Helsingin metropolialueen maisemaekologiset muutokset vuosina 1955-2009

Landscape is shaped by natural environment and increasingly by human activity. In landscape ecology, the concept of landscape can be defined as a kilometre-scale mosaic formed by different land-use types. In Helsinki Metropolitan Region, the landscape change caused by urbanization has accelerated after the 1950s. Prior to that, the landscape of the region was mainly only shaped by agriculture. The goal of this study was in addition to describing the landscape change to discuss the factors impacting the landscape change and evaluate thelandscape ecological impacts of the change. Three study areas at different distances from Helsinki city centre were chosen in order to look at the landscape change. Study areas were Malmi, Espoo and Mäntsälä regions representing different parts of the urban-to-rural gradient in 1955, 1975, 1990 and 2009. Land-use of the maps was then digitized into five classes: agricultural lands, semi-natural grasslands, built areas, waters and others using GIS methods. First, landscape change was studied using landscape ecological indices. Indices used were PLAND i.e. the proportions of the different land-use types in the landscape; MPS, SHEI and SHDI which describe fragmentation and heterogeneity of the landscape; and MSI and ED which are measures of patch shape. Second, landscape change was studied statistically in relation to topography, soil and urban structure of the study areas. Indicators used concerning urban structure were number of residents, car ownership and travel-related zones of urban form which indicate the degree of urban sprawl within the study areas. For the statistical analyses, each of the 9.25 x 9.25 km sized study areas was further divided into grids with resolution of 0.25 x 0.25 kilometres. Third, the changes in the green structure of the study areas were evaluated. The landscape change reflected by the proportions of the land-use types was the most notable in Malmi area where a large amount of agricultural land was developed from 1955 to 2009. The proportion of semi-natural grasslands also showed an interesting pattern in relation to urbanization. When urbanization started, a great number of agricultural lands were abandoned and turned into semi-natural grasslands but as the urbanization accelerated, the number of semi-natural grasslands started to decline because of urban densification. Landscape fragmentation and heterogeneity were the most widespread in Espoo study area which is not only because of the great differences in relative heights within the region but also its location in the rural-urban fringe. According to the results, urbanization induced agricultural lands to be more regular in shape both spatially and temporally whereas for built areas and semi-natural grasslands the impact of urbanization was reverse. Changes in landscape were the most insignificant in the most rural study area Mäntsälä. In Mäntsälä, built area per resident showed the greatest values indicating a widespread urban sprawl. The values were the smallest in highly urbanized Malmi study area. Unlike other study areas, in Mäntsälä the proportion of developing land in the ecologically disadvantageous cardependent zone was on the increase. On the other hand, the green structure of the Mäntsälä study area was the most advantageous whereas Malmi study area showed the most ecologically disadvantageous structure. Considering all the landscape ecological criteria used, the landscape structure of Espoo study area proved to be the best not least because of the great heterogeneity of its landscape. Thus the study confirmed the previous results according to which landscape heterogeneity is the most significant in areas exposed to a moderate human impact.

Maatilatalous ja sen vaikutus vesistöjen kuormittajana Lounais-Suomessa

Agricultute as a contributor to water pollution in Southwestern Finland.

Mathematical modelling of groundwater pollution in a small heterogeneous aquifer at Kärkölä, southern Finland

Yhteenveto: Kärkölän likaantuneen pohjavesialueen matemaattinen mallinnus

Eutrophication of the Finnish coastal waters : origin, fate and effects of riverine nutrient fluxes

Suomen rannikkovesien rehevöityminen: jokivesien tuomien ravinteiden alkuperä, käyttäytyminen ja vaikutukset.

Jätevesien vaikutus järvien rehevöittäjänä

Engl. summary: The effect of waste water on lake recipient

Mercury in aquatic sediments of three polluted areas in Finland

Seloste: Pohjan elohopeapitoisuus eräillä likaantuneilla vesialueilla

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.

Seasonal fluctuations in blue-green algae, especially in heterocystous species in polluted coastal waters off Helsinki city, in the northern part of the Gulf of Finland

Tiivistelmä

Sään ääri-ilmiöt luonnollista vaihtelua kuvaavassa 1200-vuotisessa ilmastokokeessa

Tämän tutkielman tavoitteena oli selvittää erimittaisten sään ääri-ilmiöiden jaksojen (lämpötila ja sademäärä) ja sään ääri-ilmiöiden yhdistelmien esiintymistä sekä todennäköisyyttä Suomessa nykyisessä ilmastossa havaintojen (1950-2009) ja ilmaston sisäistä luonnollista vaihtelua kuvaavan ilmastomallikokeen, ns. Millennium0001-kontrolliajon (1200 vuotta) tulosten pohjalta. Tutkielmassa tarkastellaan sään ääri-ilmiöiden yhdistelmien esiintyvyyttä myös kirjallisuuden ja synoptisten tarkastelujen avulla sekä arvioidaan niiden esiintymisten mahdollisia muutoksia ilmaston lämmetessä. Aluksi tutkittiin, miten malliaineisto ja havainnot poikkeavat toisistaan tilastollisesti lämpötilojen ja sademäärien osalta, minkä jälkeen kontrolliajon tuottamia suureita korjattiin havaittua keskimääräistä ilmastoa vastaaviksi. Keskeiset tulokset johdettiin erimittaisille äärimmäisen kylmille tai kuumille jaksoille ja äärimmäisen sateisille jaksoille. Tutkitut kuukaudet olivat tammi- ja heinäkuu. Esimerkiksi vuorokauden keskilämpötila 25,5 °C ylittyy heinäkuussa keskimäärin suuren osan Etelä- ja Keski-Suomea peittävän hilaruudun (300 km x 300 km) alueella 0,2 %:n todennäköisyydellä, sademäärä 29,7 mm samoin 0,2 %:n todennäköisyydellä. Tammikuussa samassa hilapisteessä seitsemän vuorokauden kylmin jakso -30,2 °C ja sateisin jakso 50,1 mm toistuu kerran n. 500 vuodessa. Kuukauden keskilämpötiloille ja sademäärille tehtiin korrelaatioanalyysejä, joiden perusteella saatiin selville, että Suomessa vähäsateinen loppukevät (huhti-kesäkuu) tai pelkkä kesäkuu edesauttavat keskimääräistä lämpimämmän heinäkuun esiintymistä. Selityksenä voidaan pitää maaperän pientä kosteussisältöä. Korrelaatiot kesäkuun sademäärän ja heinäkuun keski- lämpötilojen välillä vaihtelivat -0,26 ja -0,36 välillä tilastollisen merkitsevyystason ollessa yli 99,9 %. Ilmastonmuutos muuttaa sään ääri-ilmiöiden esiintyvyyttä ja voi mahdollisesti lisätä sään ääri-ilmiöiden yhdistelmien todennäköisyyttä tai yhteiskunnan ja luonnon haavoittuvuutta ääri-ilmiöille tai niiden yhdistelmille. Ääri-ilmiöt voivat aiheuttaa mittavia vahinkoja niin yhteiskunnalle kuin luonnollekin, joten tällaisiin tapahtumiin olisi tärkeää voida varautua etukäteen mahdollisten tuhojen minimoimiseksi. Olisikin tärkeää lisätä tutkimusta tästä aiheesta.

Lumettoman maan routaolojen mallintaminen ja ennustettavuus muuttuvassa ilmastossa

Raportissa on arvioitu ilmastonmuutoksen vaikutusta Suomen maaperän talviaikaiseen jäätymiseen lämpösummien perusteella. Laskelmat kuvaavat roudan paksuutta nimenomaisesti lumettomilla alueilla, esimerkiksi teillä, joilta satanut lumi aurataan pois. Luonnossa lämpöä eristävän lumipeitteen alla routaa on ohuemmin kuin tällaisilla lumettomilla alueilla. Toisaalta luonnollisessa ympäristössä paikalliset erot korostuvat johtuen mm. maalajeista ja kasvillisuudesta. Roudan paksuudet laskettiin ensin perusjakson 1971–2000 ilmasto-oloissa talviaikaisten säähavaintotietoihin pohjautuvien lämpötilojen perusteella. Sen jälkeen laskelmat toistettiin kolmelle tulevalle ajanjaksolle (2010–2039, 2040–2069 ja 2070–2099) kohottamalla lämpötiloja ilmastonmuutosmallien ennustamalla tavalla. Laskelman pohjana käytettiin 19 ilmastomallin A1B-skenaarioajojen keskimäärin simuloimaa lämpötilan muutosta. Tulosten herkkyyden arvioimiseksi joitakin laskelmia tehtiin myös tätä selvästi heikompaa ja voimakkaampaa lämpenemisarviota käyttäen. A1B-skenaarion mukaisen lämpötilan nousun toteutuessa nykyisiä mallituloksia vastaavasti routakerros ohenee sadan vuoden aikana Pohjois-Suomessa 30–40 %, suuressa osassa maan keski- ja eteläosissa 50–70 %. Jo lähivuosikymmeninä roudan ennustetaan ohentuvan 10–30 %, saaristossa enemmän. Mikäli lämpeneminen toteutuisi voimakkaimman tarkastellun vaihtoehdon mukaisesti, roudan syvyys pienenisi tätäkin enemmän. Roudan paksuuden vuosienvälistä vaihtelua ja sen muuttumista tulevaisuudessa pyrittiin myös arvioimaan. Leutoina talvina routa ohenee enemmän kuin normaaleina tai ankarina pakkastalvina. Päivittäistä sään vaihtelua simuloineen säägeneraattorin tuottamassa aineistoissa esiintyi kuitenkin liian vähän hyvin alhaisia ja hyvin korkeita lämpötiloja. Siksi näitten lämpötilatietojen pohjalta laskettu roudan paksuuskin ilmeisesti vaihtelee liian vähän vuodesta toiseen. Kelirikkotilanteita voi esiintyä myös kesken routakauden, jos useamman päivän suojasää ja samanaikainen runsas vesisade pääsevät sulattamaan maata. Tällaiset routakauden aikana sattuvat säätilat näyttävätkin yleistyvän lähivuosikymmeninä. Vuosisadan loppua kohti ne sen sijaan maan eteläosissa jälleen vähenevät, koska routakausi lyhenee oleellisesti. Tulevia vuosikymmeniä koskevien ilmastonmuutosennusteiden ohella routaa ja kelirikon esiintymistä on periaatteessa mahdollista ennustaa myös lähiaikojen sääennusteita hyödyntäen. Pitkät, viikkojen tai kuukausien mittaiset sääennusteet eivät tosin ole ainakaan vielä erityisen luotettavia, mutta myös lyhyemmistä ennusteista voisi olla hyötyä mm. tienpitoa suunniteltaessa.

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.

Concentrations and loads of some metals and fluorine in the River Kokemäenjoki in 1975 and 1977

Tiivistelmä: Metallien ja fluorin pitoisuuksista ja määristä Kokemäenjoessa vuosina 1975—1977

Clorinated hydrocarbons and mercury in zooplankton near the coast of Finland.

Tiivistelmä: Kloorattujen hiilivetyjen ja elohopean esiintymisestä eläinplanktonissa Suomen rannikkovesissä.

Periglasiaalisten ilmiöiden alueellinen mallintaminen subarktisessa ympäristössä

Periglacial processes act on cold, non-glacial regions where the landscape deveploment is mainly controlled by frost activity. Circa 25 percent of Earth's surface can be considered as periglacial. Geographical Information System combined with advanced statistical modeling methods, provides an efficient tool and new theoretical perspective for study of cold environments. The aim of this study was to: 1) model and predict the abundance of periglacial phenomena in subarctic environment with statistical modeling, 2) investigate the most import factors affecting the occurence of these phenomena with hierarchical partitioning, 3) compare two widely used statistical modeling methods: Generalized Linear Models and Generalized Additive Models, 4) study modeling resolution's effect on prediction and 5) study how spatially continous prediction can be obtained from point data. The observational data of this study consist of 369 points that were collected during the summers of 2009 and 2010 at the study area in Kilpisjärvi northern Lapland. The periglacial phenomena of interest were cryoturbations, slope processes, weathering, deflation, nivation and fluvial processes. The features were modeled using Generalized Linear Models (GLM) and Generalized Additive Models (GAM) based on Poisson-errors. The abundance of periglacial features were predicted based on these models to a spatial grid with a resolution of one hectare. The most important environmental factors were examined with hierarchical partitioning. The effect of modeling resolution was investigated with in a small independent study area with a spatial resolution of 0,01 hectare. The models explained 45-70 % of the occurence of periglacial phenomena. When spatial variables were added to the models the amount of explained deviance was considerably higher, which signalled a geographical trend structure. The ability of the models to predict periglacial phenomena were assessed with independent evaluation data. Spearman's correlation varied 0,258 - 0,754 between the observed and predicted values. Based on explained deviance, and the results of hierarchical partitioning, the most important environmental variables were mean altitude, vegetation and mean slope angle. The effect of modeling resolution was clear, too coarse resolution caused a loss of information, while finer resolution brought out more localized variation. The models ability to explain and predict periglacial phenomena in the study area were mostly good and moderate respectively. Differences between modeling methods were small, although the explained deviance was higher with GLM-models than GAMs. In turn, GAMs produced more realistic spatial predictions. The single most important environmental variable controlling the occurence of periglacial phenomena was mean altitude, which had strong correlations with many other explanatory variables. The ongoing global warming will have great impact especially in cold environments on high latitudes, and for this reason, an important research topic in the near future will be the response of periglacial environments to a warming climate.