Modelling boreal forest CO2 exchange and seasonality

Man-induced climate change has raised the need to predict the future climate and its feedback to vegetation. These are studied with global climate models; to ensure the reliability of these predictions, it is important to have a biosphere description that is based upon the latest scientific knowledge. This work concentrates on the modelling of the CO2 exchange of the boreal coniferous forest, studying also the factors controlling its growing season and how these can be used in modelling. In addition, the modelling of CO2 gas exchange at several scales was studied. A canopy-level CO2 gas exchange model was developed based on the biochemical photosynthesis model. This model was first parameterized using CO2 exchange data obtained by eddy covariance (EC) measurements from a Scots pine forest at Sodankylä. The results were compared with a semi-empirical model that was also parameterized using EC measurements. Both of the models gave satisfactory results. The biochemical canopy-level model was further parameterized at three other coniferous forest sites located in Finland and Sweden. At all the sites, the two most important biochemical model parameters showed seasonal behaviour, i.e., their temperature responses changed according to the season. Modelling results were improved when these changeover dates were related to temperature indices. During summer-time the values of the biochemical model parameters were similar at all the four sites. Different control factors for CO2 gas exchange were studied at the four coniferous forests, including how well these factors can be used to predict the initiation and cessation of the CO2 uptake. Temperature indices, atmospheric CO2 concentration, surface albedo and chlorophyll fluorescence (CF) were all found to be useful and have predictive power. In addition, a detailed simulation study of leaf stomata in order to separate physical and biochemical processes was performed. The simulation study brought to light the relative contribution and importance of the physical transport processes. The results of this work can be used in improving CO2 gas exchange models in boreal coniferous forests. The meteorological and biological variables that represent the seasonal cycle were studied, and a method for incorporating this cycle into a biochemical canopy-level model was introduced.

Havupuiden erikoismuotojen lisäysmenetelmät

Havupuiden erikoismuotoja on käytetty koristekasveina jo vuosisatoja ympäri maailmaa. Niitä on lisätty pääsääntöisesti pistokkaista ja varttamalla. Suomessa kotimaisten metsäpuidemme erikois-muotoja on kartoitettu ja kerätty kokoelmiin järjestelmällisemmin 1960-luvulta alkaen. Taimisto-viljelijät, puutarhasuunnittelijat ja kotipuutarhurit ovat olleet enenevässä määrin kiinnostuneita näistä kotimaisista kestävistä havukasveista. Yli 90 prosenttia markkinoillamme olevista havukas-veista tuodaan ulkomailta, joten on selvää, että niiden talvenkestävyydessä on ongelmia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kotimaisille erikoismuodoille sopivia lisäysmene-telmiä ja siten edistää kotimaisen havukasvituotannon mahdollisuuksia. Aineistona kokeissa oli kotimaisia erikoismuotoja metsäkuusesta (Picea abies (L.) Karsten) ja kotikatajasta (Juniperus communis L.), tavallisia metsäkuusia sekä kahdeksan ulkomaista havupuutaksonia. Lisäysmene-telmistä tutkittiin varttamista ja pistokaslisäystä ja kokeet suoritettiin Metsäntutkimuslaitoksen toimipaikoissa Lopen Haapastensyrjässä sekä Punkaharjulla. Varttamiskokeessa vertailtiin koti-maisen kuusen erikoismuotokloonien varttamisen onnistumista. Pistokaskokeissa tutkittiin geno-tyypin, emopuun iän, pistokasoksan sijainnin sekä hormonikäsittelyn vaikutusta havukasvien pis-tokkaiden juurtumiseen. Tavalliset metsäkuuset toimivat kontrolleina. Tutkimus osoitti, että varttaminen onnistui erinomaisesti kaikilla erikoismuotoklooneilla. Ovat-ko vartteet esteettisesti katsottuna koristekäyttöön sopivia, jää vielä seurattavaksi. Pistokaskokeis-sa havaittiin, että juveniilisuus vaikutti pistokkaiden juurtumiseen, mutta iäkkäistäkin puista lisää-minen onnistuu, kunhan genotyyppi on sopiva. Keskimäärin alaoksat juurtuivat paremmin kuin latvuksen yläosista otetut pistokasoksat, mutta vain yhdellä kloonilla ero oli tilastollisesti merkit-sevä. Hormonikäsittely heikensi selvästi kotimaisen kuusen ja katajan pistokkaiden juurtumista, mutta ulkomaisiin havupuulajeihin käsittelyllä ei ollut vaikutusta. Kotimaisen havukasvituotannon pohjaksi pitäisi tehdä kloonivalintaa, jossa koristearvon lisäksi otettaisiin huomioon myös kloonin lisättävyys. Taimien tuottaminen pistokkaista on selvästi edul-lisempaa kuin vartteiden tuottaminen, joskin varte kasvaa myyntikuntoon nopeammin kuin pisto-kastaimi. Pistokastaimi on kuitenkin omajuurinen ja stabiilimpi kasvutavaltaan kuin varte. Tämä korostuu etenkin kääpiömuotoja tuotettaessa.

Heating values of mature trees.

The effective heating values of the above and below ground biomass components of mature Scots pine (Pinus sylvestris), Norway spruce (Picea abies), downy birch (Betula pubescens), silver birch (Betula pendula), grey alder (Alnus incana), black alder (Alnus glutinosa) and trembling aspen (Populus tremula) were studied. Each sample tree was divided into wood, bark and foliage components. Bomb calorimetry was used to determine the calorimetric heating values. The species is a significant factor in the heating value of individual tree components. The heating value of the wood proper is highest in conifers. Broad-leaved species have a higher heating value of bark than conifers. The species factor diminishes when the weighted heating value of crown, whole stems or stump-root-system are considered. The crown material has a higher heating value per unit weight in comparison with fuelwood from small-sized stems or wholetrees. The additional advantages of coniferous crown material are that it is a non-industrial biomass resource and is readily available. The variability of both the chemical composition and the heating value is small in any given tree component of any species. However, lignin, carbohydrate and extractive content were found to vary from one part of the tree to another and to correlate with the heating value.