Application of an ecological simulation model to Lake Päijänne

Tiivistelmä: Simulointimallin soveltaminen Pohjois-Päijänteellä

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 the organic chain : The framework of the interaction between the actors in organic chains in relation to ecological modernisation of food production

The sustainability of food production has increasingly attracted the attention of consumers, farmers, food and retailing companies, and politicians. One manifestation of such attention is the growing interest in organic foods. Organic agriculture has the potential to enhance the ecological modernisation of food production by implementing the organic method as a preventative innovation that simultaneously produces environmental and economic benefits. However, in addition to the challenges to organic farming, the small market share of organic products in many countries today and Finland in particular risks undermining the achievement of such benefits. The problems identified as hindrances to the increased consumption of organic food are the poor availability, limited variety and high prices of organic products, the complicated buying decisions and the difficulties in delivering the intangible value of organic foods. Small volumes and sporadic markets, high costs, lack of market information, as well as poor supply reliability are obstacles to increasing the volume of organic production and processing. These problems shift the focus from a single actor to the entire supply chain and require solutions that involve more interaction among the actors within the organic chain. As an entity, the organic food chain has received very little scholarly attention. Researchers have mainly approached the organic chain from the perspective of a single actor, or they have described its structure rather than the interaction between the actors. Consequently, interaction among the primary actors in organic chains, i.e. farmers, manufacturers, retailers and consumers, has largely gone unexamined. The purpose of this study is to shed light on the interaction of the primary actors within a whole organic chain in relation to the ecological modernisation of food production. This information is organised into a conceptual framework to help illuminate this complex field. This thesis integrates the theories and concepts of three approaches: food system studies, supply chain management and ecological modernisation. Through a case study, a conceptual system framework will be developed and applied to a real life-situation. The thesis is supported by research published in four articles. All examine the same organic chains through case studies, but each approaches the problem from a different, complementary perspective. The findings indicated that regardless of the coherent values emphasising responsibility, the organic chains were loosely integrated to operate as a system. The focus was on product flow, leaving other aspects of value creation largely aside. Communication with consumers was rare, and none of the actors had taken a leading role in enhancing the market for organic products. Such a situation presents unsuitable conditions for ecological modernisation of food production through organic food and calls for contributions from stakeholders other than those directly involved in the product chain. The findings inspired a revision of the original conceptual framework. The revised framework, the three-layer framework , distinguishes the different layers of interaction. By gradually enlarging the chain orientation the different but interrelated layers become visible. A framework is thus provided for further research and for understanding practical implications of the performance of organic food chains. The revised framework provides both an ideal model for organic chains in relation to ecological modernisation and demonstrates a situation consistent with the empirical evidence.

Modeling ecological and evolutionary processes in spatially structured populations

Many species inhabit fragmented landscapes, resulting either from anthropogenic or from natural processes. The ecological and evolutionary dynamics of spatially structured populations are affected by a complex interplay between endogenous and exogenous factors. The metapopulation approach, simplifying the landscape to a discrete set of patches of breeding habitat surrounded by unsuitable matrix, has become a widely applied paradigm for the study of species inhabiting highly fragmented landscapes. In this thesis, I focus on the construction of biologically realistic models and their parameterization with empirical data, with the general objective of understanding how the interactions between individuals and their spatially structured environment affect ecological and evolutionary processes in fragmented landscapes. I study two hierarchically structured model systems, which are the Glanville fritillary butterfly in the Åland Islands, and a system of two interacting aphid species in the Tvärminne archipelago, both being located in South-Western Finland. The interesting and challenging feature of both study systems is that the population dynamics occur over multiple spatial scales that are linked by various processes. My main emphasis is in the development of mathematical and statistical methodologies. For the Glanville fritillary case study, I first build a Bayesian framework for the estimation of death rates and capture probabilities from mark-recapture data, with the novelty of accounting for variation among individuals in capture probabilities and survival. I then characterize the dispersal phase of the butterflies by deriving a mathematical approximation of a diffusion-based movement model applied to a network of patches. I use the movement model as a building block to construct an individual-based evolutionary model for the Glanville fritillary butterfly metapopulation. I parameterize the evolutionary model using a pattern-oriented approach, and use it to study how the landscape structure affects the evolution of dispersal. For the aphid case study, I develop a Bayesian model of hierarchical multi-scale metapopulation dynamics, where the observed extinction and colonization rates are decomposed into intrinsic rates operating specifically at each spatial scale. In summary, I show how analytical approaches, hierarchical Bayesian methods and individual-based simulations can be used individually or in combination to tackle complex problems from many different viewpoints. In particular, hierarchical Bayesian methods provide a useful tool for decomposing ecological complexity into more tractable components.