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.

Effect of soil tillage on erosion and nutrient transport in plough layer runoff

Yhteenveto: Viljelymenetelmien vaikutus eroosioon ja ravinteiden huuhtoutumiseen

An application of a physically based SOIL model to the Bowen ratio data

Yhteenveto: Haihdunnan mittaamisesta ja mallintamisesta peltoalueella

Water content variations of sandy soil under winter conditions

Yhteenveto: Maankosteusvaihtelut talvella hiekkamaassa

Hiekkatympösen (Hebeloma cylindrosporum) L-aminohappo-oksidaasi -geenin eristäminen

Pohjoisella havumetsävyöhykkeellä typpi on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä. Metsämaan typpivarannot koostuvat pääasiassa orgaaniseen ainekseen sitoutuneista typpiyhdisteistä, erityisesti aminohapoista. Ektomykorritsasienet osallistuvat metsämaassa tapahtuvaan typenkiertoon hajottamalla orgaanisia typpiyhdisteitä ja kuljettamalla niitä kasvien käytettäväksi. Sienisolun sisällä tapahtuvasta aminohappojen mineralisaatiosta tiedetään toistaiseksi melko vähän. Aminohappo-oksidaasit katalysoivat aminohappojen mineralisaatiota. Eräissä ektomykorritsaa muodostavien kantasienten suvuissa on osoitettu L-aminohappo-oksidaaseja (LAO). Toistaiseksi LAO-geeniä ei tunneta kantasienistä. Työssä kuvattiin ensimmäistä kertaa LAO-geeni kantasienistä. Hiekkatympösen LAO1- geenin cDNA:n 5´ ja 3´ päiden emäsjärjestykset määritettiin RACE-PCR -menetelmällä, josta saatujen sekvenssien perusteella suunniteltiin alukkeet koko geenin cDNA:n ja genomisen DNA:n monistamiseksi. Genomisen DNA ja cDNA -sekvenssien perusteella määritettiin hiekkatympösen LAO1-geenin rakenne. Hiekkatympösen LAO1-geeni koostuu viidestä eksonista ja neljästä intronista. Hiekkatympösen LAO1-geenin yläpuoliselta alueelta löydettiin typpimetabolian säätelyyn osallistuvan proteiinin sitoutumiskohta. LAO1-geeniä edeltävä geenin osittainen genominen DNA-sekvenssi määritettiin. Kangaslohisienen genomissa LAO1-geeniä edeltävä geeni oli ennustettu pyruvaattidekarboksylaasiksi. Lisäksi työssä määritettiin hiekkatympösen toisen LAOhomologin cDNA:n osittainen emäsjärjestys. Työssä tunnistettiin myös toisen kantasienen, kangaslohisienen, LAO-geeni. LAO-geeniksi tunnistettu kangaslohisienen geenimalli oli aiemmin ennustettu NCBI:n tietokannassa toiminnaltaan tuntemattomaksi proteiiniksi. Proteiinien sukupuun perusteella hiekkatympösen ja kangaslohisienen LAO:n kantamuoto on kahdentunut. Työstä saatu tutkimustulos tuo täysin uutta tietoa molekyylibiologian tasolla ektomykorritsasienten aminohappojen katabolisista reaktioista. Aminohappojen mineralisaation seurauksen muodostuneet ammoniumionit saattavat olla merkittävä typen lähde myös maan muille mikrobeille ja kasveille. On mahdollista, että ektomykorritsasienten LAO-entsyymi on yksi merkittävä tekijä metsämaan typenkierrossa.

On the charging state of atmospheric aerosols and ion-induced nucleation

Floating in the air that surrounds us is a number of small particles, invisible to the human eye. The mixture of air and particles, liquid or solid, is called an aerosol. Aerosols have significant effects on air quality, visibility and health, and on the Earth's climate. Their effect on the Earth's climate is the least understood of climatically relevant effects. They can scatter the incoming radiation from the Sun, or they can act as seeds onto which cloud droplets are formed. Aerosol particles are created directly, by human activity or natural reasons such as breaking ocean waves or sandstorms. They can also be created indirectly as vapors or very small particles are emitted into the atmosphere and they combine to form small particles that later grow to reach climatically or health relevant sizes. The mechanisms through which those particles are formed is still under scientific discussion, even though this knowledge is crucial to make air quality or climate predictions, or to understand how aerosols will influence and will be influenced by the climate's feedback loops. One of the proposed mechanisms responsible for new particle formation is ion-induced nucleation. This mechanism is based on the idea that newly formed particles were ultimately formed around an electric charge. The amount of available charges in the atmosphere varies depending on radon concentrations in the soil and in the air, as well as incoming ionizing radiation from outer space. In this thesis, ion-induced nucleation is investigated through long-term measurements in two different environments: in the background site of Hyytiälä and in the urban site that is Helsinki. The main conclusion of this thesis is that ion-induced nucleation generally plays a minor role in new particle formation. The fraction of particles formed varies from day to day and from place to place. The relative importance of ion-induced nucleation, i.e. the fraction of particles formed through ion-induced nucleation, is bigger in cleaner areas where the absolute number of particles formed is smaller. Moreover, ion-induced nucleation contributes to a bigger fraction of particles on warmer days, when the sulfuric acid and water vapor saturation ratios are lower. This analysis will help to understand the feedbacks associated with climate change.

Root system traits of Norway spruce, Scots pine, and silver birch in mixed boreal forests: an analysis of root architecture, morphology, and anatomy

The aim of this thesis was to unravel the functional-structural characteristics of root systems of Betula pendula Roth., Picea abies (L.) Karst., and Pinus sylvestris L. in mixed boreal forest stands differing in their developmental stage and site fertility. The root systems of these species had similar structural regularities: horizontally-oriented shallow roots defined the horizontal area of influence, and within this area, each species placed fine roots in the uppermost soil layers, while sinker roots defined the maximum rooting depth. Large radial spread and high ramification of coarse roots, and the high specific root length (SRL) and root length density (RLD) of fine roots indicated the high belowground competitiveness and root plasticity of B. pendula. Smaller radial root spread and sparser branching of coarse roots, and low SRL and RLD of fine roots of the conifers could indicate their more conservative resource use and high association with and dependence on ectomycorrhiza-forming fungi. The vertical fine root distributions of the species were mostly overlapping, implying the possibility for intense belowground competition for nutrients. In each species, conduits tapered and their frequency increased from distal roots to the stem, from the stem to the branches, and to leaf petioles in B. pendula. Conduit tapering was organ-specific in each species violating the assumptions of the general vascular scaling model (WBE). This reflects the hierarchical organization of a tree and differences between organs in the relative importance of transport, safety, and mechanical demands. The applied root model was capable of depicting the mass, length and spread of coarse roots of B. pendula and P. abies, and to the lesser extent in P. sylvestris. The roots did not follow self-similar fractal branching, because the parameter values varied within the root systems. Model parameters indicate differences in rooting behavior, and therefore different ecophysiological adaptations between species.

Luonnonhoitopellot maatalousympäristön luonnon monimuotoisuuden edistämisessä

Luonnonhoitopellot lisättiin uutena vapaaehtoisena toimenpiteenä maatalouden ympäristötukeen vuonna 2009. Luonnonhoitopeltoihin kuuluvat monivuotiset nurmipellot sekä niitty-, riista- ja maisemakasveilla kylvetyt pellot. Toimenpiteen avulla pyritään suojelemaan ja lisäämään maatalousympäristön luonnon monimuotoisuutta sekä muun muassa vähentämään maatalouden ravinnehuuhtoumia. Vuonna 2010 luonnonhoitopeltoja oli yli seitsemän prosenttia Suomen viljelyalasta. Luonnonhoitopeltojen ympäristövaikutusten arvioiminen ja toimenpiteen kehittäminen on tärkeää, jotta toimenpiteeseen käytettävät varat eivät valu hukkaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millainen merkitys luonnonhoitopelloilla on maatalousympäristön monimuotoisuuden kannalta; millaiset luonnonhoitopellot ovat monimuotoisuuden kannalta arvokkaimpia; ja kuinka toimenpidettä kannattaa kehittää. Kysymyksiin pyrittiin vastaamaan tutkimalla putkilokasvilajistoa, -lajirikkautta ja kasvillisuuden rakennetta erilaisilla luonnonhoitopelloilla, sekä vertaamalla luonnonhoitopeltojen kasvillisuutta pientareiden ja niittyjen kasvillisuuteen. Maastotyö luonnonhoitopelloilla tehtiin kesällä 2010 Uudenmaan ja Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskusalueilla. Lisäksi tutkimuslohkoista kerättiin tietoja viljelijäkyselyn kautta. Niittypellot osoittautuivat tutkimuksessa lajirikkaimmaksi luonnonhoitopeltotyypiksi, mikä selittynee lähinnä sillä, että ne kylvetään heikosti kilpailukykyisellä siemenseoksella. Nurmi- ja niittypelloilla lohkon viljavuus korreloi negatiivisesti lajirikkauden kanssa. Lajikoostumukseltaan kaikki luonnonhoitopellot eroavat toisistaan sekä maatalousympäristön puoliluonnontilaisista elinympäristöistä, ja lisäävät siten monimuotoisuutta maisematasolla. Luonnonhoitopeltojen lajisto ei ole kuitenkaan suojelun kannalta erityisen arvokasta. Toimenpiteen maatalousympäristöä rikastuttavaa vaikutusta vähentää, että tällä hetkellä valtaosa luonnonhoitopelloista on monivuotisia nurmipeltoja. Luonnonhoitopeltojen siemenseoksia kehittämällä, perustamis- ja hoitomenetelmiä tutkimalla ja neuvontaan panostamalla voidaan lisätä luonnonhoitopeltojen arvoa niin luonnon, viljelijän kuin yhteiskunnankin kannalta.

Plant communities of field margins : the effects of management and environmental factors on species composition and diversity

Agri-environmental schemes have so far resulted in only minor positive implications for the biodiversity of agricultural environments, in contrast to what has been expected. Land-use intensification has decreased landscape heterogeneity and the amount of semi-natural habitats. Field margins are uncultivated areas of permanent vegetation located adjacent to fields. Since the number of these habitats is high, investing in their quality may result in more diverse agricultural landscapes. Field margins can be considered as multifunctional habitats providing agronomic, environmental and wildlife services. This thesis aimed at examining the plant communities of different types of field margin habitats and the factors affecting their species diversity and composition. The importance of edaphic, spatial and management factors was studied on regional, landscape and habitat scales. Vegetation surveys were conducted on regional and landscape scales and a field experiment on cutting management was conducted on a habitat scale. In field margin plant communities, species appeared to be indicators of high or intermediate soil fertility and moist soil conditions. The plant species diversity found was rather low, compared with most species-rich agricultural habitats in Finland, such as dry meadows. Among regions, land-use history, main production line, natural species and human induced distribution, climate and edaphic factors were elements inducing differences in species composition. The lowest regional species diversity of field margins was related to intensive and long-term cereal production. Management by cutting and removal or grazing had a positive effect on plant species diversity. The positive effect of cutting and removal on species richness was also dependent on the adjacent source of colonizing species. Therefore, in species-poor habitats and landscapes, establishment of margins with diverse seed mixtures can be recommended for enhancing the development of species richness. However, seed mixtures should include only native species preferably local origin. Management by cutting once a year for 5 years did not result in a decline in dominance of a harmful weed species, Elymus repens, showing that E. repens probably needs cutting more frequently than once per year. Agri-environmental schemes should include long-term contracts with farmers for the establishment, and management by cutting and removal or grazing, of field margins that are several metres wide. In such schemes, the timing and frequency of management should be planned so as not to harm other taxa, such as the insects and birds that are dependent on these habitats. All accidental herbicide drifts to field margins should be avoided when spraying the cultivated area to minimize the negative effects of sprayings on vegetation. The harmful effects of herbicides can be avoided by organic farming methods.

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.

Effect of soil preparation of boreal spruce forest on air and soil temperature conditions in forest regeneration areas.

The effect of scarification, ploughing and cross-directional plouhing on temperature conditions in the soil and adjacent air layer have been studied during 11 consecutive growth periods by using an unprepared clear-cut area as a control site. The maximum and minimum temperatures were measured daily in the summer months, and other temperature observations were made at four-hour intervals by means of a Grant measuring instrument. The development of the seedling stand was also followed in order to determine its shading effect on the soil surface. Soil preparation decreased the daily temperature amplitude of the air at the height of 10 cm. The maximum temperatures on sunny days were lower in the tilts of the ploughed and in the humps of the cross-directional ploughed sites compared with the unprepared area. Correspondingly, the night temperatures were higher and so the soil preparation considerably reduced the risk of night frost. In the soil at the depth of 5 cm, soil preparation increased daytime temperatures and reduced night temperatures compared with unprepared area. The maximum increase in monthly mean temperatures was almost 5 °C, and the daily variation in the surface parts of the tilts and humps increased so that excessively high temperatures for the optimal growth of the root system were measured from time to time. The temperature also rose at the depths of 50 and 100 cm. Soil preparation also increased the cumulative temperature sum. The highest sums accumulated during the summer months were recorded at the depth of 5 cm in the humps of cross-directional ploughed area (1127 dd.) and in the tilts of the ploughed area (1106 dd.), while the corresponding figure in the unprepared soil was 718 dd. At the height of 10 cm the highest temperature sum was 1020 dd. in the hump, the corresponding figure in the unprepared area being 925 dd. The incidence of high temperature amplitudes and percentage of high temperatures at the depth of 5 cm decreased most rapidly in the humps of cross-directional ploughed area and in the ploughing tilts towards the end of the measurement period. The decrease was attributed principally to the compressing of tilts, the ground vegetation succession and the growth of seedlings. The mean summer temperature in the unprepared area was lower than in the prepared area and the difference did not diminish during the period studied. The increase in temperature brought about by soil preparation thus lasts at least more than 10 years.

Analysis of forest soil chemistry and hydrology with a dynamic model ACIDIC.

In this study we analyze how the ion concentrations in forest soil solution are determined by hydrological and biogeochemical processes. A dynamic model ACIDIC was developed, including processes common to dynamic soil acidification models. The model treats up to eight interacting layers and simulates soil hydrology, transpiration, root water and nutrient uptake, cation exchange, dissolution and reactions of Al hydroxides in solution, and the formation of carbonic acid and its dissociation products. It includes also a possibility to a simultaneous use of preferential and matrix flow paths, enabling the throughfall water to enter the deeper soil layers in macropores without first reacting with the upper layers. Three different combinations of routing the throughfall water via macro- and micropores through the soil profile is presented. The large vertical gradient in the observed total charge was simulated succesfully. According to the simulations, gradient is mostly caused by differences in the intensity of water uptake, sulfate adsorption and organic anion retention at the various depths. The temporal variations in Ca and Mg concentrations were simulated fairly well in all soil layers. For H+, Al and K there were much more variation in the observed than in the simulated concentrations. Flow in macropores is a possible explanation for the apparent disequilibrium of the cation exchange for H+ and K, as the solution H+ and K concentrations have great vertical gradients in soil. The amount of exchangeable H+ increased in the O and E horizons and decreased in the Bs1 and Bs2 horizons, the net change in whole soil profile being a decrease. A large part of the decrease of the exchangeable H+ in the illuvial B horizon was caused by sulfate adsorption. The model produces soil water amounts and solution ion concentrations which are comparable to the measured values, and it can be used in both hydrological and chemical studies of soils.