Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa". Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi. Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon. Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä. Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa. Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista. Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Mutations as molecular tools : The metabolic-rate dependent molecular clock and DNA barcoding of allied species

Mutation and recombination are the fundamental processes leading to genetic variation in natural populations. This variation forms the raw material for evolution through natural selection and drift. Therefore, studying mutation rates may reveal information about evolutionary histories as well as phylogenetic interrelationships of organisms. In this thesis two molecular tools, DNA barcoding and the molecular clock were examined. In the first part, the efficiency of mutations to delineate closely related species was tested and the implications for conservation practices were assessed. The second part investigated the proposition that a constant mutation rate exists within invertebrates, in form of a metabolic-rate dependent molecular clock, which can be applied to accurately date speciation events. DNA barcoding aspires to be an efficient technique to not only distinguish between species but also reveal population-level variation solely relying on mutations found on a short stretch of a single gene. In this thesis barcoding was applied to discriminate between Hylochares populations from Russian Karelia and new Hylochares findings from the greater Helsinki region in Finland. Although barcoding failed to delineate the two reproductively isolated groups, their distinct morphological features and differing life-history traits led to their classification as two closely related, although separate species. The lack of genetic differentiation appears to be due to a recent divergence event not yet reflected in the beetles molecular make-up. Thus, the Russian Hylochares was described as a new species. The Finnish species, previously considered as locally extinct, was recognized as endangered. Even if, due to their identical genetic make-up, the populations had been regarded as conspecific, conservation strategies based on prior knowledge from Russia would not have guaranteed the survival of the Finnish beetle. Therefore, new conservation actions based on detailed studies of the biology and life-history of the Finnish Hylochares were conducted to protect this endemic rarity in Finland. The idea behind the strict molecular clock is that mutation rates are constant over evolutionary time and may thus be used to infer species divergence dates. However, one of the most recent theories argues that a strict clock does not tick per unit of time but that it has a constant substitution rate per unit of mass-specific metabolic energy. Therefore, according to this hypothesis, molecular clocks have to be recalibrated taking body size and temperature into account. This thesis tested the temperature effect on mutation rates in equally sized invertebrates. For the first dataset (family Eucnemidae, Coleoptera) the phylogenetic interrelationships and evolutionary history of the genus Arrhipis had to be inferred before the influence of temperature on substitution rates could be studied. Further, a second, larger invertebrate dataset (family Syrphidae, Diptera) was employed. Several methodological approaches, a number of genes and multiple molecular clock models revealed that there was no consistent relationship between temperature and mutation rate for the taxa under study. Thus, the body size effect, observed in vertebrates but controversial for invertebrates, rather than temperature may be the underlying driving force behind the metabolic-rate dependent molecular clock. Therefore, the metabolic-rate dependent molecular clock does not hold for the here studied invertebrate groups. This thesis emphasizes that molecular techniques relying on mutation rates have to be applied with caution. Whereas they may work satisfactorily under certain conditions for specific taxa, they may fail for others. The molecular clock as well as DNA barcoding should incorporate all the information and data available to obtain comprehensive estimations of the existing biodiversity and its evolutionary history.