Analyzing changes in macro-level drivers of country-specific emissions : The role of consumption, technology and trade

Industrial ecology is an important field of sustainability science. It can be applied to study environmental problems in a policy relevant manner. Industrial ecology uses ecosystem analogy; it aims at closing the loop of materials and substances and at the same time reducing resource consumption and environmental emissions. Emissions from human activities are related to human interference in material cycles. Carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential elements for all living organisms, but in excess have negative environmental impacts, such as climate change (CO2, CH4 N2O), acidification (NOx) and eutrophication (N, P). Several indirect macro-level drivers affect emissions change. Population and affluence (GDP/capita) often act as upward drivers for emissions. Technology, as emissions per service used, and consumption, as economic intensity of use, may act as drivers resulting in a reduction in emissions. In addition, the development of country-specific emissions is affected by international trade. The aim of this study was to analyse changes in emissions as affected by macro-level drivers in different European case studies. ImPACT decomposition analysis (IPAT identity) was applied as a method in papers I III. The macro-level perspective was applied to evaluate CO2 emission reduction targets (paper II) and the sharing of greenhouse gas emission reduction targets (paper IV) in the European Union (EU27) up to the year 2020. Data for the study were mainly gathered from official statistics. In all cases, the results were discussed from an environmental policy perspective. The development of nitrogen oxide (NOx) emissions was analysed in the Finnish energy sector during a long time period, 1950 2003 (paper I). Finnish emissions of NOx began to decrease in the 1980s as the progress in technology in terms of NOx/energy curbed the impact of the growth in affluence and population. Carbon dioxide (CO2) emissions related to energy use during 1993 2004 (paper II) were analysed by country and region within the European Union. Considering energy-based CO2 emissions in the European Union, dematerialization and decarbonisation did occur, but not sufficiently to offset population growth and the rapidly increasing affluence during 1993 2004. The development of nitrogen and phosphorus load from aquaculture in relation to salmonid consumption in Finland during 1980 2007 was examined, including international trade in the analysis (paper III). A regional environmental issue, eutrophication of the Baltic Sea, and a marginal, yet locally important source of nutrients was used as a case. Nutrient emissions from Finnish aquaculture decreased from the 1990s onwards: although population, affluence and salmonid consumption steadily increased, aquaculture technology improved and the relative share of imported salmonids increased. According to the sustainability challenge in industrial ecology, the environmental impact of the growing population size and affluence should be compensated by improvements in technology (emissions/service used) and with dematerialisation. In the studied cases, the emission intensity of energy production could be lowered for NOx by cleaning the exhaust gases. Reorganization of the structure of energy production as well as technological innovations will be essential in lowering the emissions of both CO2 and NOx. Regarding the intensity of energy use, making the combustion of fuels more efficient and reducing energy use are essential. In reducing nutrient emissions from Finnish aquaculture to the Baltic Sea (paper III) through technology, limits of biological and physical properties of cultured fish, among others, will eventually be faced. Regarding consumption, salmonids are preferred to many other protein sources. Regarding trade, increasing the proportion of imports will outsource the impacts. Besides improving technology and dematerialization, other viewpoints may also be needed. Reducing the total amount of nutrients cycling in energy systems and eventually contributing to NOx emissions needs to be emphasized. Considering aquaculture emissions, nutrient cycles can be partly closed through using local fish as feed replacing imported feed. In particular, the reduction of CO2 emissions in the future is a very challenging task when considering the necessary rates of dematerialisation and decarbonisation (paper II). Climate change mitigation may have to focus on other greenhouse gases than CO2 and on the potential role of biomass as a carbon sink, among others. The global population is growing and scaling up the environmental impact. Population issues and growing affluence must be considered when discussing emission reductions. Climate policy has only very recently had an influence on emissions, and strong actions are now called for climate change mitigation. Environmental policies in general must cover all the regions related to production and impacts in order to avoid outsourcing of emissions and leakage effects. The macro-level drivers affecting changes in emissions can be identified with the ImPACT framework. Statistics for generally known macro-indicators are currently relatively well available for different countries, and the method is transparent. In the papers included in this study, a similar method was successfully applied in different types of case studies. Using transparent macro-level figures and a simple top-down approach are also appropriate in evaluating and setting international emission reduction targets, as demonstrated in papers II and IV. The projected rates of population and affluence growth are especially worth consideration in setting targets. However, sensitivities in calculations must be carefully acknowledged. In the basic form of the ImPACT model, the economic intensity of consumption and emission intensity of use are included. In seeking to examine consumption but also international trade in more detail, imports were included in paper III. This example demonstrates well how outsourcing of production influences domestic emissions. Country-specific production-based emissions have often been used in similar decomposition analyses. Nevertheless, trade-related issues must not be ignored.

Suomenlinnan Kustaanmiekan ketokasvillisuus ja siihen vaikuttavat tekijät

Suomenlinna on yksi Helsingin suosituimmista matkailu- ja kulttuurinähtävyyksistä. Kustaanmiekan, samoin kuin koko Suomenlinnan luonto on muodostunut perinteisestä suomalaisesta saaristoluonnosta ja vuosisatojen saatossa paikalle tulleista linnoituksien kasvistosta. Saaren vaihtelevien elinympäristöjen johdosta alueen kasvillisuus on hyvin rikasta. Linnoituksien monet kasvilajit ovat tulleet tulokaskasveina eri puolilta Eurooppaa sekä Venäjältä. Suurin osa Suomenlinnan alueesta on kallioketoa ja tämän lisäksi myös valliketoa, joista molemmat kuuluvat suojeltaviin alueisiin. Kustaanmiekan niityillä kasvaa keto- ja paahdelajeja, kuten harvinaista ketonoidanlukkoa (Botrychium lunaria L.) sekä ketoneilikkaa (Dianthus deltoides L.). Tämän tutkimuksen ensisijaisena tarkoituksena oli kartoittaa Kustaanmiekan alueen kesäkauden 2009 ketokasvilajisto ja eri putkilokasvilajien runsaus. Tutkimuksessa selvitettiin myös maaperätekijöiden ja alueen hoitohistorian mahdollista vaikutusta ketokasvilajistoon. Tutkimuksessa kartoitettiin kymmenen eri kedon kasvillisuus Suomenlinnan Kustaanmiekan linnoitusalueella. Kedot sijaitsivat eri puolilla Kustaanmiekkaa, sellaisilla paikoilla, missä ketokasvillisuus oli runsainta. Maastotyöt suoritettiin kesä- ja heinäkuussa laskemalla jokaisen kedon ruutujen putkilokasvien peittävyydet sekä listaamalla ylös myös ruutujen ulkopuoliset kevät- ja loppukesän kukkijat touko- ja elokuussa. Maaperän ominaisuuksien määrittämiseksi otettiin kultakin kedolta pintamaanäytteet elokuussa. Muita tutkittuja muuttujia olivat maapinnan kaltevuus sekä sammalen, karikkeen, paljaan maan, kenttäkasvillisuuden pohjakerros ja kallion osuus tutkimusruuduilla. Ketojen kasvillisuuden keskimääräinen korkeus mitattiin kesä- ja heinäkuussa. Kasvistossa oli selviä eroavaisuuksia ketojen välillä. Kasvilajien määrä vaihteli ketojen kokonaislajimäärän ollessa 40-60 kasvilajia. Yhteensä kedoilta löytyi 120 eri putkilokasvilajia, joista useimmat kukkivat sekä kesä- että heinäkuussa. Ketojen kasvilajimäärä vaihteli yhdellä neliömetrillä 6,3-13,6 kasvilajiin, minkä lisäksi Shannon-Wienerin diversiteetti-indeksi vaihteli 1,4-2,3 arvon välillä. Yleisimpiä lajeja, joita kedoilla tavattiin, olivat muun muassa siankärsämö (Achillea millefolium L.), koiranheinä (Dactylis glomerata L.), juolavehnä (Elymus repens L.) ja hopeahanhikki (Potentilla argentea L.). Alueella kasvoi myös muutamia sotatulokaslajeja kuten harmiota (Berteroa incana L.), ukonpalkoa (Bunias orientalis L.) ja karvahorsmaa (Epilobium hirsutum L.). Maaperätekijöillä, kuten suurella fosforin pitoisuudella ei ollut vaikutusta kasvilajien määrään kedoilla. Vain maan pH ja johtoluku korreloivat positiivisesti ketojen kasvillisuuden korkeuden kanssa. Vaikka tulosten perusteella ketojen hoidolla ei ollut vaikutusta ketojen kasvillisuuden määrään, voidaan kuitenkin olettaa oikeanlaisen hoidon parantavan tyypillisten ketokasvien kilpailukykyä muita niittykasveja kohtaan.

Enzymatic cross-linking of β-casein and its impact on digestibility and allergenicity

Protein modification via enzymatic cross-linking is an attractive way for altering food structure so as to create products with increased quality and nutritional value. These modifications are expected to affect not only the structure and physico-chemical properties of proteins but also their physiological characteristics, such as digestibility in the GI-tract and allergenicity. Protein cross-linking enzymes such as transglutaminases are currently commercially available, but also other types of cross-linking enzymes are being explored intensively. In this study, enzymatic cross-linking of β-casein, the most abundant bovine milk protein, was studied. Enzymatic cross-linking reactions were performed by fungal Trichoderma reesei tyrosinase (TrTyr) and the performance of the enzyme was compared to that of transglutaminase from Streptoverticillium mobaraense (Tgase). Enzymatic cross-linking reactions were followed by different analytical techniques, such as size exclusion chromatography -Ultra violet/Visible multi angle light scattering (SEC-UV/Vis-MALLS), phosphorus nuclear magnetic resonance spectroscopy (31P-NMR), atomic force (AFM) and matrix-assisted laser desorption/ionisation-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). The research results showed that in both cases cross-linking of β-casein resulted in the formation of high molecular mass (MM ca. 1 350 kg mol-1), disk-shaped nanoparticles when the highest enzyme dosage and longest incubation times were used. According to SEC-UV/Vis-MALLS data, commercial β-casein was cross-linked almost completely when TrTyr and Tgase were used as cross-linking enzymes. In the case of TrTyr, high degree of cross-linking was confirmed by 31P-NMR where it was shown that 91 % of the tyrosine side-chains were involved in the cross-linking. The impact of enzymatic cross-linking of β-casein on in vitro digestibility by pepsin was followed by various analytical techniques. The research results demonstrated that enzymatically cross-linked β-casein was stable under the acidic conditions present in the stomach. Furthermore, it was found that cross-linked β-casein was more resistant to pepsin digestion when compared to that of non modified β-casein. The effects of enzymatic cross-linking of β-casein on allergenicity were also studied by different biochemical test methods. On the basis of the research results, enzymatic cross-linking decreased allergenicity of native β-casein by 14 % when cross-linked by TrTyr and by 6 % after treatment by Tgase. It can be concluded that in addition to the basic understanding of the reaction mechanism of TrTyr on protein matrix, the research results obtained in this study can have high impact on various applications like food, cosmetic, medical, textile and packing sectors.

Lihaluujauhon soveltuvuus sokerijuurikkaan lannoitteeksi

Lihaluujauho muodostaa maatilojen myytävien kasvi- ja eläinperäisten tuotteiden jälkeen tärkeimmän agroekosysteemeistä poispäin suuntautuvan ravinnevirran. Se sisältää runsaasti pääkasvinravinteita typpeä, fosforia ja kalsiumia (N ~8%, P ~5%, Ca yleensä ~10-15% luuaineksen määrästä riippuen), sekä kaliumia n.1% tai alle. Lihaluujauho on todettu tehokkaaksi lannoitteeksi useilla viljelykasveilla ja sen käyttö on sallittu myös luomuviljelyssä EU-alueella. Lihaluujauhoon ja erityisesti sen rehukäyttöön liittyvistä riskeistä merkittävin on TSE-tautien riski (naudan BSE-, lampaiden ja vuohien scrapie-, sekä ihmisen vCJD-taudit). Rehukäyttöä on monissa maissa rajoitettu 1980-luvulla puhjenneen BSE-kriisin myötä. BSE-taudin leviäminen yhdistettiin tilanteeseen, jossa nautaperäistä lihaluujauhoa käytettiin nautaeläinten rehun ainesosana. Myös lihaluujauhon käytössä turkiseläinrehuna saattaa piillä BSE:n tai muun TSE-taudin riski. Oikein käsitellyn lihaluujauhon lannoitekäyttöön ei kuitenkaan näytä tarkastelemieni tutkimusten perusteella sisältyvän huomattavaa TSEriskiä, jos huolehditaan asianmukaisista varotoimista ja menettelyistä sekä tuotteen valmistusprosessissa, että käytettäessä lannoitetta. Lihaluujauhon lannoitekäytön lisääminen edistäisi ruokajärjestelmämme ravinnekierron sulkemista etenkin fosforin osalta. Lihaluujauho on uusiutuva luonnonvara, jonka lannoitekäytöllä voitaisiin korvata huomattava osa lannoiteaineena kulutettavista fosforipitoisista kiviaineista. Sokerijuurikkaan lannoituskokeissa Varsinais-Suomen Kaarinassa vuosina 2008 ja 2009 lihaluujauhokäsittelyt eivät menestyneet aivan yhtä hyvin satotasovertailussa kuin kontrollikäsittelyiden NPK-väkilannoitteet, mutta laatuominaisuuksiltaan (sokeripitoisuus, amino-N, K, ja Na-pitoisuudet) joiltakin osin kontrollikäsittelyjä paremmin. Kokeissa käytetyt lajikkeet olivat ’Jesper’ vuonna 2008 ja ’Lincoln’ vuonna 2009. Käytetty lihaluujauholannoite oli Honkajoki Oy:n Viljo Yleislannoite 8-4-3, joka sisälsi noin 10% kaliumsulfaatin ja kasviperäisten sivutuotteiden seosta. Viljo-lannoitetta käytettiin sekä yksistään, että yhdistettynä 10-25%:iin väkilannoitetta. Vuoden 2009 Viljo-koejäseniin vielä lisättiin kaliumsulfaattilannoitetta (42% K, 18% S), jotta päästiin annetun kaliumin määrässä päästiin lannoitussuosituksen (60 kg K/ha) tasolle. Pelkkä Viljo-lannoite tuotti merkitsevästi alhaisemmat sadot kuin kontrollikäsittelyt molempina vuosina. Kuitenkin kun Viljolannoitteen ohella käytettiin väkilannoitetta (10-25% kasvin typentarpeesta) päästiin varsin lähelle kontrollikäsittelyiden satotasoja. Myös pelkän LLJ-lannoitteen tuottamat satotasot olivat kuitenkin selvästi paremmat kuin Suomen keskimääräiset juurikassadot. Viljo-käsittelyillä oli selvästi positiivinen vaikutus laatutekijöihin amino-N, K ja Na vuonna 2008, mutta vuonna 2009 näiden pitoisuudet jäivät kontrollikäsittelyjen tasolle. Viljo-käsittelyiden sokeripitoisuudet olivat vuonna 2008 kontrollikäsittelyn luokkaa ja Viljo77%+NK1:n osalta kontrollia merkitsevästi paremmat. Vuoden 2009 sokeripitoisuudet olivat kaikilla koejäsenillä erinomaiset, ja käsittelyiden välillä ei ilmennyt merkitseviä eroja. Kokeiden perusteella kaliumsulfaatilla täydennetty lihaluujauho on hyvin toimiva lannoite sokerijuurikkaalla Suomen olosuhteissa, etenkin yhdistettynä väkilannoitteeseen.

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.

Jatkuvasatoisten mansikoiden lannoitus rajoitetussa kasvualustassa

Mansikka (Fragaria × ananassa Duch.) on tärkein Suomessa viljelty marja sekä määrällisesti että taloudellisesti. Suomessa ongelmana on lyhyt satokausi ja matala satotaso. Pääsadon aikaan runsas mansikan tarjonta markkinoilla laskee huomattavasti mansikan hintaa. Paras hinta saadaan normaalin satokauden ulkopuolella. Jatkuvasatoiset mansikkalajikkeet mahdollistaisivat pidemmän ja tasaisen satokauden, mikä vakauttaisi mansikan hintaa. Jatkuvasatoinen mansikka sopii viljelyyn kausihuoneissa korotetuilla kasvualustoilla, jolloin lannoitus ja kastelu hoidetaan tippukastelulla. Jatkuvasatoinen mansikka tuottaa kukkia ja marjoja koko satokauden, mikä vaikuttaa sen ravinnetarpeeseen. Tehdyssä tutkimuksessa testattiin kolmea eri lannoitustasoa 1,5 mS/cm, 2,3mS/cm ja 3,0 mS/cm, joiden N:K –suhde marjojen kypsymisvaiheessa oli 1:1,5. Neljäs käsittely oli kastelu johtokyvyllä 2,3 mS/cm N:K –suhteen ollessa 1:2 marjojen kypsyessä. Tutkimuksessa havainnointiin taimien vegetatiivista kasvua sekä sadon muodostusta ja marjojen laatua. Samalla seurattiin ylivaluntaveden määrää sekä veden mukana huuhtoutunutta fosforia ja typpeä. Tutkimuksessa käytetyt lajikkeet olivat ’Malling Opal’ ja ’Rondo’. Tämän tutkimuksen tulokset tukevat aikaisempia tutkimuksia, että mansikan ravinnetarve on suhteellisen matala. Voimakkain vegetatiivinen kasvu, suurin sato ja suurimmat marjat saatiin alimmalla testatulla johtokyvyllä (1,5 mS/cm). Lannoitustasolla oli hyvin vähän vaikutusta marjan laatuun tai sadon ajoittumiseen. Myöskään N:K – suhteen muutoksella ei ollut vaikutusta marjan laatuun. Taimien veden otto oli suurinta alimmalla lannoitustasolla, ja mahdollisesti kasteluveden korkea ionipitoisuus vaikeutti kasvin veden ottoa korkeilla veden johtokyvyillä. Valumaveden mukana poistuneet typpi- ja fosforipäästöt kasvoivat huomattavasti kasteluveden johtokyvyn noustessa.

Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille

Maatalouden ympäristötukiohjelmalla pyritään vähentämään maatalouden ravinnekuormitusta, sillä valtaosa fosforin hajakuormituksesta on peräisin maataloudesta. Maataloudesta peräisin olevan fosforin rehevöittävää vaikutusta vesistöissä voidaan pyrkiä vähentämään kosteikoilla, joiden päätarkoituksena on saada valumaveden mukana erodoitunut maa-aines sedimentoitumaan kosteikon pohjalle. Kosteikkojen toimivuudesta ja vesiensuojelun merkityksestä on kuitenkin Suomessa tehdyissä tutkimuksissa saatu ristiriitaisia tuloksia. Tämän työn tavoitteena on selvittää maa-analyysien avulla, mitä valuma-alueelta erodoitunut fosforille tapahtuu kosteikon sedimentissä ja kuinka hyvin sedimentoitunut aines soveltuu kasvualustaksi kasvintuotannossa. Valuma-alueen maanäytteitä ja kosteikon sedimenttinäytteitä vertailemalla havaittiin kosteikossa tapahtuvan erodoituneen maa-aineksen lajittumista. Kosteikosta otetussa sedimenttinäytteessä oli 48 % enemmän savesta kuin valumapellon muokkauskerroksen maanäytteissä. Lisäksi havaittiin, että savespitoisuuden lisääntyminen lisäsi sedimentin reaktiivista pinta-alaa, koska sedimentissä oli 45 % enemmän alumiini- ja rautahydroksideja kuin valuma-alueelta otetuissa maanäytteissä. Hydroksidien runsauden takia fosforin sorptiokapasiteetti oli sedimentissä 52 % suurepi kuin valuma-alueelta otetuissa näytteissä. Sedimenttinäytteiden fosforin sorptiokyllästysaste oli kuitenkin samansuuruinen verrattuna valuma-alueelta otettuihin näytteisiin, sillä hapettuneessa sedimentissä oli 50 % enemmän alumiini- ja rautahydroksidien sitomaa fosforia. Näytteenottohetkellä sedimentti oli pelkistyneessä tilassa, jolloin sen vesiuuttoisen fosforin määrä oli huomattavasti suurempi kuin hapettuneessa sedimentissä. Vastaavasti sedimentin hapettuessa fosforin sorptiokyky kasvoi huomattavasti, sillä pelkistyneestä sedimentistä desorboitui fosforia kosteikon veteen. Tämä havaittiin myös astiakokeessa, sillä sedimentissä kasvanut raiheinä kärsi voimakkaasta fosforin puutoksesta niillä lannoitustasoilla, joilla valuma-alueen maanäytteessä kasvaneella raiheinällä ei silmämääräisesti havaittu esiintyvän puutosoireita. Sedimentin toiselle sadolle annetulla kolminkertaisella fosforin lisälannoituksella saavutettiin samansuuruiset sadon kuiva-ainemäärät, fosforipitoisuudet ja fosforin otot kuin valuma-alueen maanäytteissä kasvaneella ensimmäisellä sadolla oli. Astiakokeen tulosten perusteella pelkistyneessä tilassa ollut sedimentti soveltuu heikosti kasvintuotannon kasvualustaksi suuren fosforisorptiokykynsä ansiosta. Parhaiten sedimentti soveltuisi runsaasti helppoliukoista fosforia sisältäville alueille, kuten karjan jalottelutarhan pohjamateriaaliksi, vähentämään ympäristöön kohdistuvaa fosforikuormitusta.

Use of wetland buffer areas to reduce nitrogen transport from forested catchments: Retention capacity, emissions of N2O and CH4 and vegetation composition dynamics

The use of buffer areas in forested catchments has been actively researched during the last 15 years; but until now, the research has mainly concentrated on the reduction of sediment and phosphorus loads, instead of nitrogen (N). The aim of this thesis was to examine the use of wetland buffer areas to reduce the nitrogen transport in forested catchments and to investigate the environmental impacts involved in their use. Besides the retention capacity, particular attention was paid to the main factors contributing to the N retention, the potential for increased N2O emissions after large N loading, the effects of peatland restoration for use as buffer areas on CH4 emissions, as well as the vegetation composition dynamics induced by the use of peatlands as buffer areas. To study the capacity of buffer areas to reduce N transport in forested catchments, we first used large artificial loadings of N, and then studied the capacity of buffer areas to reduce ammonium (NH4-N) export originating from ditch network maintenance areas in forested catchments. The potential for increased N2O emissions were studied using the closed chamber technique and a large artificial N loading at five buffer areas. Sampling for CH4 emissions and methane-cycling microbial populations were done on three restored buffer areas and on three buffers constructed on natural peatlands. Vegetation composition dynamics was studied at three buffer areas between 1996 and 2009. Wetland buffer areas were efficient in retaining inorganic N from inflow. The key factors contributing to the retention were the size and the length of the buffer, the hydrological loading and the rate of nutrient loading. Our results show that although the N2O emissions may increase temporarily to very high levels after a large N loading into the buffer area, the buffer areas in forested catchments should be viewed as insignificant sources of N2O. CH4 fluxes were substantially higher from buffers constructed on natural peatlands than from the restored buffer areas, probably because of the slow recovery of methanogens after restoration. The use of peatlands as buffer areas was followed by clear changes in plant species composition and the largest changes occurred in the upstream parts of the buffer areas and the wet lawn-level surfaces, where the contact between the vegetation and the through-flow waters was closer than for the downstream parts and dry hummock sites. The changes in the plant species composition may be an undesired phenomenon especially in the case of the mires representing endangered mire site types, and therefore the construction of new buffer areas should be primarily directed into drained peatland areas.

The roles of nitrification and nitrate reduction pathways in nitrogen cycling of Baltic Sea

The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world. Primary production in the Baltic Sea is limited by nitrogen (N) availability with the exception of river outlets and the northernmost phosphorus limited basin. The excess human induced N load from the drainage basin has caused severe eutrophication of the sea. The excess N loads can be mitigated by microbe mediated natural N removal processes that are found in the oxic-anoxic interfaces in sediments and water column redoxclines. Such interfaces allow the close coupling between the oxic nitrification process, and anoxic denitrification and anaerobic ammonium oxidation (anammox) processes that lead to the formation of molecular nitrogen gas. These processes are governed by various environmental parameters. The effects of these parameters on N processes were investigated in the northern Baltic Sea sediments. During summer months when the sediment organic content is at its highest, nitrification and denitrification reach their maximum rates. However, nitrification had no excess potential, which was probably because of high competition for molecular oxygen (O2) between heterotrophic and nitrification microbes. Subsequently, the limited nitrate (NO3-) availability inhibited denitrification. In fall, winter and spring, nitrification was limited by ammonium availability and denitrification limited by the availability of organic carbon and occasionally by NO3-. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) was not an important N removal process in the northern Baltic Sea. Modeling studies suggest that when hypoxia expands in the Baltic Sea, N removal intensifies. However, the results of this study suggest the opposite because bottom water hypoxia (O2< 2 ml l-1) decreased the denitrification rates in sediments. Moreover, N was recycled by the dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) process instead of being removed from the water ecosystem. High N removal potentials were found in the anoxic water column in the deep basins of the Baltic Proper. However, the N removal in the water column appeared to be limited by low substrate availability, because the water at the depths at which the substrate producing nitrification process occurred, rarely mix with the water at the depths at which N removal processes were found. Overall, the natural N removal capacity of the northern Baltic Sea decreased compared to values measured in mid 1990s and early 2000. The reason for this appears to be increasing hypoxia.

Mykorritsa fosforin kierrättäjänä

Suomen maatalousmaihin kertynyttä fosforia hyödynnetään tehottomasti, ja samalla muokkauskerroksen suuri fosforimäärä on alttiina huuhtoutumiselle. Arbuskelimykorritsaa (AM) hyödyntämällä on mahdollista tehostaa viljelykasvin fosforinottoa ja kasvua, ja siten vähentää fosforin huuhtoutumista. Tämän tutkielman tavoitteena oli selvittää mykorritsan vaikutus kasvin kasvuun ja fosforinottoon karjanlantalannoituksella mineraalilannoitukseen verrattuna sekä näiden lannoitusten pitkäaikaisvaikutusta AM-sieniyhteisöihin. Jotta lannoituskäytäntöjen vaikutus mykorritsaan voitiin suhteuttaa muihin maan laatutekijöihin, näiden käytäntöjen vaikutus myös satomääriin sekä muihin maan laatumittareihin arvioitiin. Pitkäaikainen kenttäkoe perustettiin kolmelle paikkakunnalle Pohjois-Ruotsissa vuosina 1965–66. Kuusivuotinen viljelykierto koostui joko viisivuotisesta nurmesta ja ohrasta tai ohramonokulttuurista. Lannoituskäsittelyt 32-vuoden ajan olivat suositusten mukainen (NPK) ja edelliseen nähden kaksinkertainen (2NPK) mineraalilannoitus sekä karjanlantalannoitus (KL), jonka ravinnemäärä vastasi NPK -käsittelyä. Kolmen lannoituskäsittelyn vaikutusta mykorritsan tehokkuuteen kasvin kasvun ja fosforiravitsemuksen näkökulmasta tutkittiin astiakokeissa. Mykorritsasieniyhteisöjen toiminnallisten erojen selvittämiseksi tehtiin takaisin- ja ristiinsiirrostuskoe. (5 v-%) steriloitua maanäytettä NPK- ja KL -käsittelyistä siirrostettiin käsittelemättömiin maanäytteisiin, jotka olivat samoista lannoituskäsittelyistä. Mykorritsan positiivinen vaikutus kasvin kasvuun ja fosforiravitsemukseen oli suurin kun käytettiin karjanlantaa. NPK ja 2NPK -käsittelyiden välillä ei havaittu eroja. Takaisin- ja ristiinsiirrostuskokeessa ei ollut tilastollisesti merkitseviä eroja. Nurmi- ja ohrasadot olivat suurimmat kun mineraalilannoitetta annettiin suosituksiin nähden kaksinkertainen määrä. Satomäärät olivat yhtä suuret tai suuremmat kun käytettiin karjanlantaa NPK –lannoituksen sijaan. Karjanlantakäsittely lisäsi maaperän kokonaishiili- ja kokonaistyppipitoisuutta verrattuna NPK -käsittelyyn, joka sisälsi saman määrän ravinteita. Samalla huuhtoutumiselle altis liukoisen fosforin pitoisuus säilyi alhaisella tasolla. Karjanlanta edisti mykorritsan toimintaedellytyksiä, ja siksi mykorritsasta saatua hyötyä fosforinotossa ja kasvuvaikutuksena mineraalilannoitteisiin verrattuna, mutta se ei vaikuttanut mykorritsasieniyhteisön toiminnallisiin ominaisuuksiin. Karjanlantalannoitus paransi mitattuja maan ominaisuuksia kokonaisuudessaan, eikä se vähentänyt satoja.

Veden ja järvisedimenttien laatu Vihtamonjoen valuma-alueella Sotkamossa

The study area, Vihtamonjoki catchment area, is 55 square kilometres and a third of it has been ditched. The largest ditchings have been done in years 1959-1970. The water system in the catchment area builds up of several lake basins, brooks and rivers. This study tries to discover the water quality at present. It also tries to determine the sedimentation rate and the changes on the sediment quality during the past decades. The water samples were collected in August 2003 and in March 2004 from several places in the catchment area. On March 2004 the sediment samples were collected from four lake basins. Organic matter, total phosphorus, iron, manganese, Fe/Mn-ratio, zinc and copper were determined from sediment samples. The water quality was determined by electric conductivity, alkalinity, pH, oxygen content and the content of sodium, potassium, magnesium, calcium, sulphate, chlorine and fluoride. Also the nutrients, nitrate, ammonium and phosphate, were determined. Chemical analyses and loss on ignition analyses showed clear changes in sediment quality in samples taken from 15-25 cm depth, thus showing the time of the ditching. In most cases the forest ditching had caused increase in mineral matter, iron, zinc and copper and decrease in total phosphorus and organic matter. Sedimentation rates vary between 4,1 to 6,7 mm/year in lakes after the forest ditching. Sedimentation rates have probably increased due to the forest ditching. The Fe/Mn-ratio shows that there has been a lack of oxygen in the lakes for some years after the forest ditching. The water quality proved to be normal in the Vihtamonjoki catchment area. Oxygen content in March 2004 pointed to the conclusion that there might be lack of oxygen in winter. Other analysis showed the water quality to be typical for the Kainuu area.