Maaperän kosteus arktisessa maisemassa
Title: | Maaperän kosteus arktisessa maisemassa |
Author(s): | Kemppinen, Julia |
Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography |
Discipline: | Geography |
Language: | Finnish |
Acceptance year: | 2016 |
Abstract: |
The spatial and temporal variations in soil moisture can cause natural hazards, such as droughts and floods. Soil moisture and its mediating environmental factors are fairly unknown from the point of view of climate change, even though climate is a major controlling factor. A significant feedback loop between climate and soil moisture affects various ecosystem processes, especially in the Arctic. Soil moisture is fairly fast and simple to measure in the field, but even so it has not been the subject of comprehensive research. Especially the temporal changes in soil moisture in the Arctic are poorly understood. In low-energy systems, such as Arctic-alpine regions, soil moisture is an important limiting factor for vegetation. This study aims to understand which factors mediate soil moistures spatial variation and temporal change. In addition, one of the objectives of this study is to determine the importance of soil moisture for vascular plant distribution at the landscape scale.
The data comprehends 945 individual square meter plots from a 130 km² research area in northern Norway, where relative elevation reaches almost 1000 meters. The variable relief covers a vast range of extreme environmental gradients over short distances, such as a moisture gradient from dry, sun-baked slopes to water-logged peatlands and a vegetation gradient from rugged mountain tops to flood-meadows rich in species. The data consists of in situ field measurements and observations as well as data based on topography, remote sensing and climate models. Factors controlling the spatial variation and temporal change of soil moisture are studied with multivariate models (GLM: Generalized linear model and GAM: Generalizes additive model) at different scales. The importance of soil moisture for vegetation is examined by using four modelling techniques (GLM, GAM, GBM: Generalized boosted regression model, and RF: Random forest) within BIOMOD, an ensemble platform for species distribution modelling.
Soil moisture is mediated by various factors, but this research stresses soil properties as the most important variable for the spatial variation in soil moisture conditions. Temporal changes in moisture are mainly controlled by climate factors along with soil properties. Throughout all scales, vegetation, topography, and snow were also proven to be important factors. Vegetation distribution is controlled by soil moisture, as several previous studies have shown. Moisture models based on field measurements as opposed to wetness indices based on topography (SWI: Saga wetness index) turned out to have higher coefficient values. In addition to soil moisture, other soil properties and radiation also control vegetation distribution. The least meaningful factor was shown to be SWI, emphasizing the irreplaceability of field measurements.
There are several positive and negative feedbacks between soil moisture and its controlling factors, which need to be addressed when investigating soil moisture. The results of this study are in line with previous studies concerning both moisture controlling factors and soil moisture as a limiting resource for vegetation. The novelty of this study lies in its approach: bringing various spatiotemporal scales together in order to find factors controlling moisture an Arctic landscape. After all, soil moisture is first and foremost controlled by soil properties, but it is also mediated by various factors at different scales.
Maaperän kosteuden alueellinen ja ajallinen vaihtelu on voimakasta, ja kosteuden ääritilat aiheuttavat sekä kuivuusjaksoja että tulvia. Kosteutta ja sitä sääteleviä ympäristötekijöitä on tutkittu verrattain vähän ilmastonmuutostutkimuksen yhteydessä, vaikka maaperän kosteus on keskeinen osa arktisen ympäristön ekosysteemiprosesseja ja toimintoja. Tutkimuksenkohteena kosteus on verrattain yksinkertainen ja nopea mitata, mutta kosteutta ei kuitenkaan ole kattavasti tutkittu, etenkään kosteuden ajallista vaihtelua ja muutosta arktisilla alueilla. Erityisesti niukkaresurssisilla arktis-alpiinisilla alueilla, eli karulla metsänrajan ylipuolisella paljakalla, kosteus on merkittävä kasvillisuutta rajoittava resurssi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää, mitkä ympäristötekijät säätelevät maaperän kosteuden alueellista vaihtelua ja ajallista muutosta arktisessa ympäristössä, minkä lisäksi tarkastellaan kosteuden merkitystä putkilokasvien levinneisyydelle maisematasolla.
Maaperä- ja kasvillisuusaineisto kerättiin 945 neliömetrin tutkimusruudulta, 130 km² tutkimusalueelta Pohjois-Norjasta, missä suhteellista korkeuseroa on lähes kilometri. Vaihteleva korkokuva kattaa lyhyilläkin etäisyyksillä laajan kirjon voimakkaita ympäristögradientteja: kosteusgradientin kuivilta paahderinteiltä vettyneille turvemaille ja kasvillisuusgradientin karuilta tunturihuipuilta lajirikkaille sulamisvesiniityille. Tutkimusaineisto koostuu maastosta kerätystä mittaus- ja havainnointiaineistosta sekä topografiaan, kaukokartoitukseen ja ilmastomalliin pohjautuvista aineistoista. Kosteuden alueellista vaihtelua ja ajallista muutosta selittävien ympäristötekijöiden tutkimiseen käytettiin kahta monimuuttujamenetelmää (GLM: Generalized linear model ja GAM: Generalized additive model) eri mittakaavatasoilla ja kosteuden merkitystä kasvillisuuden levinneisyydelle tarkasteltiin BIOMOD-menetelmäkokoelman neljällä menetelmällä (GLM, GAM, GBM: Generalized boosted model ja RF: Random forest).
Maaperän kosteuteen vaikuttavat useat ympäristötekijät, mutta monimuuttujamallinnuksen tuloksena maaperän ominaisuudet osoittautuivat tärkeimmiksi alueellisen vaihtelun selittäjiksi ja ilmaston ohella tärkeimmiksi ajallisen muutoksen selittäjiksi. Maaperän ominaisuuksien lisäksi kaikilla mittakaavatasoilla alueellista vaihtelua selittävät kasvillisuus, topografia, ilmasto ja lumi. Ajallista muutosta selittävät maaperän ominaisuuksien ja ilmaston lisäksi topografia ja lumi. Putkilokasvien levinneisyyden selittäjänä kosteus osoittautui muita ympäristötekijöitä merkittävämmäksi ja kosteusmalli ennustekyvyltään paremmaksi kuin topografiaan pohjautuva kosteusindeksimalli (SWI: Saga wetness index). Kosteuden lisäksi myös muut maaperän ominaisuudet ja säteily selittävät putkilokasvien levinneisyyttä, kun taas vähäisin merkitys on SWI:llä, mikä korostaa kentällä kerättyjen kosteusmittausten tärkeyttä.
Kosteuden voimakas vaihtelu on seurausta erilaisista ympäristöolosuhteista, mutta kosteus myös luo erilaisia ympäristöjä. Kosteuden ja ympäristötekijöiden yhteisvaikutukset ja takaisinkytkennät ovat merkittävässä osassa tarkasteltaessa kosteutta. Tässä tutkimuksessa löydettiin aikaisemmin todettuja teoreettisen viitekehyksen osoittamia yhteyksiä sekä kosteuden ja sitä säätelevien ympäristötekijöiden väliltä että kosteuden ja kasvillisuuden väliltä, mutta tutkimuksessa tuotiin myös uusia lähestymistapoja kosteuden tutkimukseen yhdistämällä hienonmittakaavan tuloksia laajan maisematason tarkasteluun. Maaperän kosteus on ennen kaikkea paikallisten olosuhteiden säätelemää, mutta siihen vaikuttavat lukuisat ympäristötekijät eri mittakaavatasoilla.
|
Files in this item
Files | Size | Format | View |
---|---|---|---|
Julia Kemppinen - Pro gradu -tutkielma.pdf | 8.385Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4253]