Meadow plant growth and competition under elevated ozone and carbon dioxide

The main aim of my thesis project was to assess the impact of elevated ozone (O3) and carbon dioxide (CO2) on the growth, competition and community of meadow plants in northern Europe. The thesis project consisted of three separate O3 and CO2 exposure experiments that were conducted as open-top-chamber (OTC) studies at Jokioinen, SW Finland, and a smaller-scale experiment with different availabilities of resources in greenhouses in Helsinki. The OTC experiments included a competition experiment with two- and three-wise interactions, a mesocosm-scale meadow community with a large number of species, and a pot experiment that assessed intraspecific differences of Centaurea jacea ecotypes. The studied lowland hay meadow proved to be an O3-sensitive biotope, as the O3 concentrations used (40-50 ppb) were moderate, and yet, six out of nine species (Campanula rotundifolia, Centaurea jacea, Fragaria vesca, Ranunculus acris, Trifolium medium, Vicia cracca) showed either significant reductions in biomass or reproductive development, visible O3 injury or any two as a response to elevated O3. The plant species and ecotypes exhibited large intra- and interspecific variation in their response to O3, but O3 and CO2 concentrations did not cause changes in their interspecific competition or in community composition. However, the largest O3-induced growth reductions were seen in the least abundant species (C. rotundifolia and F. vesca), which may indicate O3-induced suppression of weak competitors. The overall effects of CO2 were relatively small and mainly restricted to individual species and several measured variables. Based on the present studies, most of the deleterious effects of tropospheric O3 are not diminished by a moderate increase in CO2 under low N availability, and variation exists between different species and variables. The present study indicates that the growth of several herb species decreases with increasing atmospheric O3 concentrations, and that these changes may pose a threat to the biodiversity of meadows. Ozone-induced reductions in the total community biomass production and N pool are likely to have important consequences for the nutrient cycling of the ecosystem.

Ilmakehä muuttuu ja niittyekosysteemit sen mukana Alailmakehän otsoni- ja hiilidioksidipitoisuudet nousevat keskimäärin 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.