populaation ruokintaa ja laidunten käytön säätelyä. Erilaisiin lähtökohtiin perustuvia arvioita taloudellis-ekologisista optimiratkaisuista verrataan poronhoidon nykytilaan.

Poronhoito on merkittävä elinkeino erityisesti Ylä-Lapin alueella ja samalla kiinteä osa saamelaista kulttuuria. Poro (Rangifer tarandus L.) vaikuttaa arktiseen ympäristöön ja populaation omiin ravintoresursseihin erityisesti jäkälikköjä kuluttamalla. Poron riippuvuus jäkälän määrästä vastaakin ekologiassa paljon tutkittua dynaamista kuluttaja-resurssi – systeemiä. Taloudellinen tarkastelu lisää tähän klassiseen ekologiseen malliin ihmisen vaikutuksen luonnonvarojen hyödyntäjänä ja muokkaajana. Tämä lisäys on välttämätön, jotta poronhoidosta saataisiin kuva pohjoiseen arktiseen luontoon sopeutuneena tärkeänä ja kulttuurisesti omaleimaisena taloudellista ylijäämää tavoittelevana elinkeinona.

Väitöskirjan malli perustuu poro-jäkälä dynamiikkaan, mutta sisältää myös muut luontaiset ravintolähteet sekä lisärehun. Ekologinen malli nojaa laajasti käytettyihin teorioihin ja metodeihin, kuten eläinyksilöiden optimaalisen ravinnon valinnan teoriaan ja dynaamiseen ikä- ja sukupuoliluokkaiseen mallirakenteeseen. Optimointi ratkaistaan kehittyneillä matemaattisilla algoritmeilla. Malli sisältää yksityiskohtaisen kuvauksen tuloista, kustannuksista, poronhoidolle maksetuista tuista ja huomioi korkokannan vaikutukset. Tuloksena on aikaisempaa tutkimusta oleellisesti realistisempi monitieteinen kuvaus poro-laidun dynamiikasta ja porotaloudesta.

Vastoin luonnonvarataloustieteen klassista tulosta poropopulaation optimaalinen koko on realistisilla positiivisilla korkokannoilla suurempi kuin koron ollessa nolla. Vastaavasti jäkälämäärä on alhaisempi. Yksi tutkimuksen päätuloksista on, että, taloudellisesti optimaaliset teurastukset kohdistetaan vasoihin. Aikuiset naaraat on kannattavinta teurastaa yhdeksän ja koiraat viiden vuoden ikäisinä. Verrattuna aikaisempaan tutkimukseen yksi väitöskirjan mallien edistysaskel on joustavan poron polygamisen luonteen huomioivan pariutumismallin käyttäminen. Tämän seurauksena saadaan arvio optimaalisesta populaation sukupuolijakaumasta samoin kuin eri sukupuolta olevien eläinyksilöiden taloudellisesta arvosta. Sovelletussa pariutumismallissa sekä koiras-naaras suhde että koiraiden ja naaraiden ikäluokkarakenne vaikuttavat syntyvien vasojen määrään. Koiraiden määrä voidaan pitää pienenä niiden korkean lisääntymiskyvykkyyden seurauksena. Tästä seuraa, että marginaalisen koiraan taloudellinen arvo on naarasta korkeampi.

Väitöskirjan tulokset osoittavat, että tutkittaessa taloudellisesti kestävää poronhoitoa tulee sekä ekologiset että taloustieteelliset tekijät huomioida monipuolisesti. Yksi väitöskirjan päätuloksista on, että taloudellisesti optimaalinen jäkäläbiomassa on selvästi pienempi kuin aikaisemmissa tutkimuksissa. Tähän on sekä ekologisia ja taloudellisia että poronhoidollisia syitä: korkea korko, vähäinen vanhan metsän määrä, laidunkierron puuttuminen, runsas lupon määrä ja valtion suorat tulotuet alentavat kaikki jäkäläbiomassan määrää tasapainotilassa. Lisäksi joissain tapauksissa intensiiviseen lisäruokintaan pohjautuva poronhoito saattaa olla taloudellisesti kannattavinta. Tämä johtaa alhaisiin jäkälämääriin ja jäkälälaidunten kulumiseen.

Väitöskirjassa arvioitu talviaikainen jäkälän hukkaantuminen laidunnuksen seurauksena vastaa jo aikaisemmissa optimointimalleissa käytettyä, mutta kesäaikainen jäkälän hukkaantuminen on tallaantumisen vuoksi huomattavasti suurempaa. Tulos korostaa vuodenaikaisen laidunkierron merkitystä jäkälän kulumisen estämisessä. Validointitulokset osoittavat, että malli pystyy myös hyvin kuvamaan jäkälän määrän kehitystä. Validoidulla mallilla tehdyt arviot taloudellisesti optimaalisesta jäkälämäärästä ovat korkeampia verrattuna laidunten nykytilaan poronhoitoalueella. Jäkälän lisääminen tasolle, jossa taloudellisesti kannattava poronhoito voi perustua luonnonlaitumiin kestää mallilla saatavien arvioiden mukaan vuosikymmeniä ja vaatisi osin myös voimakkaita poromäärien leikkauksia. Myös lisäruokinnan käyttäminen on kannattavaa sopeutumisen alkuvuosina. Kuitenkaan välittömillä teurastuksilla toteutettu mahdollisimman nopea sopeutumisratkaisu jäkäliköiden elvyttämiseksi ei näytä taloudellisesti perustellulta. Hitaampi sopeuttaminen hyödyntää paremmin poropopulaation ikäluokkarakennetta ja huomioi poronomistajien tarpeen säilyttää riittävä tulotaso myös sopeuttamisjakson aikana.

Bioekonomisia malleja on metsä- ja kalataloudesta käytetty runsaasti käytännön kysymysten ja suositusten laatimiseen. Myös tässä väitöskirjassa kehitettyä porotalouden mallia voidaan käyttää monien empiiristen, soveltavien ja käytännön kysymysten tarkasteluun. Mallilla voidaan tutkia kilpailevien maankäyttömuotojen aiheuttamia kustannuksia ja esimerkiksi erilaisten geneettisten muutosten taloudellista potentiaalia. Lisäksi voidaan arvioida petoeläinten porotaloudelle aiheuttamia kustannuksia. Maa- ja metsätalousministeriö määrittää kymmenvuosittain suurimmat sallitut poroluvut eri paliskunnille. Kehitetyllä mallilla voidaan tuottaa erilaisiin lähtökohtiin perustuvia arvioita taloudellis-ekologisesti perustelluista poromääristä. Mallin dynaaminen rakenne huomioi ikäluokkarakenteesta syntyvät viiveet sopeutumisprosesseissa ja näin voidaan arvioida kannattavimpia sopeutumispolkuja nykytilanteesta kohti tavoiteltavia poromääriä.

• Pekkarinen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: antti-juhani.pekkarinen@helsinki.fi

Puuraaka-aineet ja muut kasvipohjaiset materiaalit (esim. olki) sisältävät selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä tiiviissä kompaktissa muodossa. Teollisissa prosesseissa selluloosa on tällä hetkellä tehokkaasti jatkojalostettu materiaaleiksi, kuten paperiksi ja muiksi tuotteiksi, kun taas jäljelle jäävästä ligniinistä ja hemiselluloosasta on enimmäkseen tehty bioenergiaa. Tutkimustyö on kuitenkin vilkasta sekä ligniinin että hemiselluloosan jalostamiseksi arvokkaammiksi tuotteiksi. Metsäteollisuuden ja maatalouden jalostusprosessien sivuvirrat tarjoavat erinomaisen mahdollisuudenbiotalouden ja kiertotalouden kehittämiseen.

Haasteena hemiselluloosa- ja ligniinijakeiden jalostamisessa biomateriaaleiksi tai kemikaaleiksi on uusien prosessien kustannustehokkuus. Monet biojalostusprosessit tuottavat sivuvirtoja, joissa hemiselluloosa ja ligniini ovat erottuneena, mutta niiden pitoisuus voi olla pieni ja ne voivat olla hajonneina tai muodossa, joka estää niiden jatkojalostuksen. Lisäksi usein sivuvirrat sisältävät joko prosessikemikaaleja tai materiaalin hajoamistuotteita niin paljon, että jalostettavien kemikaalien erottaminen on teknologisesti monimutkaista ja liian kallista.

FM Suvi Kuittisen tutkimustyössä haettiin suomalaisille raaka-aineille hemiselluloosan erotusmenetelmää, jossa hemiselluloosan sokerit vapautuisivat helposti edelleen jalostettavassa muodossa. Työssä tutkittiin kolmea erilaista raaka-ainetta; ohran olkea, siperianpajua sekä kuusta. Työn tuloksena tuotettiin parametrit raaka-aineiden esikäsittelyä varten niin, että suurin osa raaka-aineen hemiselluloosa saadaan irrotettua välttäen jatkojalostusta haittaavia hajoamistuotteita. Lisäksi selluloosajae saatiin säilytettyä pääosin kiinteässä muodossa, joten myös sen jatkojalostus biomateriaaleiksi on mahdollista. Tutkimuksessa esikäsittelyssä erotetun hemiselluloosaliuoksen sokereista tuotettiin edelleen asetoni-butanoli-etanoli-fermentoinnin avulla onnistuneesti biobutanolia, joka on käytettävissä muun muassa liikennebiopolttoaineena ja kemian teollisuuden raaka-aineena.

Merkittävä tulos tutkimuksessa oli se, että toteutetuilla esikäsittelymenetelmillä tuotettu hemiselluloosaliuos pystyttiin käyttämään fermentointiprosessissa ilman monimutkaisia ja kalliita jälkikäsittelyjä. Lisäksi yhdistämällä hemiselluloosaliuokseen ohran tärkkelystä sisältävää liuosta, fermentaatioprosessi pystyttiin toteuttamaan onnistuneesti ilman muita lisättäviä ravinteita. Tutkimuksessa tuotetun siperianpajun hemiselluloosaliuoksen sokerit fermentoitiin butanoliksi käyttämällä Clostridium acetobutylicum-bakteeria, joka pystyy hyödyntämään myös hemiselluloosasta peräisin olevia viisihiilisiä sokereita, kuten ksyloosia. Esimerkiksi yleisesti etanolifermentoinneissa käytetyt mikrobit hyödyntävät luontaisesti kuusihiilisiä sokereita, kuten glukoosia. Suurin osa lehtipuiden ja esimerkiksi ohran oljen hemiselluloosasta on kuitenkin viisihiilisiä sokereita.

Tutkimuksen johtopäätöksenä todettiin, että raaka-aineen mukaisesti valitut esikäsittelyparametrit mahdollistavat sekä hemiselluloosasokereiden hyödyntämisen uusiksi biotuotteiksi, että selluloosafraktion säästämisen jatkojalostukseen. Suunnittelemalla erilaisten teollisuuden sivuvirtojen yhdistämistä entistä tehokkaammin, voidaan välttää tuotantoprosessin välivaiheita, kuten fermentointimikrobeille haitallisten aineiden poistamista ja ylimääräisten ravinteiden lisäämistä fermentointia varten. Tämä tarjoaa kiinnostavan näkökulman jatkotutkimuksille ja biojalostuprosessien kehittämiselle entistä monipuolisempaan ja kestävämpään suuntaan.

• Kuittinen, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: suvi.kuittinen@uef.fi

Fotosynteesin edellytyksenä on sen valoriippuvaisten ja -riippumattomien reaktioiden välinen tasapaino, jolloin valokemian kautta tapahtuva energian sisäänvirtaus vastaa kulutusta. Biokemialliset ja fysiologiset prosessit edesauttavat tasapainon muodostumista, sillä jotkut prosessit säätelevät valoriippuvaisten valokemialllisten reaktioiden aktiivisuutta, kun taas toiset säätelevät lämpötilariippuvaisten biokemiallisten reaktioiden aktiivisuutta. Biokemialliset ja fysiologiset prosessit mukauttavat myös fotosynteesiin käytettävissä olevaa absorboidun energian määrää ohjaamalla osan energiasta ei-valokemiallisille reaktiopoluille, jotka hajauttavat energiaa lämpönä ja fluoresenssina. On kiinnostavaa, että tietyt fotosynteesin dynamiikkaan vaikuttavat biokemialliset ja fysiologiset prosessit korreloivat fotosynteesin dynamiikkaa luonnehtivien lehden optisten ominaisuuksien (LOP) kanssa. Mutta kuinka tukevalla pohjalla näihin ominaisuuksiin vaikuttavia biokemiallisia ja fysiologisia prosesseja koskeva tietämyksemme on, ja miten hyvin lehtien optiset ominaisuudet ja fotosynteesin dynamiikan taustalla vaikuttavat biokemialliset ja fysiologiset prosessit korreloivat, kun niitä tarkastellaan erilaisilla spatiotemporaalisilla skaaloilla? Tässä väitöskirjassa tutkittiin, korreloivatko lehtien reflektanssiin ja fluoresenssiin perustuvat optiset ominaisuudet riittävän hyvin fotosynteesin dynamiikkaan vaikuttavien biokemiallisten ja fysiologisten prosessien kanssa, ja pätevätkö nämä korrelaatiot eri spatiotemporaalisilla skaaloilla.

Tässä väitöskirjassa osoitetaan lehtien reflektanssiin ja fluoresenssiin perustuvien optisten ominaisuuksien sopivuus fotosynteesin dynamiikan tutkimiseen sopiviksi optisiksi korvikemuuttujiksi. Työssä myös tunnistetaan vaihtelulähteitä, jotka voivat rikkoa fotosynteesin ja optisten ominaisuuksien välisen korrelaation. Vaihtelulähteet luokitellaan metodologisten (liiallinen yksinkertaistaminen ja tekniset/instrumentaaliset rajoitteet) ja spatiotemporaalisten rajoitteiden mukaan. Fotosynteesidynamiikan taustalla olevien prosessien ja lehtien optisten ominaisuuksien liiallista yksinkertaistamista tarkasteltiin tutkimalla PAR-säteilyn absorptiota männynneulasiin. PAR-absorptiota pidetään yleisesti klorofyllikonsentraatiosta riippuvaisena, mutta tässä väitöskirjassa osoitetaan, että absorptiota säätelee myös vahojen vaikutus neulasten PAR-reflektanssiin. Koska neulasten PAR-absorption suora mittaaminen on vaikeaa, PAR-reflektanssia käytettiin PAR-absorption korvikemuuttujana. Tämän teknisen/instrumentaalisen rajoitteen ratkaisemiseen  väitöskirja esittelee uuden metodologian, joka helpottaa PAR-absorption suoraa arviointia. Väitöskirjassa myös osoitetaan, että eräät optiset ominaisuudet näyttävät olevan tunnottomia, kun pyritään mittaamaan tiettyjen biokemiallisten ja fysiologisten prosessien dynamiikkaa. Tämä päti valokemialliseen reflektanssi-indeksiin (PRI), jonka avulla ei pystytty havaitsemaan zeaksantiinista riippumattomia, absorboidun PAR-säteilyn lämpöhajaantumisen taustalla olevia prosesseja. Lisäksi väitöskirjassa osoitetaan, että myös lehden morfologia voi vaikuttaa optisiin ominaisuuksiin, mikä saattaa vaikuttaa optiikkaan perustuvaan monitorointiin yksittäistä lehteä suuremmilla skaaloilla. Huolimatta väitöskirjassa esiin tuoduista varauksista optisten menetelmien potentiaali fotosynteesiaktiivisuuden dynamiikan seurannassa on kiistaton, ja tässä esitetyt tulokset voivat osaltaan pienentää epävarmuutta, joka liittyy fotosynteesin kuvaamiseen optisin menetelmin eri spatiotemporaalisilla kaaloilla.

• Olascoaga, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: benat.olascoagagracia@helsinki.fi