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.

Effects of management and landscape structure on biodiversity in boreal agricultural farmland

Intensified agricultural practises introduced after the Second World War are identified as a major cause of global biodiversity declines. In several European countries agri-environment support schemes have been introduced to counteract the ongoing biodiversity declines. Farmers participating in agri-environment schemes are financially compensated for decreasing the intensity of farming practises leading to smaller yields and lower income. The Finnish agri-environment support scheme is composed of a set of measures, such as widened field margins along main ditches (obligatory measure), management of features increasing landscape diversity, management of semi-natural grasslands, and organic farming (special agreement measures). The magnitude of the benefits for biodiversity depends on landscape context and the properties of individual schemes. In this thesis I studied whether one agri-environment scheme, organic farming, is beneficial for species diversity and abundance of diurnal lepidopterans, bumblebees, carabid beetles and arable weeds. I found that organic farming did not enhance species richness of selected insect taxa, although bumblebee species richness tended to be higher in organic farms. Abundance of lepidopterans and bumblebees was not enhanced by organic farming, but carabid beetle abundance was higher in mixed farms with both cereal crop production and animal husbandry. Both species richness and abundance of arable weeds were higher in organic farms. My second objective was to study how landscape structure shapes farmland butterfly communities. I found that the percentage of habitat specialists and species with poor dispersal abilities in butterfly assemblages decreased with increasing arable field cover, leading to a dramatic decrease in butterfly beta diversity. In field boundaries local species richness of butterflies was linearly related to landscape species richness in geographic regions with high arable field cover, indicating that butterfly species richness in field boundaries is more limited by landscape factors than local habitat factors. In study landscapes containing semi-natural grasslands the relationship decelerated at high landscape species richness, suggesting that local species richness of butterflies in field boundaries is limited by habitat factors (demanding habitat specialists that occurred in semi-natural grasslands were absent in field margins). My results suggest that management options in field margins will affect mainly generalists, and species with good dispersal abilities, in landscapes with high arable field cover. Habitat specialists and species with poor dispersal abilities may benefit of management options if these are applied in the vicinity of source populations.

Regeneration ecology and woody species diversity in the remnant natural forest at Wondo Genet, Ethiopia – Potential for landscape restoration

Regeneration ecology, diversity of native woody species and its potential for landscape restoration was studied in the remnant natural forest at the College of Forestry and Natural Resources at Wondo Genet, Ethiopia. The type of forest is Afromontane rainforest , with many valuable tree species like Aningeria adolfi-friederici, and it is an important provider of ecological, social and economical services for the population that lives in this area. The study contains two parts, natural regeneration studies (at the natural forest) and interviews with farmers in the nearby village of the remnant patch. The objective of the first part was to investigate the floristic composition, densitiy and regeneration profiles of native woody species in the forest, paying special attention to woody species that are considered the most relevant (socio-economic). The second part provided information on woody species preferred by the farmers and on multiple uses of the adjacent natural forest, it also provided information and analysed perceptions on forest degradation. Systematic plot sampling was used in the forest inventory. Twenty square plots of 20 x 20 m were assessed, with 38 identified woody species (the total number of species was 45), representing 26 families. Of these species 61% were trees, 13% shrubs, 11% lianas and 16% species that could have both life forms. An analysis of natural regeneration of five important tree species in the natural forest showed that Aningeria adolfi-friederici had the best regeneration results. An analysis of population structure (as determined by height classes) of two commercially important woody species in the forest, Aningeria adolfi-friederici and Podocarpus falcatus, showed a marked difference: Aningeria had a typical “reversed J” frequency distribution, while Podocarpus showed very low values in all height classes. Multi dimensional scaling (MDS) was used to map the sample plots according to their similarity in species composition, using the Sørensen quantitative index, coupled with indicator species analysis .Three groups were identified with respective indicator species: Group 1 – Adhatoda schimperiana, Group 2 – Olea hochstetteri , Group 3 – Acacia senegal and Aningeria adolfi-friederici. Thirty questionnaire interviews were conducted with farmers in the village of Gotu Onoma that use the nearby remant forest patch. Their tree preferences were exotic species such as Eucalyptus globulus for construction and fuelwood and Grevillea robusta for shade and fertility. Considering forest land degradation farmers were aware of the problem and suggested that the governmental institutions address the problem by planting more Eucalyptus globulus. The natural forest seemed to have moderate levels of disturbance and it was still floristically diverse. However, the low rate of natural regeneration of Podocarpus falcatus suggested that this species is threatened and must be a priority in conservation actions. Plantations and agroforestry seem to be possible solutions for rehabilitation of the surrounding degraded lands, thereby decreasing the existent pressure in the remnant natural forest.

Spatial ecology of food webs : herbivore-parasitoid communities on the pedunculate oak

Herbivorous insects, their host plants and natural enemies form the largest and most species-rich communities on earth. But what forces structure such communities? Do they represent random collections of species, or are they assembled by given rules? To address these questions, food webs offer excellent tools. As a result of their versatile information content, such webs have become the focus of intensive research over the last few decades. In this thesis, I study herbivore-parasitoid food webs from a new perspective: I construct multiple, quantitative food webs in a spatially explicit setting, at two different scales. Focusing on food webs consisting of specialist herbivores and their natural enemies on the pedunculate oak, Quercus robur, I examine consistency in food web structure across space and time, and how landscape context affects this structure. As an important methodological development, I use DNA barcoding to resolve potential cryptic species in the food webs, and to examine their effect on food web structure. I find that DNA barcoding changes our perception of species identity for as many as a third of the individuals, by reducing misidentifications and by resolving several cryptic species. In terms of the variation detected in food web structure, I find surprising consistency in both space and time. From a spatial perspective, landscape context leaves no detectable imprint on food web structure, while species richness declines significantly with decreasing connectivity. From a temporal perspective, food web structure remains predictable from year to year, despite considerable species turnover in local communities. The rate of such turnover varies between guilds and species within guilds. The factors best explaining these observations are abundant and common species, which have a quantitatively dominant imprint on overall structure, and suffer the lowest turnover. By contrast, rare species with little impact on food web structure exhibit the highest turnover rates. These patterns reveal important limitations of modern metrics of quantitative food web structure. While they accurately describe the overall topology of the web and its most significant interactions, they are disproportionately affected by species with given traits, and insensitive to the specific identity of species. As rare species have been shown to be important for food web stability, metrics depicting quantitative food web structure should then not be used as the sole descriptors of communities in a changing world. To detect and resolve the versatile imprint of global environmental change, one should rather use these metrics as one tool among several.

Alikasvoksen mittaus ja kartoitus laserkeilauksella

Tasaikäisen metsän alle muodostuvilla alikasvoksilla on merkitystä puunkorjuun, metsänuudistamisen, näkemä-ja maisema-analyysien sekä biodiversiteetin ja hiilitaseen arvioinnin kannalta. Ilma-aluksista tehtävä laserkeilaus on osoittautunut tehokkaaksi kaukokartoitusmenetelmäksi varttuneiden puustojen mittauksessa. Laserkeilauksen käyttöönotto operatiivisessa metsäsuunnittelussa mahdollistaa aiempaa tarkemman tiedon tuottamisen alikasvoksista, mikäli alikasvoksen ominaisuuksia voidaan tulkita laseraineistoista. Tässä työssä käytettiin tarkasti mitattuja maastokoealoja ja kaikulaserkeilausaineistoja (discrete return LiDAR) usealta vuodelta (1–2 km lentokorkeus, 0,9–9,7 pulssia m-2). Laserkeilausaineistot oli hankittu Optech ALTM3100 ja Leica ALS50-II sensoreilla. Koealat edustavat suomalaisia tasaikäisiä männiköitä eri kehitysvaiheissa. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Minkälainen on alikasvoksesta saatu lasersignaali yksittäisen pulssin tasolla ja mitkä tekijät signaaliin vaikuttavat? 2) Mikä on käytännön sovelluksissa hyödynnettävien aluepohjaisten laserpiirteiden selitysvoima alikasvospuuston ominaisuuksien ennustamisessa? Erityisesti haluttiin selvittää, miten laserpulssin energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin vaikuttavat saatuun signaaliin, ja voidaanko laserkaikujen intensiteetille tehdä energiahäviöiden korjaus. Puulajien väliset erot laserkaiun intensiteetissä olivat pieniä ja vaihtelivat keilauksesta toiseen. Intensiteetin käyttömahdollisuudet alikasvoksen puulajin tulkinnassa ovat siten hyvin rajoittuneet. Energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin aiheuttivat alikasvoksesta saatuun lasersignaaliin kohinaa. Energiahäviöiden korjaus tehtiin alikasvoksesta saaduille laserpulssin 2. ja 3. kaiuille. Korjauksen avulla pystyttiin pienentämään kohteen sisäistä intensiteetin hajontaa ja parantamaan kohteiden luokittelutarkkuutta alikasvoskerroksessa. Käytettäessä 2. kaikuja oikeinluokitusprosentti luokituksessa maan ja yleisimmän puulajin välillä oli ennen korjausta 49,2–54,9 % ja korjauksen jälkeen 57,3–62,0 %. Vastaavat kappa-arvot olivat 0,03–0,13 ja 0,10–0,22. Tärkein energiahäviöitä selittävä tekijä oli pulssista saatujen aikaisempien kaikujen intensiteetti, mutta hieman merkitystä oli myös pulssin leikkausgeometrialla ylemmän latvuskerroksen puiden kanssa. Myös 3. kaiuilla luokitustarkkuus parani. Puulajien välillä havaittiin eroja siinä, kuinka herkästi ne tuottavat kaiun laserpulssin osuessa puuhun. Kuusi tuotti kaiun suuremmalla todennäköisyydellä kuin lehtipuut. Erityisen selvä tämä ero oli pulsseilla, joissa oli energiahäviöitä. Laserkaikujen korkeusjakaumapiirteet voivat siten olla riippuvaisia puulajista. Sensorien välillä havaittiin selviä eroja intensiteettijakaumissa, mikä vaikeuttaa eri sensoreilla hankittujen aineistojen yhdistämistä. Myös kaiun todennäköisyydet erosivat jonkin verran sensorien välillä, mikä aiheutti pieniä eroavaisuuksia kaikujen korkeusjakaumiin. Aluepohjaisista laserpiirteistä löydettiin alikasvoksen runkolukua ja keskipituutta hyvin selittäviä piirteitä, kun rajoitettiin tarkastelu yli 1 m pituisiin puihin. Piirteiden selitysvoima oli parempi runkoluvulle kuin keskipituudelle. Selitysvoima ei merkittävästi alentunut pulssitiheyden pienentyessä, mikä on hyvä asia käytännön sovelluksia ajatellen. Lehtipuun osuutta ei pystytty selittämään. Tulosten perusteella kaikulaserkeilausta voi olla mahdollista hyödyntää esimerkiksi ennakkoraivaustarpeen arvioinnissa. Sen sijaan alikasvoksen tarkempi luokittelu (esim. puulajitulkinta) voi olla vaikeaa. Kaikkein pienimpiä alikasvospuita ei pystytä havaitsemaan. Lisää tutkimuksia tarvitaan tulosten yleistämiseksi erilaisiin metsiköihin.