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.

Understanding solid-state transformations during dehydration: new insights using vibrational spectroscopy and multivariate modelling

Many active pharmaceutical ingredients (APIs) have both anhydrate and hydrate forms. Due to the different physicochemical properties of solid forms, the changes in solid-state may result in therapeutic, pharmaceutical, legal and commercial problems. In order to obtain good solid dosage form quality and performance, there is a constant need to understand and control these phase transitions during manufacturing and storage. Thus it is important to detect and also quantify the possible transitions between the different forms. In recent years, vibrational spectroscopy has become an increasingly popular tool to characterise the solid-state forms and their phase transitions. It offers several advantages over other characterisation techniques including an ability to obtain molecular level information, minimal sample preparation, and the possibility of monitoring changes non-destructively in-line. Dehydration is the phase transition of hydrates which is frequently encountered during the dosage form production and storage. The aim of the present thesis was to investigate the dehydration behaviour of diverse pharmaceutical hydrates by near infrared (NIR), Raman and terahertz pulsed spectroscopic (TPS) monitoring together with multivariate data analysis. The goal was to reveal new perspectives for investigation of the dehydration at the molecular level. Solid-state transformations were monitored during dehydration of diverse hydrates on hot-stage. The results obtained from qualitative experiments were used to develop a method and perform the quantification of the solid-state forms during process induced dehydration in a fluidised bed dryer. Both in situ and in-line process monitoring and quantification was performed. This thesis demonstrated the utility of vibrational spectroscopy techniques and multivariate modelling to monitor and investigate dehydration behaviour in situ and during fluidised bed drying. All three spectroscopic methods proved complementary in the study of dehydration. NIR spectroscopy models could quantify the solid-state forms in the binary system, but were unable to quantify all the forms in the quaternary system. Raman spectroscopy models on the other hand could quantify all four solid-state forms that appeared upon isothermal dehydration. The speed of spectroscopic methods makes them applicable for monitoring dehydration and the quantification of multiple forms was performed during phase transition. Thus the solid-state structure information at the molecular level was directly obtained. TPS detected the intermolecular phonon modes and Raman spectroscopy detected mostly the changes in intramolecular vibrations. Both techniques revealed information about the crystal structure changes. NIR spectroscopy, on the other hand was more sensitive to water content and hydrogen bonding environment of water molecules. This study provides a basis for real time process monitoring using vibrational spectroscopy during pharmaceutical manufacturing.