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.

Meadow plant growth and competition under elevated ozone and carbon dioxide

The main aim of my thesis project was to assess the impact of elevated ozone (O3) and carbon dioxide (CO2) on the growth, competition and community of meadow plants in northern Europe. The thesis project consisted of three separate O3 and CO2 exposure experiments that were conducted as open-top-chamber (OTC) studies at Jokioinen, SW Finland, and a smaller-scale experiment with different availabilities of resources in greenhouses in Helsinki. The OTC experiments included a competition experiment with two- and three-wise interactions, a mesocosm-scale meadow community with a large number of species, and a pot experiment that assessed intraspecific differences of Centaurea jacea ecotypes. The studied lowland hay meadow proved to be an O3-sensitive biotope, as the O3 concentrations used (40-50 ppb) were moderate, and yet, six out of nine species (Campanula rotundifolia, Centaurea jacea, Fragaria vesca, Ranunculus acris, Trifolium medium, Vicia cracca) showed either significant reductions in biomass or reproductive development, visible O3 injury or any two as a response to elevated O3. The plant species and ecotypes exhibited large intra- and interspecific variation in their response to O3, but O3 and CO2 concentrations did not cause changes in their interspecific competition or in community composition. However, the largest O3-induced growth reductions were seen in the least abundant species (C. rotundifolia and F. vesca), which may indicate O3-induced suppression of weak competitors. The overall effects of CO2 were relatively small and mainly restricted to individual species and several measured variables. Based on the present studies, most of the deleterious effects of tropospheric O3 are not diminished by a moderate increase in CO2 under low N availability, and variation exists between different species and variables. The present study indicates that the growth of several herb species decreases with increasing atmospheric O3 concentrations, and that these changes may pose a threat to the biodiversity of meadows. Ozone-induced reductions in the total community biomass production and N pool are likely to have important consequences for the nutrient cycling of the ecosystem.

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.

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.

Charred seeds in Mikkeli Orijärvi : A study of subsistence strategies of an Iron Age settlement in East Finland

In this study the over 350 macrofossil samples, containing over 2300 charred plant remains from an Iron Age settlement containing fossil fields in Mikkeli Orijärvi Kihlinpelto, were studied archaeobotanically. The aim was to get more information about subsistence strategies, especially agriculture and study differences in the plant combinations in the different structures and use the archaeobotanical theory to interpret these structures. The methodological question was to study the taphonomy of the charred plant material. The results gave a diverse impression of the agriculture and subsistence strategies of the settlement in Orijärvi, where barley was the most important cereal with rye, wheat and oat cultivated as minor crops. The arable weed assemblage indicates that the fields were situated in different kinds of soils and the crops were cultivated when different kind of weather conditions were prevailing. Ergot was found with the cereals, and it was growing on some of the arable crops and it also indicates wet climate. Hemp and flax were cultivated and wild plants were collected. The meadow and wetland plants found in the material derive most probably from animal fodder. Tubers of bulbous oat-grass were interesting, because they are usually found in graves. Comparison with other Iron Age settlements and graves indicates that the plant material found from the ancient field layers derives most probably from dwellings and graves, which were taken into cultivation.

Microbiological characterisation of soils : Evaluation of some critical steps in data collection and experimental design

The study of soil microbiota and their activities is central to the understanding of many ecosystem processes such as decomposition and nutrient cycling. The collection of microbiological data from soils generally involves several sequential steps of sampling, pretreatment and laboratory measurements. The reliability of results is dependent on reliable methods in every step. The aim of this thesis was to critically evaluate some central methods and procedures used in soil microbiological studies in order to increase our understanding of the factors that affect the measurement results and to provide guidance and new approaches for the design of experiments. The thesis focuses on four major themes: 1) soil microbiological heterogeneity and sampling, 2) storage of soil samples, 3) DNA extraction from soil, and 4) quantification of specific microbial groups by the most-probable-number (MPN) procedure. Soil heterogeneity and sampling are discussed as a single theme because knowledge on spatial (horizontal and vertical) and temporal variation is crucial when designing sampling procedures. Comparison of adjacent forest, meadow and cropped field plots showed that land use has a strong impact on the degree of horizontal variation of soil enzyme activities and bacterial community structure. However, regardless of the land use, the variation of microbiological characteristics appeared not to have predictable spatial structure at 0.5-10 m. Temporal and soil depth-related patterns were studied in relation to plant growth in cropped soil. The results showed that most enzyme activities and microbial biomass have a clear decreasing trend in the top 40 cm soil profile and a temporal pattern during the growing season. A new procedure for sampling of soil microbiological characteristics based on stratified sampling and pre-characterisation of samples was developed. A practical example demonstrated the potential of the new procedure to reduce the analysis efforts involved in laborious microbiological measurements without loss of precision. The investigation of storage of soil samples revealed that freezing (-20 °C) of small sample aliquots retains the activity of hydrolytic enzymes and the structure of the bacterial community in different soil matrices relatively well whereas air-drying cannot be recommended as a storage method for soil microbiological properties due to large reductions in activity. Freezing below -70 °C was the preferred method of storage for samples with high organic matter content. Comparison of different direct DNA extraction methods showed that the cell lysis treatment has a strong impact on the molecular size of DNA obtained and on the bacterial community structure detected. An improved MPN method for the enumeration of soil naphthalene degraders was introduced as an alternative to more complex MPN protocols or the DNA-based quantification approach. The main advantage of the new method is the simple protocol and the possibility to analyse a large number of samples and replicates simultaneously.