Spatial and temporal variability in midge (Nematocera) assemblages in shallow Finnish lakes (60−70 °N) : community-based modelling of past environmental change

Multi- and intralake datasets of fossil midge assemblages in surface sediments of small shallow lakes in Finland were studied to determine the most important environmental factors explaining trends in midge distribution and abundance. The aim was to develop palaeoenvironmental calibration models for the most important environmental variables for the purpose of reconstructing past environmental conditions. The developed models were applied to three high-resolution fossil midge stratigraphies from southern and eastern Finland to interpret environmental variability over the past 2000 years, with special focus on the Medieval Climate Anomaly (MCA), the Little Ice Age (LIA) and recent anthropogenic changes. The midge-based results were compared with physical properties of the sediment, historical evidence and environmental reconstructions based on diatoms (Bacillariophyta), cladocerans (Crustacea: Cladocera) and tree rings. The results showed that the most important environmental factor controlling midge distribution and abundance along a latitudinal gradient in Finland was the mean July air temperature (TJul). However, when the dataset was environmentally screened to include only pristine lakes, water depth at the sampling site became more important. Furthermore, when the dataset was geographically scaled to southern Finland, hypolimnetic oxygen conditions became the dominant environmental factor. The results from an intralake dataset from eastern Finland showed that the most important environmental factors controlling midge distribution within a lake basin were river contribution, water depth and submerged vegetation patterns. In addition, the results of the intralake dataset showed that the fossil midge assemblages represent fauna that lived in close proximity to the sampling sites, thus enabling the exploration of within-lake gradients in midge assemblages. Importantly, this within-lake heterogeneity in midge assemblages may have effects on midge-based temperature estimations, because samples taken from the deepest point of a lake basin may infer considerably colder temperatures than expected, as shown by the present test results. Therefore, it is suggested here that the samples in fossil midge studies involving shallow boreal lakes should be taken from the sublittoral, where the assemblages are most representative of the whole lake fauna. Transfer functions between midge assemblages and the environmental forcing factors that were significantly related with the assemblages, including mean air TJul, water depth, hypolimnetic oxygen, stream flow and distance to littoral vegetation, were developed using weighted averaging (WA) and weighted averaging-partial least squares (WA-PLS) techniques, which outperformed all the other tested numerical approaches. Application of the models in downcore studies showed mostly consistent trends. Based on the present results, which agreed with previous studies and historical evidence, the Medieval Climate Anomaly between ca. 800 and 1300 AD in eastern Finland was characterized by warm temperature conditions and dry summers, but probably humid winters. The Little Ice Age (LIA) prevailed in southern Finland from ca. 1550 to 1850 AD, with the coldest conditions occurring at ca. 1700 AD, whereas in eastern Finland the cold conditions prevailed over a longer time period, from ca. 1300 until 1900 AD. The recent climatic warming was clearly represented in all of the temperature reconstructions. In the terms of long-term climatology, the present results provide support for the concept that the North Atlantic Oscillation (NAO) index has a positive correlation with winter precipitation and annual temperature and a negative correlation with summer precipitation in eastern Finland. In general, the results indicate a relatively warm climate with dry summers but snowy winters during the MCA and a cool climate with rainy summers and dry winters during the LIA. The results of the present reconstructions and the forthcoming applications of the models can be used in assessments of long-term environmental dynamics to refine the understanding of past environmental reference conditions and natural variability required by environmental scientists, ecologists and policy makers to make decisions concerning the presently occurring global, regional and local changes. The developed midge-based models for temperature, hypolimnetic oxygen, water depth, littoral vegetation shift and stream flow, presented in this thesis, are open for scientific use on request.

Vesistöissä elävät sääsken (Diptera: Nematocera) toukat ovat herkkiä ympäristönmuutosten kuvastajia ja niitä on hyödynnetty veden laadun ja ekologisen tilan monitoroinnissa sekä paleolimnologisissa menneiden ympäristöolojen tutkimuksissa. Tässä nyky- ja paleoekologiaa soveltavassa tutkimuksessa hyödynnettiin järvien pintasedimentteihin kerrostuneita fossiilisia sääskien jäänteitä useista suomalaisista järvistä koostuvasta aineistosta sekä järven sisäisestä lajistoaineistosta. Sääskien levinneisyyttä suhteessa eri ympäristömuuttujiin tarkasteltiin maantieteellisen ja ympäristömuuttujien skaalauksen avulla tilastomatemaattisia menetelmiä hyödyntäen tavoitteena uusien numeeristen rekonstruktiomallien kehittäminen menneiden ympäristönmuutosten tarkkaan kuvaamiseen. Kehitettyjä ekologisia malleja sovellettiin kolmeen myöhäis-Holoseenin (viimeiset 2000 vuotta) kattavaan paleoekologiseen näytesarjaan (sedimenttinäytesarjatutkimukset) Etelä- ja Itä-Suomesta erityismielenkiinnonkohteena Keskiajan lämpökausi, Pieni jääkausi sekä viimeaikaiset ihmisen aiheuttamat muutokset. Sääskiin perustuvia tuloksia vertailtiin sedimentin fysikaalisiin ominaisuuksiin, historiallisiin todisteisiin sekä piilevistä, vesikirpuista ja puulustoista johdettuihin ympäristörekonstruktioihin. Tutkimustulokset osoittivat suomalaisen sääskilajiston levinneisyyden olevan riippuvainen käytetystä maantieteellisestä skaalasta. Koko Suomen kattavassa aineistossa tärkein sääskien levinneisyyttä määräävä tekijä oli kesälämpötila, mutta kun aineistosta poistettiin ihmistoiminnan häiritsemät järvet, veden syvyys nousi merkittävimmäksi vaikuttajaksi. Kun aineisto rajattiin Etelä-Suomeen, pohjanläheinen happi oli tärkein lajistoa säätelevä ympäristötekijä. Järven sisäinen aineisto Itä-Suomesta puolestaan osoitti, että sääskilajiston jakauma oli joen vaikutuksen, veden syvyyden ja rantakasvillisuuden määräämää. Sääskilajiston ja näiden merkittävimpien ympäristötekijöiden välille kehitettiin siirtofunktiot hyödyntäen pääasiassa painotettuun keskiarvoon perustuvia menetelmiä. Mallien hyödyntäminen sedimenttinäytesarjoihin näytti enimmäkseen yhteneviä ympäristömuutosten suuntauksia, jotka sopivat hyvin yhteen aikaisempien tutkimusten, historiallisen aineiston ja muiden todisteiden kanssa. Keskiajan lämpökausi, joka ajoittui Itä-Suomessa 800- ja1300-lukujen välille, oli lämmin ajanjakso, jota kuvasivat kuivat kesät mutta kosteat talvet. Pieni jääkausi ajoittui Etelä-Suomessa välille 1550 1850 AD, mutta Itä-Suomessa se oli pidempiaikainen kylmä ja kostea jakso alkaen 1300-luvulla ja päättyen vasta 1900-luvun alussa. Sääskistä johdetut happiolot olivat kohonneita Pienen jääkauden aikaan ja viimeaikainen ihmisen kiihdyttämä ilmaston lämpeneminen on selvästi esillä kaikissa lämpötilarekonstruktioissa. Pitkäaikaista ilmastokehitystä tarkasteltaessa tutkimustulokset osoittavat, että Pohjois-Atlantin oskillaation (engl. North Atlantic Oscillation, NAO) ja talvisadannan sekä vuotuisten lämpötilojen välillä vallitsee positiivinen yhteys ja kesäsadannan välillä negatiivinen yhteys. Näin ollen tulokset osoittavat lämpimän ilmaston sekä kuivien kesien ja kosteiden talvien vallinneen Keskiajan lämpökaudella (positiivinen NAO-indeksi vaihe) kun taas Pienen jääkauden aikana kylmä ilmasto sekä kosteat kesät ja kuivat talvet (negatiivinen NAO-indeksi vaihe) olivat vallitsevia. Tämän tutkimuksen tuottamia ympäristörekonstruktioita ja mallien tulevia sovelluksia voidaan hyödyntää arvioitaessa ympäristön alkuperäistä tilaa ja luonnollista vaihtelua. Tätä tietoa tarvitsevat ympäristötieteilijät, ekologit ja päätöksentekijät tehdäkseen oikeita tulkintoja ja päätöksiä liittyen nykyisiin globaaleihin, alueellisiin ja paikallisiin muutoksiin. Tutkimuksessa kehitetyt sääskiin pohjautuvat rekonstruktiomallit ovat ympäristöasiantuntijoiden vapaassa käytössä pyyntöä vastaan.