Urban ecosystem services at the plant-soil interface

Continuing urbanization is a crucial driver of land transformation, having widespread impacts on virtually all ecosystems. Terrestrial ecosystems, including disturbed ones, are dependent on soils, which provide a multitude of ecosystem services. As soils are always directly and/or indirectly impacted through land transformation, land cover change causes soil change. Knowledge of ecosystem properties and functions in soils is increasing in importance as humans continue to concentrate into already densely-populated areas. Urban soils often have hampered functioning due to various disturbances resulting from human activity. Innovative solutions are needed to bring the lacking ecosystem services and quality of life to these urban environments. For instance, the ecosystem services of the urban green infrastructure may be substantially improved through knowledge of their functional properties. In the research forming this thesis, the impacts of four plant species (Picea abies, Calluna vulgaris, Lotus corniculatus and Holcus lanatus) on belowground biota and regulatory ecosystem services were investigated in two different urban soil types. The retention of inorganic nitrogen and phosphorus in the plant-soil system, decomposition of plant litter, primary production, and the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were examined in the field and under laboratory conditions. The main objective of the research was to determine whether the different plant species (representing traits with varying litter decomposability) will give rise to dissimilar urban belowground communities with differing ecological functions. Microbial activity as well as the abundance of nematodes and enchytraeid worm biomass was highest below the legume L. corniculatus. L. corniculatus and the grass H. lanatus, producing labile or intermediate quality litter, enhanced the proportion of bacteria in the soil rhizosphere, while the recalcitrant litter-producing shrub C. vulgaris and the conifer P. abies stimulated the growth of fungi. The loss of nitrogen from the plant-soil system was small for H. lanatus and the combination of C. vulgaris + P. abies, irrespective of their energy channel composition. These presumably nitrogen-conservative plant species effectively diminished the leaching losses from the plant-soil systems with all the plant traits present. The laboratory experiment revealed a difference in N allocation between the plant traits: C. vulgaris and P. abies sequestered significantly more N in aboveground shoots in comparison to L. corniculatus and H. Lanatus. Plant rhizosphere effects were less clear for phosphorus retention, litter decomposition and the degradation of PAH compounds. This may be due to the relatively short experimental durations, as the maturation of the plant-soil system is likely to take a considerably longer time. The empirical studies of this thesis demonstrated that the soil communities rapidly reflect changes in plant coverage, and this has consequences for the functionality of soils. The energy channel composition of soils can be manipulated through plants, which was also supported by the results of the separate meta-analysis conducted in this thesis. However, further research is needed to understand the linkages between the biological community properties and ecosystem services in strongly human-modified systems.

Ekosysteemipalvelut kaupunkimaaperän ja kasvillisuuden rajapinnassa Voimakkaana jatkuva kaupungistuminen vaikuttaa laajasti ympäristöön, vaikka kaupunkimainen maankäyttö kattaa tänä päivänä alle 4 % globaalista maapinta-alasta. Yli puolet maapallon väestöstä elää tällä hetkellä kaupungeissa, joissa väestön keskittyminen jo valmiiksi tiheästi asutuille asuinalueille lisää painetta ympäröiviin ekosysteemeihin. Maankäytön muutokset kohdistuvat aina suoraan tai välillisesti maaperään. Maaperän tuottamien ekosysteemipalveluiden, ihmiselle hyödyllisten toimintojen, laatu laskee kaupunkiympäristön häiriötekijöiden ja maan pinnoittamisen vuoksi. Elävä kasvillisuus sitoo hiiltä ja kaupunki-ilman pienhiukkasia, sekä vaikuttaa ravinteiden ja veden kiertokulkuun maaperässä. Aiempien tutkimusten perusteella erilaisten ekosysteemipalveluiden yhteenlaskettu taloudellinen arvo kaupunkialueilla voi olla useita kymmeniä tuhansia euroja hehtaarilta vuositasolla. Tutkin väitöskirjassani neljän eri kasvilajin/kasvityypin (Picea abies, Calluna vulgaris, Lotus corniculatus ja Holcus lanatus) vaikutusta kaupunkimaaperän eliöyhteisöjen rakenteeseen ja toimintaan. Tavoitteena oli selvittää, voiko kasvityypin valinnalla vaikuttaa maaperän ja kasvillisuuden rajapinnassa tapahtuviin ekosysteemipalveluihin: typen, hiilen ja haitallisten PAH-yhdisteiden (polyaromaattisten hiilivetyjen) sidontaan ja kulkeutumiseen maaperässä. Tutkitut kasvityypit vaikuttivat kaupunkimaaperän eliörakenteeseen nopealla aikajänteellä. Hernekasvi L. corniculatus lisäsi maaperän mikrobiaktiivisuutta ja ravintoverkon bakteerivaltaisuutta sekä typen huuhtoutumista pois maaperästä. Heinäkasvi H. lanatus sekä metsäkuusi P. abies ja kanerva C. vulgaris sitoivat tehokkaasti typpiyhdisteitä maaperään. Eliöyhteisön aktiivisuus ei kuitenkaan suoraan edistänyt haitta-aineita hajottavien mikrobien kasvua. Sen sijaan laboratoriotutkimuksissa havaitsin, että Etelä-Suomen vuotuista typpilaskeumatasoa vastaava typen lisäys (5 kg ha-1) voi nopeuttaa PAH-yhdisteiden hajoamista kuusten juuristossa. Vaikeasti hajoavaa, mm. fenolisia yhdisteitä sisältävää kariketta tuottavat metsäkuusi ja kanerva lisäsivät kenttätutkimuksessa kaupunkimaaperän sieni/bakteeri-suhdelukua. Kirjallisuuteen perustuvassa meta-analyysitutkimuksessa havaitsin tämän ekosysteemitason indikaattorin ilmentävän herkästi maankäytön muutoksia häiriötilasta kohti luonnontilaisempia muotoja. Tulevaisuuden kaupungeissa ekosysteemien toiminnan turvaaminen on tärkeä osa kaupungin kestävää kehitystä. Monimuotoiset hoitomenetelmät sekä kotimaisten ja maaperän orgaanista ainesta lisäävien kasvien valinta edistävät kaupunkien viherympäristöjen resilienssiä, eli palautumiskykyä. Hulevesiä sekä muita kaupunkien paikallisia ympäristöongelmia voidaan hallita ja ratkaista myös rakennetuilla viherelementeillä. Erilaisilla kasvivalinnoilla voidaan tehostaa tiettyjä, tarkasti kohdennettavia ekosysteemipalveluja, kuten rehevöittävien typpiyhdisteiden sitoutumista maaperään. Asiasanat: ekosysteemipalvelut, kaupungistuminen, maaperä