Pintamaan geokemiaa selittävät tekijät muuttuvassa tundraympäristössä

Ilmastonmuutos muuttaa herkkiä tundraympäristöjä, mutta muutosten vaikutuksia pintamaan geokemiaan ei vielä tiedetä. Pintamaan geokemia, eli ravinteisuus ja pH, on tärkeässä roolissa ilmastonmuutoksen kannalta, sillä se voi synnyttää globaaliin ilmastoon ja tundraympäristöön vaikuttavia takaisinkytkentöjä. Vielä on epäselvää, onko ilmasto tärkein pintamaan geokemiaa säätelevä tekijä vai voisivatko muut tekijät, kuten topografia ja maaperän kosteus puskuroida tulevia muutoksia. Tämä tutkimus selvittää pintamaan geokemiaa sääteleviä tekijöitä ja prosesseja sekä pintamaan geokemian herkkyyttä ilmastonmuutokselle. Lisäksi tutkimus kytkee paikalliset havainnot laajempiin alueellisiin ennusteisiin. Aineisto kerättiin ympäristögradienteiltaan kattavalta maisemamittakaavan 72 km² tutkimusalueelta (n=429) Pohjois-Norjasta (noin 69° 90' N ja 26° 20' E). Geokemia-aineisto koostui laboratoriossa määritetyistä pintamaan typen, fosforin, hiilen, kalsiumin ja raudan pitoisuuksista sekä maaperän pH:sta. Geokemiamuuttujia tutkittiin alueellisen mallinnuksen keinoin ympäristöaineistolla, joka koostui maaperän kosteudesta ja johon johdettiin muuttujia ilmasto- ja korkeusmallista, Landsat-satelliittikuvista sekä ilmakuvista. Aineiston hajontaa kuvattiin NMDS-gradienttianalyysimenetelmän avulla ja alueellinen mallintaminen ja ennustaminen sekä ilmastonmuutoksen vaikutusten simulointi toteutettiin rakenneyhtälömalleilla (SEM) ja yleistetyillä luokittelupuumenetelmillä (GBM). Geokemiamuuttujien alueelliset jakaumat GBM-malleilla tehdyissä ennusteissa olivat samankaltaisia: pitoisuudet olivat korkeita laaksoissa ja alarinteillä, melko alhaisia ylänköalueilla ja tunturikoivikoissa ja alhaisia tunturien laella, mutta paikallista vaihtelua oli paljon erityisesti tunturikoivikossa. Ilmaston rooli pintamaan geokemiaa selittävänä tekijänä oli GBM-malleissa suuri, mutta SEM-malleissa havaittiin, että paikallinen tekijä maaperän kosteus, joka oli osin ilmaston säätelemä, vaikutti paikoin suuremmissa määrin pintamaan geokemiaan. Topografisten ja hydrologisten tekijöiden vaikutus pintamaan geokemiaan oli GBM-malleissa vähäinen, jolloin ne eivät puskuroineet vahvasti pintamaan geokemian muutoksia GBM-malleilla tehdyissä ilmastonmuutossimulaatioissa, joissa havaittiin pintamaan ravinteisuuden kasvavan keskilämpötilojen noustessa ja lumisuuden vähentyessä. GBM-mallien selityskyky oli kohtuullisen hyvä etenkin puuttomalla paljakalla typpi-, fosfori-, hiili- ja kalsiumpitoisuuksia analysoitaessa, ja tutkimuksessa onnistuttiin linkittämään näiden ravinteiden paikalliset havainnot alueellisiin ennusteisiin. Lisäksi SEM-mallit osoittautuivat potentiaaliseksi ja monipuoliseksi menetelmäksi maaperämallinnuksessa, ja menetelmän avulla havaittiin, että paikalliset tekijät ja niiden vaihtelu pystyvät puskuroimaan ilmaston suurta vaikutusta. Tulokset indikoivat ilmaston ja maaperän kosteuden kontrolloiman orgaanisen aineksen kierron ja paikallisesti topografian ja hydrologisten olosuhteiden kontrolloiman huuhtoutumisen merkitystä pintamaan geokemian säätelijämekanismina. Pintamaan ravinteet ja pH reagoivat ympäristömuuttujiin kuitenkin eri tavalla: ympäristötekijöiden ja geokemian välinen suhde NMDS-analyysissä ja GBM- ja SEM-malleissa oli samanlainen typellä, hiilellä, kalsiumilla ja osin fosforilla, mutta rauta ja pH käyttäytyivät eri lailla. Pintamaan geokemia, ja etenkin pintamaan hiili on herkkä ilmastonmuutokselle, ja kynnysarvona suurimmille muutoksille ilmastonmuutossimulointien mukaan oli jo 1,5 °C lämpötilannousu. Tundraympäristöjen pintamaan geokemiapitoisuudet kasvavat ilmaston lämmetessä erityisesti tunturien huipuilla ja laaksoissa, jolloin tundraympäristöt pysyvät tämän tutkimuksen mukaan tärkeänä ravinnevarastona.