Below-ground processes in meadow soil under elevated ozone and carbon dioxide : - Greenhouse gas fluxes, N cycling and microbial communities

This thesis focuses on how elevated CO2 and/or O3 affect the below-ground processes in semi-natural vegetation, with an emphasis on greenhouse gases, N cycling and microbial communities. Meadow mesocosms mimicking lowland hay meadows in Jokioinen, SW Finland, were enclosed in open-top chambers and exposed to ambient and elevated levels of O3 (40-50 ppb) and/or CO2 (+100 ppm) for three consecutive growing season, while chamberless plots were used as chamber controls. Chemical and microbiological analyses as well as laboratory incubations of the mesocosm soils under different treatments were used to study the effects of O3 and/or CO2. Artificially constructed mesocosms were also compared with natural meadows with regards to GHG fluxes and soil characteristics. In addition to research conducted at the ecosystem level (i.e. the mesocosm study), soil microbial communities were also examined in a pot experiment with monocultures of individual species. By comparing mesocosms with similar natural plant assemblage, it was possible to demonstrate that artificial mesocosms simulated natural habitats, even though some differences were found in the CH4 oxidation rate, soil mineral N, and total C and N concentrations in the soil. After three growing seasons of fumigations, the fluxes of N2O, CH4, and CO2 were decreased in the NF+O3 treatment, and the soil NH4+-N and mineral N concentrations were lower in the NF+O3 treatment than in the NF control treatment. The mesocosm soil microbial communities were affected negatively by the NF+O3 treatment, as the total, bacterial, actinobacterial, and fungal PLFA biomasses as well as the fungal:bacterial biomass ratio decreased under elevated O3. In the pot survey, O3 decreased the total, bacterial, actinobacterial, and mycorrhizal PLFA biomasses in the bulk soil and affected the microbial community structure in the rhizosphere of L. pratensis, whereas the bulk soil and rhizosphere of the other monoculture, A. capillaris, remained unaffected by O3. Elevated CO2 caused only minor and insignificant changes in the GHG fluxes, N cycling, and the microbial community structure. In the present study, the below-ground processes were modified after three years of moderate O3 enhancement. A tentative conclusion is that a decrease in N availability may have feedback effects on plant growth and competition and affect the N cycling of the whole meadow ecosystem. Ecosystem level changes occur slowly, and multiplication of the responses might be expected in the long run.

Productive coexistence and gain in agroforestry systems.

Productive coexistence and coexistence gain of populations were studied using nine years' data from field experiments of Taxodium ascendens-intercrop systems in Lixiahe, Jiangsu Province, China. A theoretical framework for productive coexistence in agroforestry was developed. Interaction patterns between trees and intercrops were presented within this framework. A model framework was developed to describe the coexistence gain and interaction of populations in T. ascendens-intercrop systems. Facilitation and resource sharing were identified as main contribution to the advantage of species combination in agroforestry. The model of population interaction developed in the present study was accepted for describing the interaction of populations in T. ascendens-intercrop systems, because it explained a high proportion of the variance of experimental data and fitted well the observations in most intercropping types. The model developed in the present study provides flexibility for describing different patterns of intra- and inter-specific interactions. Model coefficients were applied to the determination of the ecological compatibility of species. Managed T. ascendens-intercrop systems were advantageous as compared to a monoculture of trees or arable crops. In T. ascendens stands up to the age of three, arable crops contributed about 50-80 % of the total biomass yield of agroforestry. The diameter or height growth of T. ascendens was not significantly influenced by intercrops, indicating that intercropping under trees produced extra yields but did not depress the tree growth. When the trees were young (during the first three years), T. ascendens did not depress the crop yields, and a land equivalent ratio greater than unity was obtained together with a high yield of both components. The diameter and height of the trees were similar in four spacing configurations with an equal number of trees per hectare up to the age of eight, but wider between-rows open range were beneficial for the intercrops. The relationship between open-ranges and species coexistence was also analysed and the distribution of soil nutrients studied.

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.