Canopy processes, fluxes and microclimate in a pine forest

Interaction between forests and the atmosphere occurs by radiative and turbulent transport. The fluxes of energy and mass between surface and the atmosphere directly influence the properties of the lower atmosphere and in longer time scales the global climate. Boreal forest ecosystems are central in the global climate system, and its responses to human activities, because they are significant sources and sinks of greenhouse gases and of aerosol particles. The aim of the present work was to improve our understanding on the existing interplay between biologically active canopy, microenvironment and turbulent flow and quantify. In specific, the aim was to quantify the contribution of different canopy layers to whole forest fluxes. For this purpose, long-term micrometeorological and ecological measurements made in a Scots pine (Pinus sylvestris) forest at SMEAR II research station in Southern Finland were used. The properties of turbulent flow are strongly modified by the interaction between the canopy elements: momentum is efficiently absorbed in the upper layers of the canopy, mean wind speed and turbulence intensities decrease rapidly towards the forest floor and power spectra is modulated by spectral short-cut . In the relative open forest, diabatic stability above the canopy explained much of the changes in velocity statistics within the canopy except in strongly stable stratification. Large eddies, ranging from tens to hundred meters in size, were responsible for the major fraction of turbulent transport between a forest and the atmosphere. Because of this, the eddy-covariance (EC) method proved to be successful for measuring energy and mass exchange inside a forest canopy with exception of strongly stable conditions. Vertical variations of within canopy microclimate, light attenuation in particular, affect strongly the assimilation and transpiration rates. According to model simulations, assimilation rate decreases with height more rapidly than stomatal conductance (gs) and transpiration and, consequently, the vertical source-sink distributions for carbon dioxide (CO2) and water vapor (H2O) diverge. Upscaling from a shoot scale to canopy scale was found to be sensitive to chosen stomatal control description. The upscaled canopy level CO2 fluxes can vary as much as 15 % and H2O fluxes 30 % even if the gs models are calibrated against same leaf-level dataset. A pine forest has distinct overstory and understory layers, which both contribute significantly to canopy scale fluxes. The forest floor vegetation and soil accounted between 18 and 25 % of evapotranspiration and between 10 and 20 % of sensible heat exchange. Forest floor was also an important deposition surface for aerosol particles; between 10 and 35 % of dry deposition of particles within size range 10 30 nm occurred there. Because of the northern latitudes, seasonal cycle of climatic factors strongly influence the surface fluxes. Besides the seasonal constraints, partitioning of available energy to sensible and latent heat depends, through stomatal control, on the physiological state of the vegetation. In spring, available energy is consumed mainly as sensible heat and latent heat flux peaked about two months later, in July August. On the other hand, annual evapotranspiration remains rather stable over range of environmental conditions and thus any increase of accumulated radiation affects primarily the sensible heat exchange. Finally, autumn temperature had strong effect on ecosystem respiration but its influence on photosynthetic CO2 uptake was restricted by low radiation levels. Therefore, the projected autumn warming in the coming decades will presumably reduce the positive effects of earlier spring recovery in terms of carbon uptake potential of boreal forests.

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.