Environmental and climatic dependences of stable isotope ratios in tree rings on different temporal scales

This work examines stable isotope ratios of carbon, oxygen and hydrogen in annual growth rings of trees. Isotopic composition in wood cellulose is used as a tool to study past climate. The method benefits from the accurate and precise dating provided by dendrochronology. In this study the origin, nature and the strength of climatic correlations are studied on different temporal scales and at different sites in Finland. The origin of carbon isotopic signal is in photosynthetic fractionation. The basic physical and chemical fractionations involved are reasonably well understood. This was confirmed by measuring instantaneous photosynthetic discrimination on Scots pine (Pinus sylvestris L.). The internal conductance of CO2 was recognized to have a significant impact on the observed fractionation, and further investigations are suggested to quantify its role in controlling the isotopic signal of photosynthates. Isotopic composition of the produced biomass can potentially be affected by variety of external factors that induce physiological changes in trees. Response of carbon isotopic signal in tree ring cellulose to changes in resource availability was assessed in a manipulation experiment. It showed that the signal was relatively stable despite of changes in water and nitrogen availability to the tree. Palaeoclimatic reconstructions are typically based on functions describing empirical relationship between isotopic and climatic parameters. These empirical relationships may change depending on the site conditions, species and timeframe studied. Annual variation in Scots pine tree ring carbon and oxygen isotopic composition was studied in northern and in central eastern Finland and annual variation in tree ring latewood carbon, oxygen and hydrogen isotopic ratio in Oak (Quercus robur L.) was studied in southern Finland. In all of the studied sites at least one of the studied isotope ratios was shown to record climate strongly enough to be used in climatic reconstructions. Using the observed relationships, four-century-long climate reconstructions from living Scots pine were created for northern and central eastern Finland. Also temporal stability of the relationships between three proxy indicators, tree ring growth and carbon and oxygen isotopic composition was studied during the four-hundred-year period. Isotope ratios measured from tree rings in Finland were shown to be sensitive indicators of climate. Increasing understanding of environmental controls and physiological mechanisms affecting tree ring isotopic composition will make possible more accurate interpretation of isotope data. This study also demonstrated that by measuring multiple isotopes and physical proxies from the same tree rings, additional information on tree physiology can be obtained. Thus isotopic ratios measured from tree ring cellulose provide means to improve the reliability of climate reconstructions.Tässä väitöskirjassa tutkittiin hiilen, hapen ja vedyn stabiilien eli pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa ja niiden käyttöä tiedonlähteenä menneistä ilmastonvaihteluista. Kemiallisissa, fysikaalisissa ja biologisissa prosesseissa saman alkuaineen isotooppien suhde hieman muuttuu, eli tapahtuu fraktioitumista. Puuaineksessa isotooppisuhteet muuttuvat riippuen siitä millaisissa kasvuoloissa ja ilmastossa puu on kasvanut. Kun isotooppisuhde mitataan puun vuosilustosta, lusto voidaan dendrokronologisten menetelmien avulla ajoittaa ja isotooppisuhde yhdistää kyseisen vuoden kasvuoloihin. Aikaisemmissa tutkimuksissa Suomesta on mitattu lähinnä hiilen isotooppisuhteita puiden vuosilustoista. Tässä työssä perehdyttiin tarkemmin niihin prosesseihin jotka puussa muokkaavat hiilen isotooppisuhdetta sekä mitattiin hiilen lisäksi myös hapen ja vedyn pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa. Kasvimateriaalin hiilen isotooppikoostumus määräytyy ensisijaisesti kasvin sitoessa hiiltä ilmakehästä yhteyttämällä. Tätä tutkittiin männyllä (Pinus sylvestris L.) kammiomittauksilla ja mallintamalla Etelä-Suomessa. Lisäksi tutkittiin männyn kasvuresurssien muutoksen vaikutusta vuosiluston hiilen isotooppikoostumukseen ja puun kasvuun Lapissa. Isotooppisuhteessa ei havaittu merkittävää muutosta, huolimatta kasvussa tapahtuneista muutoksista. Lapista ja Itä-Suomesta mitattiin 400 vuotta pitkät hiili- ja happi-isotooppi sekä lustonleveys aikasarjat mäntyjen vuosilustoista. Vuosittaista vaihtelua isotooppisuhteissa verrattiin säähavaintoihin viimeisen sadan vuoden ajalta. Hiilen isotooppien havaittiin korreloivan vahvasti kesälämpötilojen kanssa molemmilla alueilla. Itä-Suomessa havaittiin hapen ja myös hiilen isotooppien korreloivan kesän sademäärän kanssa. Pitkiä aikasarjoja käyttäen tehtiin 400 vuoden lämpötilarekonstruktio Lappiin ja lämpötila- ja sademäärärekonstruktiot Itä-Suomeen. Pitkiä aikasarjoja myös vertailtiin keskenään ja havaittiin niiden välisessä korrelaatiossa ajallista vaihtelua. Työssä tutkittiin myös voitaisiinko tammen (Quercus robur L.) vuosilustojen isotooppisuhteita käyttää ilmastoindikaattorina. Tammista mitattiin sekä hiilen, hapen että vedyn stabiilit isotoopit vuosiluston kesäpuusta viimeisen sadan vuoden ajalta. Tutkimuksessa havaittiin erityisesti hapen, mutta myös hiilen isotooppisuhteen heijastavan vuosittaista vaihtelua kesän pilvisyydessä ja sademäärässä. Pysyvien isotooppien suhteen todettiin olevan usein vuosiluston leveyttä vahvempi ilmastoindikaattori. Niitä voidaan myös hyödyntää laajemmalla maantieteellisellä alueella. Lisäksi, koska samasta puulustosta voidaan mitata useampi isotooppisuhde sekä fysikaaliset indikaattorit, voidaan useampaa tiedonlähdettä käyttämällä saada kattavampi kuva puun toiminnasta ja siihen vaikuttavista tekijöistä ja näin ollen parantaa ilmastorekonstruktioiden luotettavuutta

Changes in nitrogen content and isotopic composition in subarctic Empetrum nigrum seeds in the period 1976–2010

Peer reviewe

Similar temperature sensitivity of soil mineral-associated organic carbon regardless of age

Most of the carbon (C) stored in temperate arable soils is present in organic matter (OM) intimately associated with soil minerals and with slow turnover rates. The sensitivity of mineral-associated OM to changes in temperature is crucial for reliable predictions of the response of soil C turnover to global warming and the associated flux of carbon dioxide (CO2) from the soil to the atmosphere. We studied the temperature sensitivity of C in 63 mu m fractions rich in particulate organic matter (POM). The fractions were isolated by physical separation of two light-textured arable soils where the C4-plant silage maize had replaced C3-crops 25 years ago. Differences in C-13 abundance allowed for calculation of the age of C in the soil-size fractions (old C, C3-C > 25 years; recent C, C4-C <25 years). We incubated bulk soils ( <2 mm) and size fractions sequentially at 6, 18, 26 and 34 degrees C (ramping up and down the temperature scale) and calculated the temperature sensitivity of old and recent C from (CO2)-C-12 and (CO2)-C-13 evolution rates. The temperature sensitivity was similar or slightly higher for POM than for MOM. Within the POM fraction, old C3-C was more sensitive to changes in temperature than recent C4-C. For the MOM fraction, the temperature sensitivity was unrelated to the age of C. Quantitative PCR analysis indicated that the proportions of bacteria, archaea and fungi did not change during incubation. Our results suggest that while OM stabilizing mechanisms affect the temperature sensitivity of soil C, temperature sensitivity appears unrelated to the age of mineral-associated OM.Peer reviewe

Reliability of temperature signal in various climate indicators from northern Europe

We collected relevant observational and measured annual-resolution time series dealing with climate in northern Europe, focusing in Finland. We analysed these series for the reliability of their temperature signal at annual and seasonal resolutions. Importantly, we analysed all of the indicators within the same statistical framework, which allows for their meaningful comparison. In this framework, we employed a cross-validation procedure designed to reduce the adverse effects of estimation bias that may inflate the reliability of various temperature indicators, especially when several indicators are used in a multiple regression model. In our data sets, timing of phenological observations and ice break-up were connected with spring, tree ring characteristics (width, density, carbon isotopic composition) with summer and ice formation with autumn temperatures. Baltic Sea ice extent and the duration of ice cover in different watercourses were good indicators of winter temperatures. Using combinations of various temperature indicator series resulted in reliable temperature signals for each of the four seasons, as well as a reliable annual temperature signal. The results hence demonstrated that we can obtain reliable temperature information over different seasons, using a careful selection of indicators, combining the results with regression analysis, and by determining the reliability of the obtained indicator.Peer reviewe

Metsiin perustuvat matkailun hiilipäästöjen kompensaatiomallit – esimerkkinä Koillis-Suomi

Raportin tekijät: Raportin taustan ja tavoitteet (luku 1), Alueellisen hiilikompensaatiomallin kehittämisprosessin (luku 6), Hiilikompensaatiomallin soveltaminen Koillismaan alueella (luku 7) ja Mahis-hankkeen johtopäätökset (luku 8) ovat kirjoittaneet Jenni Simkin, Kaarina Tervo-Kankare, Pinja Leino, Roosa Ridanpää, Henna Konu ja Liisa Tyrväinen. Lisäksi he ovat osallistuneet muiden lukujen kirjoittamiseen ja kommentointiin. Anna Saarela osallistui lukujen 1 ja 8 kirjoittamiseen sekä raportin muiden osioiden kommentointiin. Lisäksi kiitämme arvokkaista kommenteista Erkki Mäntyrantaa ja Aleksi Lehtosta raporttiin liittyen. Raportin luvussa 5 on käytetty Aleksi Lehtosen ja kumppaneiden julkaisun tuloksia (Lehtonen ym. 2020). Seuraavat luvut ovat kirjoittaneet seuraavat henkilöt: Luku 2 Kaarina Tervo-Kankare, Roosa Ridanpää sekä Tiina Mattila Luku 3 Emmi Hilasvuori, Pinja Leino, Kaarina Tervo-Kankare ja Heli Miettinen Luku 4 Kaarina Tervo-Kankare, Roosa Ridanpää ja Tiina Mattila Luku 5 Tapio Eerikäinen, Pinja Leino, Liisa Tyrväinen ja Jenni Simkin Luku 7.2.1 Kristian Karlsson, Jari Hynynen ja Liisa Tyrväinen sekä liite 3 Soili Haikarainen Kiitämme hyvästä yhteistyöstä ja arvokkaista kommenteista raporttia laatiessa myös Kirsi Kuoskua, Naturpolis Oy ja Jukka Koutaniemeä, Pudasjärven Kehitys. Lisäksi kiitämme seuraavia yhteistyötahoja: alueen matkailuyhdistykset, Metsäkeskus, puutoimialayhdistys sekä muut metsäalan toimijat. Positive Impactin ja Tussitaikureiden hankkeelle tekemää työtä on hyödynnetty raportin kuvituksessa. Kiitämme hankkeen mahdollistanutta rahoittajaa Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskusta ja Manner-Suomen maaseudun kehittämisohjelmaa 2014–2020. Metsiin perustuvat matkailun hiilipäästöjen kompensointimallit – esimerkkinä Koillis-Suomi -hankkeen (MAHIS) tavoitteena oli tukea Koillis-Suomen matkailuelinkeinon osallistumista ilmastonmuutoksen hillitsemiseen. Hankkeessa selvitettiin kotimaisen, metsiin perustuvan hiilikompensaatiotoiminnan kehittämisedellytyksiä alueella. Tarkoituksena oli löytää ratkaisuja matkailuyritysten hiilipäästöjen sitomiseen paikallisesti, samalla kun alueen metsänomistajille tarjottaisiin uusia vaihtoehtoaja saada metsistään tuloja hiilikompensaation kautta. Kotimaisen hiilikompensaatiokaupan käynnistämistä on kuitenkin hidastaneet lainsäädännölliset ja luotettavuuteen liittyvät haasteet. Hankkeessa tarkasteltiin erilaisia hiilikompensointimalleja ja niiden soveltuvuutta alueelle. Tavoitteena oli löytää toimiva, läpinäkyvä ja luotettava kompensointimalli. Tätä varten selvitettiin laajasti hiilinielujen kasvattamiseen liittyviä mahdollisuuksia, näkemyksiä ja arvoja, sekä tuotettiin tietoa alueen matkailun hiilipäästöistä. Hankkeessa hyödynnettiin yhteistyöverkostoja ja osallistettiin alueen matkailualan yrityksiä, matkailijoita ja metsänomistajia. MAHIS-hanke koostui neljästä työpaketista. Esiselvityksessä arvioitiin hiilikompensaatiotoiminnan nykytilaa ja haasteita, samalla kun kompensaatiomalleja arvioitiin. Kolmannessa työpaketissa kerättiin tietoa matkailijoilta ja yrityksiltä, ja viimeisessä työpaketissa suunniteltiin alueelle soveltuvaa kompensointitoimintamallia muiden työpakettien tuloksia hyödyntäen. Koillismaan alueen matkailijat ja matkailuyritykset suhtautuvat myönteisesti hiilikompensaatioon. Suurinta osaa matkailijoista kiinnosti heidän oman matkansa hiilijalanjälki sekä se, minkälaisia ilmasto- ja ympäristötoimia matkailukohteessa tehdään. Kysyttäessä matkailijoiden mieltymyksiä erilaisia kompensaatiotapoja kohtaan, metsien suojelu nousi mielekkäämmäksi vaihtoehdoksi metsien lannoituksen sijaan. Sekä matkailijat että yritykset toivoivat paikallisesti toteutettua kompensaatiota. Matkailuyritysten keskuudessa ajatus kompensaatiotoimintaan lähtemisestä koettiin kuitenkin haastavaksi. Ajanpuute ja vaikeudet ymmärtää sekä toteuttaa kompensaatiotoimintaa koettiin esteinä. Paikalliset metsänomistajat kannattivat omien metsien hyödyntämistä kompensaatiotoiminnassa, mutta paikallisesti toteutettavaan kompensaatiomalliin kaivattiin konkretiaa ja selkeyttä. Mallin jalkauttamisessa matkailuyrityksille korostettiin vastuullisuuden merkitystä ja yhteistyön voimaa. Laskelmien perusteella Koillismaan metsillä olisi potentiaalia vahvistaa hiilinieluja matkailun tarpeisiin varsin kustannustehokkaasti. Maisemallisesti arvokkaiden metsien suojelu ja kiertoaikojen pidentäminen osassa metsiä, voisivat sitoa merkittävän osan alueen matkailupäästöistä. Lisäksi turvemaiden tuhkalannoitus nähtiin potentiaalisena kompensaatiovaihtoehtona alueella. Kompensaatiotoiminnan kehittäminen on välttämätöntä matkailualan mittavien ilmastovaikutusten pienentämiseksi. Hiilikompensaatiotoiminta voisi tarjota taloudellisia liiketoimintamahdollisuuksia ja paikallisesti toteutettuna, sillä voidaan myös kehittää maaseudun elinvoimaa. Pitkällä tähtäimellä kotimaisia vaihtoehtoja tarjoava hiilikompensaatiokauppa tulee olemaan kilpailullinen ja imagoon liittyvä etu koko Koillis-Suomen matkailutoiminnalle

Priming effect increases with depth in a boreal forest soil

201

Priming effect in boreal soils

201