Below-ground processes in meadow soil under elevated ozone and carbon dioxide : - Greenhouse gas fluxes, N cycling and microbial communities

This thesis focuses on how elevated CO2 and/or O3 affect the below-ground processes in semi-natural vegetation, with an emphasis on greenhouse gases, N cycling and microbial communities. Meadow mesocosms mimicking lowland hay meadows in Jokioinen, SW Finland, were enclosed in open-top chambers and exposed to ambient and elevated levels of O3 (40-50 ppb) and/or CO2 (+100 ppm) for three consecutive growing season, while chamberless plots were used as chamber controls. Chemical and microbiological analyses as well as laboratory incubations of the mesocosm soils under different treatments were used to study the effects of O3 and/or CO2. Artificially constructed mesocosms were also compared with natural meadows with regards to GHG fluxes and soil characteristics. In addition to research conducted at the ecosystem level (i.e. the mesocosm study), soil microbial communities were also examined in a pot experiment with monocultures of individual species. By comparing mesocosms with similar natural plant assemblage, it was possible to demonstrate that artificial mesocosms simulated natural habitats, even though some differences were found in the CH4 oxidation rate, soil mineral N, and total C and N concentrations in the soil. After three growing seasons of fumigations, the fluxes of N2O, CH4, and CO2 were decreased in the NF+O3 treatment, and the soil NH4+-N and mineral N concentrations were lower in the NF+O3 treatment than in the NF control treatment. The mesocosm soil microbial communities were affected negatively by the NF+O3 treatment, as the total, bacterial, actinobacterial, and fungal PLFA biomasses as well as the fungal:bacterial biomass ratio decreased under elevated O3. In the pot survey, O3 decreased the total, bacterial, actinobacterial, and mycorrhizal PLFA biomasses in the bulk soil and affected the microbial community structure in the rhizosphere of L. pratensis, whereas the bulk soil and rhizosphere of the other monoculture, A. capillaris, remained unaffected by O3. Elevated CO2 caused only minor and insignificant changes in the GHG fluxes, N cycling, and the microbial community structure. In the present study, the below-ground processes were modified after three years of moderate O3 enhancement. A tentative conclusion is that a decrease in N availability may have feedback effects on plant growth and competition and affect the N cycling of the whole meadow ecosystem. Ecosystem level changes occur slowly, and multiplication of the responses might be expected in the long run.

Ilmakehä muuttuu ja niittyekosysteemit sen mukana Alailmakehän otsoni- ja hiilidioksidipitoisuudet nousevat vajaan prosentin vuosivauhdilla. Jos päästöjä ei saada kuriin, pitoisuuksien kohoamisella voi olla huomattavia vaikutuksia luonnonkasviyhteisöjen monimuotoisuudessa ja ekosysteemin ravinteiden kierrossa. Niittyekosysteemit ovat perinne- ja kulttuuriympäristöjä, mutta maatalouden tehostuminen on johtanut niittyjen määrän romahtamiseen sekä lukuisten niittylajien taantumiseen ja uhanalaistumiseen. Kanervan ja Rämön väitöskirjoissa selvitetään kohotetun hiilidioksidipitoisuuden ja haitallisen alailmakehän otsonipitoisuuden vaikutuksia niittykasvien kasvuun, lisääntymiseen ja yhteisörakenteeseen sekä maaperän mikrobiyhteisöihin, kasvihuonekaasupäästöihin ja typen kiertoon. Kenttäkokeissa pyrittiin simuloimaan Etelä-Suomen ilmasto-oloja v. 2050 niin kutsuttua avokattokammiomenetelmää käyttäen. Tutkimuksessa keskityttiin lajeihin, jotka kasvavat uhanalaisella biotoopilla "alavat niitetyt niityt". Luontaisenkaltaisessa yhteisössä kasvavat luonnonkasvit altistettiin maltillisesti kohotetuille otsoni- ja hiilidioksidipitoisuuksille, joko yhdessä tai erikseen, kolmena perättäisenä kesänä 2002 - 2004. Pääosa tutkimuksesta suoritettiin Jokioisilla, Helsingin yliopiston ja Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen yhteistyönä. Kasvilajien välisiä herkkyyseroja - katoavatko kissankellot? Tutkittu niittytyyppi osoittautui hyvin otsoniherkäksi, sillä käytetyt otsonipitoisuudet olivat alhaisia ja kuudessa lajissa yhdeksästä oli havaittavissa joko näkyviä otsonivaurioita tai vähennyksiä vegetatiivisessa tai suvullisessa kasvussa. Kolmen vuoden otsonialtistuksen jälkeen niitty-yhteisön biomassa oli 40 % alhaisempi kuin vastaavassa kontrollikäsittelyssä. Vaikka eri lajien välillä havaittiin huomattavia eroja otsoniherkkyydessä, lajien suhteelliset osuudet yhteisössä eivät muuttuneet kaasualtistuksen myötä. Erityisen herkiksi lajeiksi osoittautuivat kissankello ja ahomansikka, joiden herkkyys näkyi mm. vähentyneenä kasvuna ja ahomansikan marjojen pienentymisenä. Muutoksia mikrobiyhteisöissä ja maan typen kierrossa Kohotettu otsonipitoisuus aiheutti muutoksia myös maaperässä kolmen vuoden jälkeen. Kasveille ja mikrobeille käyttökelpoisen mineraalitypen määrä laski otsonikäsittelyssä, ja maaperästä ilmaan vapautuvat kasvihuonekaasut olivat matalampia otsonikäsittelyssä. Tämän lisäksi otsoni vähensi maaperän mikrobibiomassaa ja muutti mikrobiyhteisörakennetta. Niittyekosysteemi - herkkä biotooppi Hiilidioksidin vaikutukset sekä kasvillisuuteen että maaperän prosesseihin olivat melko vähäisiä, mikä oli todennäköisesti seurausta niittymaan alhaisesta typpipitoisuudesta. Samoin havaittiin, että kohotettu hiilidioksidipitoisuus ei, suurimmassa osassa tapauksia, vähentänyt otsonin haitallisia vaikutuksia. Tämän tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että ilmakehän kohoava otsonipitoisuus heikentää eräiden niittykasviemme kasvua ja lisääntymismenestystä sekä maaperän mineraalitypen määrää ja muuttaa mikrobien yhteisörakennetta. Näillä seikolla saattaa olla vaikutusta jo ennestään uhanalaisten niittyjemme ravinteiden kiertoon ja monimuotoisuuteen, sillä niityt tarjovat elintilaa myös monille hyönteisille.