Spatial variation of climate and the impact of disturbances on local climate and forest recovery in northern Finland

The structure and function of northern ecosystems are strongly influenced by climate change and variability and by human-induced disturbances. The projected global change is likely to have a pronounced effect on the distribution and productivity of different species, generating large changes in the equilibrium at the tree-line. In turn, movement of the tree-line and the redistribution of species produce feedback to both the local and the regional climate. This research was initiated with the objective of examining the influence of natural conditions on the small-scale spatial variation of climate in Finnish Lapland, and to study the interaction and feedback mechanisms in the climate-disturbances-vegetation system near the climatological border of boreal forest. The high (1 km) resolution spatial variation of climate parameters over northern Finland was determined by applying the Kriging interpolation method that takes into account the effect of external forcing variables, i.e., geographical coordinates, elevation, sea and lake coverage. Of all the natural factors shaping the climate, the geographical position, local topography and altitude proved to be the determining ones. Spatial analyses of temperature- and precipitation-derived parameters based on a 30-year dataset (1971-2000) provide a detailed description of the local climate. Maps of the mean, maximum and minimum temperatures, the frost-free period and the growing season indicate that the most favourable thermal conditions exist in the south-western part of Lapland, around large water bodies and in the Kemijoki basin, while the coldest regions are in highland and fell Lapland. The distribution of precipitation is predominantly longitudinally dependent but with the definite influence of local features. The impact of human-induced disturbances, i.e., forest fires, on local climate and its implication for forest recovery near the northern timberline was evaluated in the Tuntsa area of eastern Lapland, damaged by a widespread forest fire in 1960 and suffering repeatedly-failed vegetation recovery since that. Direct measurements of the local climate and simulated heat and water fluxes indicated the development of a more severe climate and physical conditions on the fire-disturbed site. Removal of the original, predominantly Norway spruce and downy birch vegetation and its substitution by tundra vegetation has generated increased wind velocity and reduced snow accumulation, associated with a large variation in soil temperature and moisture and deep soil frost. The changed structural parameters of the canopy have determined changes in energy fluxes by reducing the latter over the tundra vegetation. The altered surface and soil conditions, as well as the evolved severe local climate, have negatively affected seedling growth and survival, leading to more unfavourable conditions for the reproduction of boreal vegetation and thereby causing deviations in the regional position of the timberline. However it should be noted that other factors, such as an inadequate seed source or seedbed, the poor quality of the soil and the intensive logging of damaged trees could also exacerbate the poor tree regeneration. In spite of the failed forest recovery at Tunsta, the position and composition of the timberline and tree-line in Finnish Lapland may also benefit from present and future changes in climate. The already-observed and the projected increase in temperature, the prolonged growing season, as well as changes in the precipitation regime foster tree growth and new regeneration, resulting in an advance of the timberline and tree-line northward and upward. This shift in the distribution of vegetation might be decelerated or even halted by local topoclimatic conditions and by the expected increase in the frequency of disturbances.

Ilmaston vaihtelut ja ilmastonmuutos sekä ulkoiset häiriötekijät vaikuttavat merkittävästi pohjoiseen ekosysteemiin. Ennustetulla maailmanlaajuisella ilmaston-muutoksella on suuri vaikutus eri kasvi- ja eläinlajien elinoloihin myös pohjoisella puurajalla. Puurajalla kasvustossa tapahtuvat muutokset vaikuttavat puolestaan sekä paikalliseen että alueelliseen ilmastoon. Tässä tutkimuksessa on selvitetty mitkä luonnolliset tekijät selittävät ilmaston alueellistan vaihtelua Suomen Lapissa. Tutkimuksessa selvitetään myös kuinka ulkoiset häiriötekijät vaikuttavat ilmaston ja kasvillisuuden muodostaman järjestelmän sisäisiin vuorovaikutuksiin ja palautemekanismeihin lähellä boreaalisen metsän ilmastollista rajaa. Pohjois-Suomen ilmaston pienen mittakaavan (1 km) alueellista vaihtelua tutkittiin soveltamalla Krigingin analyysimenetelmää. Käytetty menetelmä huomioi ulkoisten tekijöiden, kuten maantieteellisten sijainnin, korkeuden ja meren ja järvien vaikutuksen. Ilmastoon vaikuttavien luonnollisten tekijöiden joukosta maantieteellinen sijainti ja maaston korkeus osoittautuivat tärkeimmiksi. Tutkimuksen osana tehty vuosien 1971 2000 havaintoihin pohjautuva lämpötila ja sadeolojen alueellinen analyysi antaa yksityiskohtaisen kuvan Lapin paikallisilmastosta. Keskilämpötilojen sekä ylimpien- ja alimpien lämpötilojen, kasvukauden pituuden ja lämpösumman alueelliset jakaumat sekä pakkasjaksojen ajoittuminen osoittavat, että suotuisimmat kasvuolosuhteet löytyvät Lounais-Lapista suurien vesialueiden ympäriltä sekä Kemijoen alueelta. Kylmimmät alueet taas löytyvät Tunturi-Lapista. Keskimäärin sadetta saadaan useammin ja enemmän Itä-Lapissa kuin alueen länsiosassa. Ulkoisten häiriötekijöiden, kuten esimerkiksi metsäpalojen vaikutusta paikallisilmastoon ja metsien uudistumiseen pohjoisen metsänrajan lähellä arvioitiin Itä-Lapin Tuntsan-alueella. Tällä alueella tapahtui laaja metsäpalo vuonna 1960 ja sen jälkeen tehdyt useat metsien uudistamisyritykset epäonnistuivat. Paikallisilmaston mittaukset ja ilmakehämallilla tehdyt simuloinnit osoittivat, että ilmasto oli muuttunut palon vaurioittamalla alueella ankarammiksi. Alkuperäisen, pääosin kuusen ja hieskoivun muodostuman kasvillisuuden korvautuminen matalalla tundra-kasvillisuudella voimisti tuulen nopeuksia lähellä maanpintaa. Tuulen voimistuessa ajautui kasvustoa suojaava lumipeite pois avoimilta paikoilta, mikä puolestaan lisäsi maaperän lämpötilan, kosteuden ja roudan ajallista vaihtelua. Muuttuneet pinta- ja maaperäolosuhteet sekä äärevöitynyt paikallisilmasto vaikeuttivat taimien kasvuedellytyksiä. Olosuhteet muuttuivat siis epäsuotuisiksi kasvillisuuden elpymisen kannalta. Tämä aiheutti muutoksia metsänrajan paikalliseen sijaintiin. Myös muut tekijät, kuten väärät siemenvalinnat, köyhtynyt maaperä ja vahingoittuneiden puiden intensiivinen hakkuu saattoivat vaikeuttaa metsän uudistumista. Maailmanlaajuisen ilmastonmuutoksen seurauksena tapahtuva lämpötilan nousu, pidentynyt kasvukausi kuten myös sademäärän muutokset suosivat puiden kasvua ja uudistumista mikä voi johtaa metsänrajan ja puurajan siirtymiseen pohjoiseen ja ylöspäin. Myös puulajeissa voi tapahtua muutoksia. Paikallisesti kasvillisuuden levinneisyyden muutokset voivat kuitenkin hidastua tai jopa pysähtyä jos paikallisten häiriötekijöiden, kuten metsäpalojen, esiintymistiheys kasvaa ilmastonmuutoksen seurauksena. Näin tapahtui esimerkiksi Tuntsassa.