Extensive forest soil monitoring

Part of the online report: Merilä, P. & Jortikka, S. (eds.). Forest Condition Monitoring in Finland – National report. The Finnish Forest Research Institute. http://urn.fi/URN:NBN:fi:metla-201305087568. Original webpages have been converted to a PDF file

Rahkasammalten (Sphagnum sp.) kasvatuksesta Etelä-Suomen turvemailla

Projektissa tutkittiin, vuosina 2007–2016, rahkasammalten (Sphagnum sp.) siirtoviljelyä sekä kontrolloituina astiakokeina, puoliavoimissa muovikasvihuoneissa että kenttäolosuhteissa, turvetuotannosta vapautuneella suonpohjalla. Luonnontilaisemmalla, ojitetulla rahkarämeellä tutkittiin luontaisesti syntyneen rahkasammalikon hyödyntämistä ja uusiutumista sammalkasvatuksessa. Rahkasammalia siirtoviljeltiin levittämällä koeturpeen pinnalle sammalen eläviä kärki/yläosia. Astiakokeissa soveliammiksi lajeiksi valikoituivat punarahkasammal, Sphagnum magellanicum (Brid.) ja ruskorahkasammal, Sphagnum fuscum (Schimp.). Kontrolloitujen astiakokeiden tulokset viittaavat siihen, että rahkasammalten potentiaalinen biomassan tuottokyky on korkea; tuotos vaihteli välillä 100–750 g kuiva-ainetta/m2/vuosi. Tuotoksen vaihtelu selittyi pääasiassa turpeen kosteuden ja maan pintakerroksen ravinnepitoisuuden vaihtelulla. Keskeisin tekijä rahkasammalkasvun kannalta oli pohjaveden pinnan korkeus turvemaassa. Paras kasvuunlähtö ja korkein biomassan tuotos saavutettiin pohjaveden pinnan ollessa pysyvästi turpeen yläpinnan tasolla. Toisaalta ”turpea” Sphagnum magellanicum-laji sieti pitkäaikaista kuivuutta hyvin. Veden puutteessa sen kasvu pysähtyi mutta elinkyky säilyi, ja turpeen kostuttua uudelleen kasvu palautui. Toinen tärkeä kasvutekijä oli kasviravinne fosfori (P). Astiakokeiden maksimituotokset saavutettiin rahkasammalten kannalta edullisimmalla maan kosteuden ja fosforipitoisuuden yhdistelmällä, mutta fosforin vaikutus heikkeni merkittävästi, mikäli pohjaveden pinnan taso ei ollut optimaalisella tasolla. Rahkasammalten fosforin tarve osoittautui suhteellisen alhaiseksi. Rahkasammalten siirtoviljelyn kenttäkokeet toteutettiin vuosina 2013–2016, kontrolloitujen as-tiakokeiden tuloksiin pohjautuen. Kokeissa tutkittiin maan kosteuden ts. pohjaveden pinnan tason vaikutuksia Sphagnum magellanicum-rahkasammalen kasvuunlähtöön ja biomassan tuotokseen turvetuotannosta vapautuneella suonpohjalla. Suonpohjakokeet sisälsivät sekä kosteusgradientti- että allasviljelykokeen. Ensin mainitussa rahkasammalten kasvuoloja parannettiin kasvinviljelyharsolla. Luonnontilaisemmalla, ojitetulla rahkarämeellä tutkittiin luontaisesti syntyneiden Sphagnum magellanicum-kasvustojen palautumista ja biomassan tuotosta, rahkasammalen elävän pintakerroksen korjuun jälkeen. Kenttäkokeissa rahkasammalten lajivertailua ei voitu toteuttaa. Tulosten mukaan turvesuonpohjalla rahkasammalviljely on toteutettava merkittävästi suuremmalla siirtosammalen määrällä kuin astiaviljelyssä. Kenttäoloissa vaaditaan 10–20 cm vahvuinen sammalkerros (0,025 m3/m2), astiaviljelyssä riittää 1–2 cm:n (0,005 m3/m2) kerros. Vuosien 2013–2016 rahkasammalkasvulle edullisten, pitkien, viileän-kosteiden kasvukausien aikana sammalten kasvuunlähtö oli turvesuonpohjalla hyvä sekä kosteusgradientin optimitasolla että allasviljelykokeessa. Rahkasammal kasvoi myös kosteusgradienttikokeen kuivalla lohkolla, mutta biomassan tuotos oli vain <100 g kuiva-ainetta/m2/vuosi. Kokeen kosteimmassa osassa, kasvukauden aikana esiintyneiden tulvien vaikutusalueilla, sammalen kasvuun lähtö oli heikkoa ja tuotos vähäistä. Korkein Sphagnum magellanicum-lajin biomassan tuotos turvesuonpohjalla, 200–250 g kuiva-ainetta/m2/vuosi, saavutettiin kosteusgradienttikokeen koelohkolla, jossa pohjaveden pinnan taso säilyi lähellä turpeen yläpintaa. Rahkasammalten allasviljelykokeessa keskituotos oli 140 g kuiva-ainetta/m2/vuosi. Altaissa pohjaveden pinnan taso vaihteli pääosin optimaalisen tason ja haitallisen tulvan välillä. Allasviljelymenetelmä soveltuu turvemaille, joilla pohjaveden pinta alenee paljon ja pysyvämmin, kasvukauden sateettomina, lämpiminä sääjaksoina. Kenttäkokeilla rahkasammalten biomassan tuotokset olivat merkittävästi alhaisemmat kuin kontrolloitujen astiakokeiden tuotokset - sääoloiltaan edullisten kasvukausien, kasvatusaltaiden ja kasvinviljelyharson siirtoviljelyn herkän alkuvaiheen kasvuoloja edistävästä vaikutuksesta huolimatta. Toisaalta, viljelmän perustamisvaiheelle välttämätön kasvatusharso on saattanut varjostuksellaan alentaa rahkasammalten kasvua myöhemmin. Rahkasammalten monokulttuuriviljelmien muodostumista turvesuonpohjille haittasi kolmannen koekasvukauden aikana ilmennyt voimakas muun suokasvillisuuden sukkessio sekä kosteusgradientti- että allasviljelykokeessa. Vuoden 2016 syksyyn mennessä kaikille rahkasammalten kasvun kannalta optimaalisen kosteille koealoille oli levinnyt laaja kirjo suokasvillisuutta, joka kilpaili ja heikensi rahkasammalten kasvua. Toisaalta siirtorahkasammalpeite edisti metsäpuiden, hieskoivun ja männyn luontaista uudistumista turvesuonpohjalla. Tutkimustulokset viittaavat siihen, että rahkasammalten siirtoviljely turvetuotannosta vapautuneilla suonpohjilla edistää lähinnä soiden ennallistamista/metsittymistä, ja vain vähemmässä määrin taloudellisesti kannattavaa kasvintuotantoa. Koetulosten mukaan ojitetun rahkarämeen rahkasammalkasvustosta voidaan korjata 10–15 cm vahvuinen elävä pintakerros, ja jäljelle jäävästä sammalikon alaosasta kasvaa uusi, elinkykyinen pintakerros. Palautuminen kestää, 2-3 kasvukautta, mikäli sammalkorjuu ei muuta suon pohjaveden pinnan tasoa merkittävästi. Rahkasammalkasvun kannalta edullisten kasvukausien 2014–2016 aikana, uusiutuvan Sphagnum magellanicum-kasvuston biomassan tuotos oli 300–400 g kuiva-ainetta/m2/vuosi. Rahkarämeellä havaittiin samanlainen muun suokasvillisuuden sukkessio kuin turvesuonpohjakokeilla, mutta lievempänä, joten edellytykset rahkasammalbiomassan kasvatukselle ovat rahkarämeelle paremmat kuin suonpohjilla. Rahkasuokokeita on syytä jatkaa rahkasammalten pitkän aikavälin biomassan tuotoskyvyn, suon vesitalouden ja fosforin kasvuvaikutusten tutkimuksilla. Abstract We studied Sphagnum sp. transplanting-cultivation on peat soils. The adaption, biomass production potential and the effect of environmental factors on the growth of Sphagnum mosses were examined in controlled pot-experiments (semi-open, plastic greenhouse) between 2007 and 2012. Field experiments in southern Finland, between 2013 and 2016 included: a) effects of soil moisture/ground water level and amount of transplanted moss on adaption and biomass production of Sphagnum moss, grown under permeable plant cover, on plantless cut-over peat soil b) adaption and biomass production of transplanted Sphagnum moss in sink-pool cultivation, on plantless cut-over peat c) recovery and biomass production of Sphagnum moss after harvesting the upper part of the native, living moss layer (10–15 cm), of a more native, semi-drained Sphagnum mire. The results indicate, that Sphagnum mosses can be transplanted/cultivated by adding living moss particles or moss clods on the plantless peat soil. Magellanic bogmoss, Sphagnum magellanicum (Brid.) and Rusty bogmoss, Sphagnum fuscum (Schimp.) appeared to be the most suitable species. A 1–2 cm moss layer, 0,005 m3/m2, is needed for cultivation in semi-open nurseries, whereas a 10-20 cm layer , 0,02-0,03 m3/m2 of transplanted Sphagnum moss is required in field conditions. The results of the pot-experiments indicate, that the biomass production of transplanted Sphagnum magellanicum and Sphagnum fuscum may vary between 100 and 750 g, dry matter/m2/year. The yield correlated positively mainly with soil moisture and soil nutrient content. After two growing seasons the thickness of the juvenile moss bed varied between 1–15 cm. The most crucial growth factor for the Sphagnum mosses was the soil water content/ the ground water level in peat. At the start of cultivation in particular, the ground water level must be sustained on the surface of the peat soil. On the other side, transplanted Sphagnum magellanicum withstood long-term drought stress well; the growth recovered relatively rapidly after rewetting. The adaption and growth of the transplanted Sphagnum mosses can be increased by nutrient amendments. The most critical nutrient was soil phosphorus (P). The P-demand of the Sphagnum mosses is relatively low. The soil nutrients can be added in common fertilizers, on surface of the peat, before Sphagnum cultivation. The field experiments included one species, Sphagnum magellanicum. The results indicate that the high biomass production potential of Magellanic bogmoss is diminished under field conditions; the bmp varied between 25–400 g dry matter/m2/year. The highest values, 300–400 g dry matter/m2/year were recorded in the recovered, juvenile Sphagnum magellanicum moss layer of the more native, semi-drained Sphagnum mire, after harvesting the upper, native, living moss floor. The lowest values on cut-over peatland were measured, either on relatively dry peat or peat under flood, whereas the highest bmp was found on peat with the ground water level maintained on surface of the soil. After three growing seasons, a marked peatplant succession appeared, in particular on moist peat soils. The growth of Eriophorum vaginatum (L). and Polytrichum strictum (Menzies) was prominent, and the number of native birch (Betula pubescens) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) seedlings also increased. The changes in the peat plantation were smaller on the semi-drained Sphagnum mire than on cut-over peat soil. The plant succession decreased the dominance and growth of Sphagnum mosses but enhanced plant diversity and reforestation of the peat environment. In terms of transplanting Sphagnum sp. on cut-over peatlands, the results support use of most moist sub-areas or sink-pool cultivation. As for economically sound Sphagnum sp. production, the results indicate that the research on more native, semi-drained Sphagnum mires should be continued. The Sphagnum cultivation on cut-over peatlands mainly supports restoration of the peat environment.  URN:ISBN:978-952-326-330-7201

How is the logging residue harvesting reflected in the soil solution N and C concentrations 6 years after the clear-cut?

201

Extractives of Tree Biomass of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) for Biorefining in Four Climatic Regions in Finland—Lipophilic Compounds, Stilbenes, and Lignans

The aim of the study was to quantify total extractive contents and lipophilic compounds, stilbenes, and lignans in Scots pine stem wood, stem bark, branch biomass, and sawmill residues in four climatic regions of Finland to evaluate the most optimal sources of extractives for bio-based chemical biorefining and bioenergy products. Data were derived from 78 chip samples from the before-mentioned raw materials, the samples being pooled by tree height position from the sample trees of 42 experimental forest stands, and sawdust lots from 10 log stands. Accelerated solvent extraction (ASE) was employed to determine total extractive contents, followed by gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID) to quantify extractive groups and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to analyse individual extractive compounds. Resin acids and triglycerides followed by fatty acids were the dominant extractive groups. Resin acids were most abundant in stem wood from final fellings and in sawdust, fatty acids in bark and branch biomass, and triglycerides also in stem wood from thinnings and the top parts of trees. Of the minor extractive groups, stilbenes were the most abundant in stem wood from final fellings and in sawdust, and steryl esters, sterols, and lignans in bark and branch biomass, the two last groups almost missing from other biomass components. Regional differences in the contents of extractive groups were generally small, 1.0-1.5 percentage points at the maximum, but factor analysis distinguished northern and southern regions into their own groups. Bark was the most potential source of fatty acids and sterols in southern Finland, and triglycerides and steryl esters in northern Finland. In stem wood, steryl esters, triglycerides, and lignans decreased and stilbenes increased from north to south. Certain fatty acids and resin acids were more frequent in the north. The results highlighted the importance of focused procurement and efficient sorting of raw materials, purity, unique properties, and feasible isolation techniques for competitive ability as well as large raw material volumes or well-defined value-added products.Peer reviewe

Effect of clear-cutting and the amount of logging residue on chemical composition of percolation water in spruce stands on glaciofluvial sandy soils in southern Finland

201

Increasing sustainable use of forests and the carbon-neutrality targets of the Paris Agreement can be combined

201

Happamien sulfaattimaiden yleiskartoituksen hyödyntäminen metsätaloudessa

Maanmuokkaus ja kunnostusojitus happamilla sulfaattimailla aiheuttavat riskejä sekä metsänuudistamiselle että vesistöille. Käytännön metsätaloudessa happamien sulfaattimaiden esiintymisen mahdollisuus tulee ottaa huomioon Suomen rannikkoalueilla. Haittojen ehkäisemiseksi happamien sulfaattimaiden sijainnista tarvitaan tarkkaa tietoa. Ympäristöministeriön rahoittamassa HaSuMetsä-hankkeessa selvitettiin edellytyksiä hyödyntää Geologian tutkimuskeskuksen yleiskartoitusta happamien sulfaattimaiden esiintymisen arvioinnissa metsänuudistamisaloilla. Yhdeksältä Lounais-Suomessa sijaitsevalta metsänuudistamisalalta selvitettiin maaperänäytteiden avulla happamien sulfaattimaiden esiintymistä. Valitut metsänuudistamisalat sijaitsivat pääosiltaan GTK:n luokituksen happamien sulfaattimaiden suuren esiintymisen todennäköisyyden alueella. Yhdeksästä kohteesta kaikkiaan viidellä todettiin hapanta sulfaattimaata. Osa happamiksi sulfaattimaiksi todetuista näytteenottopisteistä sijoittui uudistamisalueen reunoille, joilla esiintymisen todennäköisyys oli GTK:n aineiston perusteella hyvin pieni. Tämän selvityksen perusteella GTK:n yleiskartoitus antaa osviittaa happamien sulfaattimaiden esiintymisestä metsänuudistamisaloilla. Esiintymisen riski on otettava huomioon myös alueilla, joilla esiintymisen todennäköisyys on GTK:n kartoituksen perusteella pieni. GTK:n kartta-aineiston hyödynnettävyyden lisäämiseksi olisi saatava lisää havaintopisteitä metsämaalta ja havaintopisteiden verkoston tulisi olla tiheämpi, jotta kartta-aineistoa voitaisiin tehokkaasti hyödyntää käytännön metsätaloudessa. Nykytilanteessa esiintymisen varmistaminen vaatii maastokäynnin ja maanäytteenottoon perustuvaa tarkempaa analysointia.202

Jämsän metsätiekokeissa käytettävän seostuhkan sisältämien aineiden huuhtoutuminen

Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää liukoisten aineiden huuhtoutumista metsäteillä, joiden rakenteissa oli käytetty tuhkaa. Huuhtoutumista tutkittiin lysimetrien avulla tuhkan välittömässä läheisyydessä tien sisällä sekä syvemmällä tien rakenteissa. Lisäksi selvitettiin huuhtoutumisen vaikutusta tuhkaa sisältävän tien läpi kulkevan laskuojan veden laatuun. Tavoitteena oli saada tietoa tuhkan reagoimisesta tien läpi valuvan veden kanssa tierakenteessa, jotta tierakennetta voitaisiin mahdollisesti kehittää siihen suuntaan, että kemiallisia aineita vapautuisi tuhkakerroksista mahdollisimman vähän. Tuloksia voidaan jossain määrin käyttää taustatietona arvioitaessa laajemmin tuhkan käytön ympäristövaikutuksia, mutta tämä työ on ennen kaikkea ns. case-tutkimus ja edustaa vain tutkittuja aloja liittyen tierakenteiden tutkimukseen ja kehittämiseen. Tierakenteissa käytettiin lentotuhkaa, joka oli seostuhkaa. Tutkittavat metsätiet, joiden rakenteissa tuhkaa oli käytetty, sijaitsivat Jämsässä. Metsäteillä oli yhteensä 10 koealaa, joista viisi sijaitsi ensimmäisellä tiellä (Tie 1) ja viisi toisella tiellä (Tie 2). Metsätiekoealat koostuivat kontrollialasta, joka ei sisältänyt tierakenteessa tuhkaa, sekä neljästä erilaisesta tuhkarakenteesta: 15 cm:n paksuinen kerros tuhkaa ja mursketta suhteessa 33/66, 20 cm:n kerros tuhkaa ja mursketta suhteessa 50/50, 25 cm:n kerros tuhkaa, 50 cm:n kerros tuhkaa. Molemmilla teillä oli yksi ala kutakin käsittelyä. Teiden tuhkaa sisältävistä kerroksista vapautui ravinteita (B, Na, Ca, Mg, K) sekä sulfaattia ja kloridia tien sisällä alaspäin vajoavaan veteen. Näiden aineiden vapautuminen tuhkasta tulee huomioida tuhkaa käytettäessä. Tuhkan laadulla on vaikutusta ravinteiden ja suolojen vapautumiseen. Pitoisuuksien suuri vaihtelu tien sisäisissä vajovesissä vaikeutti yleistettävien tulosten saamista aineiden vapautumisesta vajoveteen. Myös erilaisten tuhkamäärien ja –rakenteiden eroja oli vaikea saada selville. Bariumin ja joidenkin raskasmetallien pitoisuudet olivat kuitenkin tien sisällä vajovesissä joissain tien kohdissa korkeita tuhka-aloilla verrattuna pelkkää mursketta sisältävään alaan. Toisaalta tiessä oli myös tuhka-aloilla samanlaisia pitoisuuksia kuin pelkän murskeen alalla, ja tällaiseen tilanteeseen olisi hyvä päästä tasaisesti kaikissa tien kohdissa. Tuhkan hyvä- ja tasalaatuisuus lienee avaintekijä matalille pitoisuuksille. Tuhkaa sisältävän tien vaikutukset ympäristöön riippuvat paitsi aineiden vapautumisesta vajoveteen, myös niiden uudelleen saostumisesta sekä vajoveden sekoittumisesta ympäröiviin vajo-, pohja- ja ojavesiin. Tässä työssä ympäristövaikutuksia ei tutkittu laajemmin, vaan huuhtoutumisen vaikutusta tutkittiin teiden läpi kulkevien laskuojien veden laadun osalta. Tuhkatien omat ojavedet yhtyivät näihin laskuojiin. Tuhkateiden läpi valuneen laskuojan veden laatuun tuhkatie ei vaikuttanut seurantajakson aikana bariumin ja mitattujen raskasmetallien osalta. Ravinnepitoisuudet (B, Na, Ca, Mg, K) sekä sulfaatin ja kloridin pitoisuudet sen sijaan nousivat laskuojassa tuhkatien vaikutuksesta, mutta veden laatu laskuojissa oli kuitenkin edelleen hyvä vaikutuksen jälkeenkin. Ojan hydrologiset olosuhteet vaikuttavat tuloksiin merkittävästi. Tuloksia voidaan pitää monilta osiltaan lupaavina tuhkarakenteiden kehittämisen kannalta, koska monien raskasmetallien keskimääräiset pitoisuudet olivat suhteellisen matalia useilla tuhkaa sisältävillä aloilla tai keskimääräiset pitoisuudet alenivat tierakenteessa veden kulkiessa alaspäin. Huomiota tulee kiinnittää niihin aineisiin, joissa esiintyi korkeita pitoisuuksia yksittäisinäkin arvoina tai yksittäisissäkin tien kohdissa (esim. Ba, As, Ni, Mo). Huuhtoutumisriski on mahdollisesti olemassa, mikäli korkeita pitoisuuksia tuottavia kohtia on tiessä monin paikoin, ja huuhtoutumista tapahtuu näistä paikoista suoraan ojiin tai pohjaveteen. Tierakenteita voidaan kehittää, jotta huuhtoutuminen olisi aina kaikista tien kohdista tasaista ja vähäistä. Tärkeitä kehittämis- ja tutkimuskohteita voivat olla mm. tuhkan tasalaatuisuuden ja tierakenteiden tiivistämisen merkitys huuhtoumille (tässä tutkimuksessa teitä ei tiivistetty erikseen rakentamisen yhteydessä). Rauta-, mangaani- ja kobolttipitoisuudet olivat korkeita teiden pohjatasoilla kaikilla aloilla, myös tuhkattomilla aloilla.201