Burnt area mapping in insular Southeast Asia using medium resolution satellite imagery

Burnt area mapping in humid tropical insular Southeast Asia using medium resolution (250-500m) satellite imagery is characterized by persisting cloud cover, wide range of land cover types, vast amount of wetland areas and highly varying fire regimes. The objective of this study was to deepen understanding of three major aspects affecting the implementation and limits of medium resolution burnt area mapping in insular Southeast Asia: 1) fire-induced spectral changes, 2) most suitable multitemporal compositing methods and 3) burn scars patterns and size distribution. The results revealed a high variation in fire-induced spectral changes depending on the pre-fire greenness of burnt area. It was concluded that this variation needs to be taken into account in change detection based burnt area mapping algorithms in order to maximize the potential of medium resolution satellite data. Minimum near infrared (MODIS band 2, 0.86μm) compositing method was found to be the most suitable for burnt area mapping purposes using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data. In general, medium resolution burnt area mapping was found to be usable in the wetlands of insular Southeast Asia, whereas in other areas the usability was seriously jeopardized by the small size of burn scars. The suitability of medium resolution data for burnt area mapping in wetlands is important since recently Southeast Asian wetlands have become a major point of interest in many fields of science due to yearly occurring wild fires that not only degrade these unique ecosystems but also create regional haze problem and release globally significant amounts of carbon into the atmosphere due to burning peat. Finally, super-resolution MODIS images were tested but the test failed to improve the detection of small scars. Therefore, super-resolution technique was not considered to be applicable to regional level burnt area mapping in insular Southeast Asia.

Archaea, Bacteria, and methane production along environmental gradients in fens and bogs

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa. Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä. Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin.

Impacts of agriculture on amphibians at multiple scales

Agriculture-mediated habitat loss and degradation together with climate change are among the greatest global threats to species, communities, and ecosystem functioning. During the last century, more than 50% of the world's wetlands have been lost and agricultural activities have subjected wetland species to increased isolation and decreased quality of habitats. Likewise, as a part of agricultural intensification, the use of pesticides has increased notably, and pesticide residues occur frequently in wetlands making the exposure of wetland organisms to pesticides highly probable. In this thesis, a set of ecotoxicological and landscape ecological studies were carried out to investigate pesticide-effects on tadpoles, and species-habitat relationships of amphibians in agricultural landscapes. The results show that the fitness of R. temporaria tadpoles can be negatively affected by sublethal pesticide concentrations, and that pesticides may increase the costs of response to natural environmental stressors. However, tadpoles may also be able to compensate for some of the negative effects of pesticides. The results further demonstrate that both historic and current-day agricultural land use can negatively impact amphibians, but that in some cases the costs of living in agricultural habitats may only become apparent when amphibians face other environmental stressors, such as drought. Habitat heterogeneity may, however, increase the persistence of amphibians in agricultural landscapes. Hence, the results suggest that amphibians are likely to be affected by agricultural processes that operate at several spatial and temporal scales, and that it is probable that various processes related to current-day agriculture will affect both larval and adult amphibians. The results imply that maintaining dense wetland patterns could enhance persistence of amphibian populations in agricultural habitats, and indicate that heterogeneous landscapes may lower the risk of regional amphibian population declines under extreme weather perturbations.

Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille

Maatalouden ympäristötukiohjelmalla pyritään vähentämään maatalouden ravinnekuormitusta, sillä valtaosa fosforin hajakuormituksesta on peräisin maataloudesta. Maataloudesta peräisin olevan fosforin rehevöittävää vaikutusta vesistöissä voidaan pyrkiä vähentämään kosteikoilla, joiden päätarkoituksena on saada valumaveden mukana erodoitunut maa-aines sedimentoitumaan kosteikon pohjalle. Kosteikkojen toimivuudesta ja vesiensuojelun merkityksestä on kuitenkin Suomessa tehdyissä tutkimuksissa saatu ristiriitaisia tuloksia. Tämän työn tavoitteena on selvittää maa-analyysien avulla, mitä valuma-alueelta erodoitunut fosforille tapahtuu kosteikon sedimentissä ja kuinka hyvin sedimentoitunut aines soveltuu kasvualustaksi kasvintuotannossa. Valuma-alueen maanäytteitä ja kosteikon sedimenttinäytteitä vertailemalla havaittiin kosteikossa tapahtuvan erodoituneen maa-aineksen lajittumista. Kosteikosta otetussa sedimenttinäytteessä oli 48 % enemmän savesta kuin valumapellon muokkauskerroksen maanäytteissä. Lisäksi havaittiin, että savespitoisuuden lisääntyminen lisäsi sedimentin reaktiivista pinta-alaa, koska sedimentissä oli 45 % enemmän alumiini- ja rautahydroksideja kuin valuma-alueelta otetuissa maanäytteissä. Hydroksidien runsauden takia fosforin sorptiokapasiteetti oli sedimentissä 52 % suurepi kuin valuma-alueelta otetuissa näytteissä. Sedimenttinäytteiden fosforin sorptiokyllästysaste oli kuitenkin samansuuruinen verrattuna valuma-alueelta otettuihin näytteisiin, sillä hapettuneessa sedimentissä oli 50 % enemmän alumiini- ja rautahydroksidien sitomaa fosforia. Näytteenottohetkellä sedimentti oli pelkistyneessä tilassa, jolloin sen vesiuuttoisen fosforin määrä oli huomattavasti suurempi kuin hapettuneessa sedimentissä. Vastaavasti sedimentin hapettuessa fosforin sorptiokyky kasvoi huomattavasti, sillä pelkistyneestä sedimentistä desorboitui fosforia kosteikon veteen. Tämä havaittiin myös astiakokeessa, sillä sedimentissä kasvanut raiheinä kärsi voimakkaasta fosforin puutoksesta niillä lannoitustasoilla, joilla valuma-alueen maanäytteessä kasvaneella raiheinällä ei silmämääräisesti havaittu esiintyvän puutosoireita. Sedimentin toiselle sadolle annetulla kolminkertaisella fosforin lisälannoituksella saavutettiin samansuuruiset sadon kuiva-ainemäärät, fosforipitoisuudet ja fosforin otot kuin valuma-alueen maanäytteissä kasvaneella ensimmäisellä sadolla oli. Astiakokeen tulosten perusteella pelkistyneessä tilassa ollut sedimentti soveltuu heikosti kasvintuotannon kasvualustaksi suuren fosforisorptiokykynsä ansiosta. Parhaiten sedimentti soveltuisi runsaasti helppoliukoista fosforia sisältäville alueille, kuten karjan jalottelutarhan pohjamateriaaliksi, vähentämään ympäristöön kohdistuvaa fosforikuormitusta.

Sensitivity of wetland methane emissions to model assumptions: application and model testing against site observations

Abstract. Methane emissions from natural wetlands and rice paddies constitute a large proportion of atmospheric methane, but the magnitude and year-to-year variation of these methane sources is still unpredictable. Here we describe and evaluate the integration of a methane biogeochemical model (CLM4Me; Riley et al., 2011) into the Community Land Model 4.0 (CLM4CN) in order to better explain spatial and temporal variations in methane emissions. We test new functions for soil pH and redox potential that impact microbial methane production in soils. We also constrain aerenchyma in plants in always-inundated areas in order to better represent wetland vegetation. Satellite inundated fraction is explicitly prescribed in the model because there are large differences between simulated fractional inundation and satellite observations. A rice paddy module is also incorporated into the model, where the fraction of land used for rice production is explicitly prescribed. The model is evaluated at the site level with vegetation cover and water table prescribed from measurements. Explicit site level evaluations of simulated methane emissions are quite different than evaluating the grid cell averaged emissions against available measurements. Using a baseline set of parameter values, our model-estimated average global wetland emissions for the period 1993–2004 were 256 Tg CH4 yr−1, and rice paddy emissions in the year 2000 were 42 Tg CH4 yr−1. Tropical wetlands contributed 201 Tg CH4 yr−1, or 78 % of the global wetland flux. Northern latitude (>50 N) systems contributed 12 Tg CH4 yr−1. We expect this latter number may be an underestimate due to the low high-latitude inundated area captured by satellites and unrealistically low high-latitude productivity and soil carbon predicted by CLM4. Sensitivity analysis showed a large range (150–346 Tg CH4 yr−1) in predicted global methane emissions. The large range was sensitive to: (1) the amount of methane transported through aerenchyma, (2) soil pH (± 100 Tg CH4 yr−1), and (3) redox inhibition (± 45 Tg CH4 yr−1).

The decline of malaria in Finland – the impact of the vector and social variables

Background: Malaria was prevalent in Finland in the 18th century. It declined slowly without deliberate counter-measures and the last indigenous case was reported in 1954. In the present analysis of indigenous malaria in Finland, an effort was made to construct a data set on annual malaria cases of maximum temporal length to be able to evaluate the significance of different factors assumed to affect malaria trends. Methods: To analyse the long-term trend malaria statistics were collected from 1750–2008. During that time, malaria frequency decreased from about 20,000 – 50,000 per 1,000,000 people to less than 1 per 1,000,000 people. To assess the cause of the decline, a correlation analysis was performed between malaria frequency per million people and temperature data, animal husbandry, consolidation of land by redistribution and household size. Results: Anopheles messeae and Anopheles beklemishevi exist only as larvae in June and most of July. The females seek an overwintering place in August. Those that overwinter together with humans may act as vectors. They have to stay in their overwintering place from September to May because of the cold climate. The temperatures between June and July determine the number of malaria cases during the following transmission season. This did not, however, have an impact on the longterm trend of malaria. The change in animal husbandry and reclamation of wetlands may also be excluded as a possible cause for the decline of malaria. The long-term social changes, such as land consolidation and decreasing household size, showed a strong correlation with the decline of Plasmodium. Conclusion: The indigenous malaria in Finland faded out evenly in the whole country during 200 years with limited or no counter-measures or medication. It appears that malaria in Finland was basically a social disease and that malaria trends were strongly linked to changes in human behaviour. Decreasing household size caused fewer interactions between families and accordingly decreasing recolonization possibilities for Plasmodium. The permanent drop of the household size was the precondition for a permanent eradication of malaria.