Effects of recreational use and fragmentation on the understorey vegetation and soil microbial communities of urban forests in southern Finland

The impacts of fragmentation and recreational use on the hemiboreal urban forest understorey vegetation and the microbial community of the humus layer (the phospholipid fatty acid (PLFA) pattern, microbial biomass and microbial activity, measured as basal respiration) were examined in the greater Helsinki area, southern Finland. Trampling tolerance of 1) herb-rich OMT, 2) mesic MT, and 3) sub-xeric VT forests (in decreasing order of fertility) was studied by comparing relative understorey vegetation cover (urban/untrampled reference ratio) of the three forest types. The trampling tolerance of forest vegetation increased with the productivity of the site (sub-xeric < mesic < herb-rich). Wear of understorey vegetation correlated positively with the number of residents (i.e., recreational pressure) around the forest patch. An increase of 15000 residents within a radius of 1 km around a forest patch was associated with ca. 30% decrease in the relative understorey vegetation cover. The cover of dwarf shrub Vaccinium myrtillus in particular decreased with increasing levels of wear. The cover of mosses in urban forests was less than half of that in untrampled reference areas. Cover of tree saplings, mainly Sorbus aucuparia, and some resilient herbs was higher than in the reference areas. In small urban forest fragments, broad-leaved trees, grasses and herbs were more abundant and mosses were scarcer than in larger urban forest areas. Thus, due to trampling and edge effects, resilient herb and grass species are replacing sensitive dwarf shrubs, mosses and lichens in urban forests. Differences in the soil microbial community structure were found between paths and untrampled areas and the effects of paths extended more than one meter from the paths. Paths supported approximately 25-30% higher microbial biomass with a transition zone of at least 1 m from the path edge. However, microbial activity per unit of biomass was lower on paths than in untrampled areas. Furthermore, microbial biomass and activity were 30-45% lower at the first 20 m into the forest fragments, due to low moisture content of humus near the edge. The decreased microbial activity detected at forest edges and paths implies decreased litter decomposition rates, and thus, a change in nutrient cycling. Changes in the decomposition and nutrient supply may in turn affect the diversity and function of plant communities in urban forests. Keywords: boreal forest vegetation, edge effects, phospholipid fatty acids, trampling, urban woodlands, wearTässä tutkimuksessa selvitettiin virkistyskäytön ja pirstoutumisen vaikutuksia kaupunkimetsien aluskasvillisuuteen ja maaperän mikrobiyhteisöön pääkaupunkiseudulla. Lisäksi vertailtiin kolmen yleisimmän metsätyypin, puolukka- (VT), mustikka- (MT) ja käenkaali-mustikkatyypin (OMT), aluskasvillisuuden kulutuskestävyyttä. Työssä havaittiin, että kasvupaikan ravinteisuuden lisääntyessä myös kulutuskestävyys lisääntyi. Tutkituista metsätyypeistä herkin oli puolukkatyypin kuivahko kangas (VT) ja kestävin käenkaali-mustikkatyypin lehtomainen kangas (OMT). Aluskasvillisuus oli kuluneinta metsiköissä, joiden ympärillä asukasmäärä oli suurin. Kun asukasmäärä kilometrin säteellä metsiköstä kasvoi 15000 asukkaalla, aluskasvillisuuden suhteellinen peittävyys väheni noin 30%. Erityisesti mustikan peittävyys väheni kulutuksen lisääntyessä. Sammalten peittävyys kaupunkimetsissä oli vain alle puolet sammalten peittävyydestä tallaamattomilla vertailualueilla. Sitä vastoin puiden taimien, erityisesti pihlajan, sekä joidenkin kestävien ruohovartisten kasvien peittävyydet olivat kaupunkimetsissä suuremmat kuin vertailualueilla. Pienissä metsäpirstaleissa lehtipuut, heinät ja ruohot olivat runsaita ja sammalet vähäisiä. Lisääntyvä virkistyskäyttö ja pirstoutuminen muuttavat siis kaupunkimetsien kasvillisuutta lehtipuu, ruoho- ja heinävaltaisemmaksi sammalten ja varpujen kustannuksella. Tutkimuksessa havaittiin, että tallauksen aiheuttama kulutus muuttaa mikrobiyhteisön rakennetta paitsi poluilla myös polkujen ympäristössä. Vaikutus ulottui yli metrin päähän poluista. Mikrobibiomassa oli 25-30% suurempi poluilla kuin tallaamattomilla alueilla. Kuitenkin mikrobiaktiivisuus biomassayksikköä kohti oli alhaisempi poluilla kuin yli metrin etäisyydellä poluista. Metsien pirstoutumisen aiheuttama reunavaikutuksen kasvu vaikuttaa mikrobiyhteisöön osin saman suuntaisesti. Metsien reuna-alueet ovat paahteisempia, tuulisempia ja kuivempia kuin metsien sisäosat. Nämä reunavaikutukset aiheuttavat suoria muutoksia sekä kasvillisuudessa että maaperän mikrobistossa. Sekä mikrobibiomassa että -aktiivisuus olivat 30-45% alhaisempia metsien reunoissa kuin metsien sisäosissa, sillä noin kahdenkymmenen metrin levyisellä reunavyöhykkeellä maaperä oli liian kuivaa kosteutta vaativille mikrobeille. Alentunut mikrobiaktiivisuus poluilla ja metsien reunoissa voi hidastaa karikkeen hajoamista ja aiheuttaa muutoksia maaperän ravinnekierrossa. Tällöin kasvien ravinteiden saanti voi heikentyä. Kaupunkimetsien alkuperäisen kasvillisuuden säilymisen ja maaperän mikrobiston normaalin toiminnan kannalta on tärkeää säilyttää riittävän suuria yhtenäisiä metsäalueita kaupungeissa. Koon lisäksi metsän muoto on tärkeä, sillä alle 40 metriä leveät metsäsuikaleet ovat kokonaan muuttunutta reunavyöhykettä. Sen sijaan esimerkiksi pyöreän, kolmen hehtaarin kokoisen metsikön pinta-alasta vähintään neljännes on reunavaikutuksen tavoittamattomissa olevaa metsän sisäosaa. Virkistyskäyttöön tarkoitettujen kaupunkimetsien suunnittelussa tulisi ottaa huomioon metsien riittävä koko sekä niiden määrä suhteessa asukaslukuun. Kulun ohjaaminen hyvin suunnitellun polkuverkoston avulla on vättämätöntä kasvillisuudeltaan herkkien alueiden suojelemiseksi. Asiasanat: boreaalinen metsäkasvillisuus, kuluminen, reunavaikutus, taajamametsät, tallau

Soil biota in boreal urban greenspace : Responses to plant type and age

Plant functional type influences the abundance and distribution of soil biota. With time, as root systems develop, such effects become more apparent. The relationship of plant type and time with the structure and abundance of soil microbial and invertebrate communities has been widely investigated in a variety of systems. However, much less is known about long-term soil community dynamics within the context of urban environments. In this study, we investigated how soil microbes, nematodes and earthworms respond to different plant functional types (lawns only and lawns with deciduous or evergreen trees) and park age in 41 urban parks in southern Finland. As non-urban controls we included deciduous and evergreen trees in 5 forest sites. We expected that microbial biomass and the relative abundance of fungi over bacteria would increase with time. We also expected major differences in soil microbial and nematode communities depending on vegetation: we hypothesized that i) the presence of trees, and evergreens in particular, would support a greater abundance of fungi and fungal-feeding nematodes over bacteria and bacterial-feeding nematodes and ii) the fungi to bacteria ratio would be lowest in lawns, with deciduous trees showing intermediate values. In contrast to our predictions, we showed that old deciduous trees, rather than evergreens, supported the highest fungal abundances and fungal-feeding nematodes in the soil. Consistent with our predictions, microbial biomass in urban park soils tended to increase with time, whereas - in contrast to our hypotheses - fungal-feeding nematode abundance declined. Even in the oldest parks included in the current study, microbial biomass estimates never approximated those in the minimally managed natural forests, where biomass estimates were three times higher. Anecic earthworm abundance also increased with time in urban parks, whereas abundances of fungal-feeding, plant-feeding and omnivorous nematodes, as well as those of epigeic and endogeic earthworms remained constant with time and without any distinct differences between urban parks and the control forests. Our findings highlight that although urban park soils harbor diverse soil communities and considerable microbial biomass, they are distinct from adjacent natural sites in community composition and biomass.Peer reviewe

Soil Microbial Community Changes in Wooded Mountain Pastures due to Simulated Effects of Cattle Grazing

The effect of cattle activity on pastures can be subdivided into three categories of disturbances: herbage removal, dunging and trampling. The objective of this study was to assess separately or in combination the effect of these factors on the potential activities of soil microbial communities and to compare these effects with those of soil properties and plant composition or biomass. Controlled treatments simulating the three factors were applied in a fenced area including a light gradient (sunny and shady situation): (i) repeated mowing; (ii) trampling; (iii) fertilizing with a liquid mixture of dung and urine. In the third year of the experiment, community level physiological profiles (CLPP) (Biolog Ecoplates¿) were measured for each plots. Furthermore soil chemical properties (pH, total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus), plant species composition and plant biomass were also assessed. Despite differences in plant communities and soil properties, the metabolic potential of the microbial community in the sunny and in the shady situations were similar. Effects of treatments on microbial communities were more pronounced in the sunny than in the shady situation. In both cases, repeated mowing was the first factor retained for explaining functional variations. In contrast, fertilizing was not a significant factor. The vegetation explained a high proportion of variation of the microbial community descriptors in the sunny situation, while no significant variation appeared under shady condition. The three components of cattle activities influenced differently the soil microbial communities and this depended on the light conditions within the wooded pasture. Cattle activities may also change spatially at a fine scale and short-term and induce changes in the microbial community structure. Thus, the shifting mosaic that has been described for the vegetation of pastures may also apply for below-ground microbial communities

Virkistyskäytön ja pirstoutumisen vaikutukset kaupunkimetsien aluskasvillisuuteen ja maaperän mikrobiyhteisöihin

Seloste väitöskirjasta: Effects of recreational use and fragmentation on the understorey vegetation and soil microbial communities of urban forests in southern Finland. Dissertationes Forestales 54

Kaupungistuminen vaikuttaa metsäkasvillisuuteen ja maaperään

Tieteen tor

Evaluation of a participatory planning process in an urban forest

201