Interaction of disturbance agents on Norway spruce : A mechanistic model of bark beetle dynamics integrated in simulation framework WINDROT

Interaction of disturbance agents may cause cascading effects in forests. The three most important disturbance agents of Norway spruce (Picea abies) in northern Europe are Heterobasidion root rot, wind and the European spruce bark beetle (Ips typographus). In this study, we present a mechanistic individual agent based model to simulate the dynamics of the bark beetle and integrate it in the simulation framework WINDROT to further study the interactive dynamics of root rot, wind and bark beetles. We carried out model performance analysis concluding that the model is sensitive to the parameters of optimal bark thickness for reproduction. Stand level interaction between wind and bark beetle disturbances was also evaluated against field data. The stand level simulations show the interaction between the disturbance agents; the root rot increases wind disturbance and bark beetles benefit from wind fallen trees. No direct interaction was found in the simulation study between the root rot and bark beetles. Further experimental research and large scale simulation studies are needed to better understand the underlying mechanisms in the interaction between the disturbance agents.Peer reviewe

Optimal species composition for stand establishment in root-rot infected forest areas

Heterobasidion root rot causes severe problems in the coniferous dominated forests of Northern hemisphere by decreasing timber value, reducing tree growth and making trees prone to other disturbance agents such as wind and bark beetles. According to current practices an infected stand is protected by treating fresh stumps at final cutting and generating the stand with tree species other than the host to reduce the current infection levels. However, prevailing guidelines do not provide instructions how to manage the neighbouring stands around the already infected stand. In contrast to earlier studies, we expand the analysis to an entity (a landscape) consisting of both infected and uninfected stands so that stand establishment of uninfected area is taken into account, too. The objective of the study is to optimize stand establishment of the uninfected area so that the revenue losses are simultaneously minimized when the average carbon storage is maximized within the whole landscape (infected + uninfected). Our results demonstrate the complexity of Heterobasidion root rot management: the optimum stand establishment strategy differs depending on the geographic location and interest rate (i.e., yield on capital). Further, the results implicate that for successful fight against Heterobasidion root rot the magnitude of infected area as well as the severity of the infection need to be taken into account

Metsätuholain arvioinnin jatkoselvitys : Kuorellisen puutavaran poiskuljetus ja männiköiden kantokäsittely turvemailla

Luonnonvarakeskus arvioi metsälain ja metsätuholain muutosten vaikutuksia laajasti vuonna 2019 (Kniivilä ym. 2020). Nyt käsissä olevan maa- ja metsätalousministeriön rahoittaman jatkoselvityksen tavoitteena oli vastata aiemmassa arvioinnissa esiin nostettuihin lisäselvitystarpeisiin. Tutkimuskysymykset noudattivat maa- ja metsätalousministeriön asettamia rajauksia. Metsätuholaki eli laki metsätuhojen torjunnasta (1087/2013) jakaa Suomen etelä-pohjoissuunnassa kolmeen alueeseen: A, B ja C. Näille alueille on säädetty aikarajat kuorellisen puutavaran poistolle metsästä ja välivarastosta hyönteistuhojen ennaltaehkäisemiseksi. Lisäksi laissa on asetettu kasvatus- ja päätehakkuiden yhteyteen kantokäsittelyvelvollisuus juurikääpätuhojen ehkäisemiseksi. Tämä koskee kuusikoita sekä kivennäis- että turvemailla, mutta mäntyä vain kivennäismailla. Jatkoselvitys koostuu neljästä osasta. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan kuorellisen kuusipuutavaran poiskuljetuksen aikarajojen toimivuutta suhteessa kirjanpainajan aikuistumiseen. Toisessa osassa lasketaan puunkorjuulogistiikalle aiheutuvia kustannuksia, jos B-alueen aikarajoja aikaistetaan A-aluetta vastaavaksi. Kolmannessa osassa tarkastellaan erikokoisten välivarastoitujen mäntypuutavarapinojen vaikutusta ympäristön ytimennävertäjätuhoriskiin. Neljäs osio käsittelee kantokäsittelyvelvoitteen laajentamista turvemaiden männiköihin liiketaloudellisen kannattavuuden näkökulmasta. Suurella osalla B-aluetta kirjanpainajat ovat useina vuosina aikuistuneet ennen metsätuholain säätämää kuorellisen kuusipuutavaran poiskuljetuksen aikarajaa. B-alueella eteläosassa kirjanpainajan aikuistumisesta kertova 700 dd:n tehollinen lämpösumma täyttyy riippuen alueesta keskimäärin 1–5 päivää ennen metsätuholain määräämää kuorellisen puutavaran poistopäivää 24.7. Näiltä alueilta Suomen metsäkeskus on myös vastaanottanut hyönteistuhohakkuuilmoituksia koodilla ”kirjanpainaja” ja feromonipyydyksin tehdyllä kannanseurannalla on havaittu nk. epidemiarajan (15 000 kirjanpainajaa/pyydysryhmä) ylittäneitä kirjanpainajamääriä. Tämän perusteella suositellaan osaa B-alueesta liitettävän A-alueeseen. Koko B-alueelle kaavailtu yhdeksän päivän aikaistus puutavaran poiskuljettamiseen koskisi sellukuusta, sillä sahatavaraksi käytettävät tukit ja raaka-aine kuusen mekaanisen massan tuottamiseen kuljetetaan joka tapauksessa nopeasti käyttökohteeseen ennen kuin raaka-aine pilaantuu välivarastossa. Kustannusvaikutuksia tarkasteltiin laskien nykyiselle perustasolle (BAU) muutosskenaariot, joissa puunkorjuun aikaistus yhdeksällä päivällä mahdollistettiin lisäämällä terminaalivarastointia (Skenaario1), lisäämällä puutavarapinojen pintaosan poiskuljettamista samalla terminaalivarastointia lisäten (Skenaario2) ja kolmanneksi lisäten junakuljetusta (Skenaario3). Muutosten vaikutuksia arvioitiin myös haastattelulla, jonka kohderyhmiksi valittiin puunkorjuusta, -kaukokuljetuksesta ja -hankintalogistiikasta vastaavia toimijoita. Tarkasteltaessa koko vuoden toimitusmääriä sellukuusella B-alueella, kuljetusten aikaistus yhdeksällä päivällä voi aiheuttaa 0,4–1,4 %:n kustannuslisän kuljetuskustannuksiin, kohdistuen suurelta osin lisävarastointiin ja siihen liittyviin kuljetuksiin. Käytännössä kuljetusten aikaistuksesta johtuvaan kustannuslisään vaikuttaa kunkin vuoden puunhankintatilanne, talven ja kevään korjuu- ja kuljetusolosuhteet, varastotasojen kehitys ja teollisuuden tuotantotila. Lisäksi aikaistuksesta mahdollisesti koituvien korjuun keskeytysten laskettiin aiheuttavan viikossa enimmillään 0,7 %:n kustannuslisän korjuukustannukseen. Kustannusvaikutuksen herkkyystarkasteluissa nousi esiin esimerkiksi uuden terminaalin perustamiseen ja sijaintiin liittyvät tekijät. Lyhyempi kuljetusjakso on myös aiempaa herkempi muuttuvien sääolosuhteiden vaikutuksille. Ytimennävertäjätuhoja selvitettiin jättämällä tutkimusta varten mäntypuutavarapinoja välivarastoon Suomen metsäkeskuksen luvalla metsätuholain säädettyjen aikarajojen yli. Tulosten perusteella puutavarapinoista kuoriutuu merkittäviä määriä pystynävertäjiä, joiden aiheuttama kasvaintuho on sitä suurempaa mitä suurempia pinot ovat. Keskimäärin tuhovaikutus yltää noin 40–60 m päähän pinosta. Alle 50 m3:n pinojen kohdalla tuhot jäävät lähes olemattomiksi ja niiden osalta puunkorjuuvelvoitetta voitaisiin lieventää. Juurikääpää ehkäisevän kantokäsittelyn taloudellista kannattavuutta turvemaiden männiköissä vaikeutti se, että männynjuurikäävän leviämisnopeutta turvemailla ei toistaiseksi tunneta. Tämän vuoksi Motti-ohjelmistolla tehdyissä simulaatioissa juurikäävän aiheuttamaa männyntyvitervastautia havainnollistettiin kaksinkertaistamalla metsiköissä normaalisti tapahtuva luontainen kuoleminen ja kohdistamalla se satunnaisesti metsiköiden puille. Tarkastelun perusteella vaikuttaa siltä, että mitä pohjoisempana metsikkö sijaitsee, sen voimakkaampi tartunnan pitäisi olla, jotta kantokäsittely olisi liiketaloudellisesti kannattavaa. Liiketaloudellisen tarkastelun mukaan torjunta ei kuitenkaan ole järkevää, mikäli tuhonaiheuttajaa ei metsikössä ole. Juurikäävän epidemiologia kuitenkin puoltaa nimenomaan terveen metsikön kantokäsittelyä, jotta metsikkö pysyy terveenä jatkossakin. Juurikääpä siirtyy myös seuraavaan puusukupolveen. Pahimmillaan tauti kroonistuu ja alentaa kasvupaikan tuotoskykyä pysyvästi. Puhtaan liiketaloudellisen tarkastelun lisäksi kantokäsittelyn merkitystä on arvioitava laajemmin painottaen metsätuholaille tyypillistä ennaltaehkäisyn näkökulmaa. Raportin lopussa esitetään suosituksia metsätuholain uudistustyöhön sekä painotetaan lain toimivuuden jatkuvaa seurantaa lämpenevässä ilmastossa

Multifunctional forests and their risks under climate change

Finnish forests are facing challenges from climate change and increasing natural disturbances while demands for the provisioning of diverse ecosystem services should be ensured. Resilient, multifunctional forests are therefore needed for the future. Future multipurpose forests and their disturbance risk in the changing climate (FOSTER) -project investigated the impacts of climate change and natural disturbance agents on forests as well as the synergies and trade-offs between ecosystem services under multiple alternative forest management scenarios. We found significant impacts of disturbances and climate change on forests. Impacts of disturbance agents, such as wind, spruce bark beetle, and ungulate browsers, are likely to increase in the future. Impacts of deer species (whitetail deer, roe deer) with expanding distribution ranges and increasing populations may have unexpected impacts on forest ecosystems. Climate change interacts with disturbances and exacerbates disturbance effects, specifically in the case of bark beetles. FOSTER also explored the potential effects of micro-climate on forest disturbances and how to take them into account in modelling. Using a multi-model approach, various forest management and land-use scenarios were simulated for both smaller landscapes (long-term simulations including climate change and disturbances) and larger regions (short-term, current climate simulations). The simulation results indicate that mitigation management can increase carbon storage and support biodiversity but carry higher disturbance risks and considerably reduce harvested volumes. Conversely, adaptation-focused management was less beneficial for carbon storage but yielded higher harvests. The adaptation scenarios aimed to reduce disturbance risks were effective in reducing bark beetle risk under climate change. The FOSTER project has brought together forests disturbance, climate change and forest management expertise and applied complex modelling approaches to understand the future of Finnish forests. The results show that impacts of changing climate and disturbances may be substantial. Thus, the future forest management should include actions to not only mitigate climate change, but also prepare for adaption to the dramatic changes it may bring in order to ensure resilient ecosystem-provisioning in the future

Metsätuhojen kokonaisvaltainen arviointi : METKOKA-hankkeen loppuraportti

Metsätuhojen kokonaisvaltaiset kustannukset eli METKOKA-hankkeen aikana arvioitiin Suomen metsien tärkeimpien tuhonaiheuttajien aiheuttamat taloudelliset tappiot hyödyntäen saatavilla olevia tietoja metsistä ja tuhoista, sekä Luonnonvarakeskuksessa kehitettyä Motti-metsikkösimulaattoria, jonka avulla ennustettiin puuston kehitystä eri tilanteissa metsikkötasolla, josta ne skaalattiin edelleen laajemmille alueille. Tutkimuksen aikana kuitenkin ilmeni, että lähes kaikkien tarkasteltujen tuhonaiheuttajien (juurikäävät, tervasroso, kirjanpainaja, tukkimiehentäi, mäntypistiäiset, ytimennävertäjät, myyrät, hirvieläimet sekä tuuli- ja lumituhot) osalta tiedot olivat enemmän tai vähemmän puutteellisia. Tässä tarkastelussa taloudellisesti merkittävimmiksi suomalaisten metsien tuhonaiheuttajiksi osoittautuivat kuusenjuurikääpä, hirvieläimet, tuuli ja kirjanpainaja, mutta myös lähes kaikkien muiden tarkasteltujen tuhonaiheuttajien aiheuttamat tappiot olivat merkittäviä. Kaikkien metsätuhojen keskimääräiseksi kokonaiskustannukseksi saatiin noin 100 miljoonaa euroa vuodessa eli viisi prosenttia kantorahatuloista, mutta arviossa on huomattavaa vuosien välistä vaihtelua. Sitä on pidettävä suuruusluokaltaan oikeansuuntaisena, mutta laskennan lähtötietojen puutteellisuuden takia kuitenkin selkeänä aliarviona metsätuhojen aiheuttamista todellisista kokonaiskustannuksista metsänomistajille. Siksi nyt ilmenneet tiedonpuutteet olisi hyvä täydentää uudella tutkimustiedolla sekä tuhotietojen entistä systemaattisemmalla keräämisellä. Lisäksi kansataloudellisen päätöksenteon kannalta tulisi analyysiin sisällyttää tuhojen aiheuttamat metsäsektorin arvonlisäys- ja työllisyysvaikutukset sekä kerrannaisvaikutukset muilla toimialoilla. METKOKA hankkeen aikana päivitettiin myös vuodelta 2014 olevaa Maa- ja metsätalousministeriön varautumissuunnitelmaa metsätuhoihin. Työssä hyödynnetään METKOKA-hankkeen tuloksia ja varautumissuunnitelma julkaistaan erillisenä Maa- ja metsätalousministeriön julkaisusarjassa

Globally consistent climate sensitivity of natural disturbances across boreal and temperate forest ecosystems

Disturbance regimes are changing in forests across the world in response to global climate change. Despite the profound impacts of disturbances on ecosystem services and biodiversity, assessments of disturbances at the global scale remain scarce. Here, we analyzed natural disturbances in boreal and temperate forest ecosystems for the period 2001-2014, aiming to 1) quantify their within- and between-biome variation and 2) compare the climate sensitivity of disturbances across biomes. We studied 103 unmanaged forest landscapes with a total land area of 28.2 x 10(6) ha, distributed across five continents. A consistent and comprehensive quantification of disturbances was derived by combining satellite-based disturbance maps with local expert knowledge of disturbance agents. We used Gaussian finite mixture models to identify clusters of landscapes with similar disturbance activity as indicated by the percent forest area disturbed as well as the size, edge density and perimeter-area-ratio of disturbed patches. The climate sensitivity of disturbances was analyzed using Bayesian generalized linear mixed effect models and a globally consistent climate dataset. Within-biome variation in natural disturbances was high in both boreal and temperate biomes, and disturbance patterns did not vary systematically with latitude or biome. The emergent clusters of disturbance activity in the boreal zone were similar to those in the temperate zone, but boreal landscapes were more likely to experience high disturbance activity than their temperate counterparts. Across both biomes high disturbance activity was particularly associated with wildfire, and was consistently linked to years with warmer and drier than average conditions. Natural disturbances are a key driver of variability in boreal and temperate forest ecosystems, with high similarity in the disturbance patterns between both biomes. The universally high climate sensitivity of disturbances across boreal and temperate ecosystems indicates that future climate change could substantially increase disturbance activity.Peer reviewe

Seasonal variation in the brain μ-opioid receptor availability

Seasonal rhythms influence emotion and sociability. The brain μ-opioid receptor (MOR) system modulates a multitude of seasonally varying socioemotional functions, but its seasonal variation remains elusive with no previously reported in vivo evidence. Here, we first conducted a cross-sectional study with previously acquired human [11C]carfentanil PET imaging data (132 male and 72 female healthy subjects) to test whether there was seasonal difference in MOR availability. We then investigated experimentally whether seasonal variation in daylength causally influences brain MOR availability in rats. Rats (six male and three female rats) underwent daylength cycle simulating seasonal changes; control animals (two male and one female rats) were kept under constant daylength. Animals were scanned repeatedly with [11C]carfentanil PET imaging. Seasonally varying daylength had an inverted U-shaped functional relationship with brain MOR availability in humans. Brain regions sensitive to daylength spanned the socio-emotional brain circuits, where MOR availability formed a spring-like peak. In rats, MOR availabilities in the brain neocortex, thalamus and striatum peaked at intermediate daylength. Varying daylength also affected the weight gain and stress hormone. We conclude that the in vivo brain MOR availability in humans and rats shows significant seasonal variation, which is predominately associated with seasonal photoperiodic variation. Given the intimate links between MOR signaling and socioemotional behavior, these results suggest that the MOR system might underlie seasonal variation in human mood and social behavior.</p

Integrating mechanistic disturbance models and stand dynamics of Norway spruce

Disturbances, caused by abiotic and biotic agents, are discrete events in time disrupting the ecosystem and resulting in the reduction of plant biomass. They play a key role in forest ecosystems, but in the managed forests pose a risk to forest productivity. The projected climate change is expected to increase the risk of various disturbances in the boreal forests. In Europe, the major risks threatening the Norway spruce (Picea abies) dominated stands are caused by Heterobasidion root rot, wind storms, and European spruce bark beetle (Ips typographus). Heterobasidion root rot causes growth losses, mortality and decreases the timber quality. It also decreases the mechanical stability of the tree against wind load and increases the stand vulnerability for wind damages. Bark beetles benefit from the low resistance breeding material, i.e., wind damaged trees, when the population is low and can emerge as outbreaks in the right conditions. This thesis presents a simulation framework WINDROT to simulate the interactive dynamics of these disturbance agents. WINDROT consists of four simulation models, each responsible for either the dynamics of the host or one of the disturbance agents. A stand level decision support system, MOTTI, simulates the growth and dynamics of tree stands as affected by forest management, and provides inputs for mechanistic models Hmodel, HWIND and BBDYN simulating the dynamics and effects of disturbance agents. The model performance analyses in tree and stand scale showed that; i) the Heterobasidion dynamics are driven by primary and secondary infections on large stumps; ii) increasing intensity of Heterobasidion root rot damages increases the risk for wind damages; and iii) the increasing wind damages increased the subsequent bark beetle damages. The simulation framework can be used to analyze the sensitivity of different forest management regimes to the risks posed by these damages alone and in various combinations