National-scale nitrogen loading from the Finnish agricultural fields has decreased since the 1990s

The national scale nutrient load modelling system VEMALA-ICECREAM was used to simulate agricultural total nitrogen(TN) loading and its trends for all Finnish watersheds for the period from 1990–2019. Across Finland, agricultural TN loading (ATNL) has decreased from 17.4 kg ha-1 a-1 to 14.4 kg ha-1 a-1 (moving 10-year averages) since the 1990s. The main driver of the decrease in simulated ATNL is a reduction in mineral fertilizer use, which has decreased the N surplus in the soils. The TN leached fraction, however, did not show a trend but did have high annual variability due to variations in runoff; this corresponds to an average of 14.4% of the TN applied. The ATNL was considerably higher in the Archipelago Sea catchment compared to other Finnish Baltic Sea sub-catchments, with the lowest ATNL found in the Vuoksi catchment in Eastern Finland. The highest decrease of ATNL was simulated for Vuoksi and Gulf of Finland catchments. In the Bothnian Sea, Bothnian Bay and Archipelago Sea catchments, the decreasing trend of ATNL was smaller but still significant, with the exception of the Quark catchment, where there was no significant change. The differences in decreasing trends between regions can be explained by the heterogeneity of catchment characteristics, hydrology and agricultural practices in different regions.

Warming and ozone exposure effects on silver birch (Betula pendula Roth) leaf litter quality, microbial growth and decomposition

Background and aims Climate warming is expected to accelerate decomposition in boreal forests, but the concomitant effects of tropospheric ozone (O-3), a phytotoxic greenhouse gas, alone and in combination with warming, are poorly understood. We studied how these two climatic factors affect leaf litter decomposition of two silver birch genotypes. Methods We used field exposure for growing saplings and native and reciprocal transplant experiments for litter incubation to disentangle environmental and litter quality mediated effects of temperature and O-3 on litter mass loss. We analysed litter C% and N% and microbial biomass (using qPCR) in fresh litter and after 217 and 257 days of incubation. Results Warming decreased fresh litter C% and N% and bacterial DNA, whereas elevated O-3 increased N% and bacterial and fungal DNA, equally for both genotypes. In contrast, most effects on microbes during litter incubation varied between the two genotypes. Warming effects on microbes were mainly environmental, but despite having effects on litter quality and microbial growth, warming and O-3 both had only weak or no effects on litter mass loss. Conclusions Litter quality and microbial growth in northern birch stands are likely to change due to warming and O-3 exposures, but effects on litter decomposition rate may remain weak.Peer reviewe

BVOC Emissions From a Subarctic Ecosystem, as Controlled by Insect Herbivore Pressure and Temperature

The biogenic volatile organic compounds, BVOCs have a central role in ecosystem-atmosphere interactions. High-latitude ecosystems are facing increasing temperatures and insect herbivore pressure, which may affect their BVOC emission rates, but evidence and predictions of changes remain scattered. We studied the long-term effects of + 3 degrees C warming and reduced insect herbivory (achieved through insecticide sprayings) on mid- and late summer BVOC emissions from field layer vegetation, supplemented with birch saplings, and the underlying soil in Subarctic mountain birch forest in Finland in 2017-2018. Reduced insect herbivory decreased leaf damage by 58-67% and total ecosystem BVOC emissions by 44-72%. Of the BVOC groups, total sesquiterpenes had 70-80% lower emissions with reduced herbivory, and in 2017 the decrease was greater in warmed plots (89% decrease) than in ambient plots (34% decrease). While non-standardized total BVOC, monoterpene, sesquiterpene and GLV emissions showed instant positive responses to increasing chamber air temperature in midsummer samplings, the long-term warming treatment effects on standardized emissions mainly appeared as changes in the compound structure of BVOC blends and varied with compounds and sampling times. Our results suggest that the effects of climate warming on the total quantity of BVOC emissions will in Subarctic ecosystems be, over and above the instant temperature effects, mediated through changes in insect herbivore pressure rather than plant growth. If insect herbivore numbers will increase as predicted under climate warming, our results forecast herbivory-induced increases in the quantity of Subarctic BVOC emissions.Peer reviewe

Intrapopulation Genotypic Variation of Foliar Secondary Chemistry during Leaf Senescence and Litter Decomposition in Silver Birch (Betula pendula)

Abundant secondary metabolites, such as condensed tannins, and their interpopulation genotypic variation can remain through plant leaf senescence and affect litter decomposition. Whether the intrapopulation genotypic variation of a more diverse assortment of secondary metabolites equally persists through leaf senescence and litter decomposition is not well understood. We analyzed concentrations of intracellular phenolics, epicuticular flavonoid aglycones, epicuticular triterpenoids, condensed tannins, and lignin in green leaves, senescent leaves and partly decomposed litter of silver birch, Betula pendula. Broad-sense heritability (H-2) and coefficient of genotypic variation (CVG) were estimated for metabolites in senescent leaves and litter using 19 genotypes selected from a B. pendula population in southern Finland. We found that most of the secondary metabolites remained through senescence and decomposition and that their persistence was related to their chemical properties. Intrapopulation H-2 and CVG for intracellular phenolics, epicuticular flavonoid aglycones and condensed tannins were high and remarkably, increased from senescent leaves to decomposed litter. The rank of genotypes in metabolite concentrations was persistent through litter decomposition. Lignin was an exception, however, with a diminishing genotypic variation during decomposition, and the concentrations of lignin and condensed tannins had a negative genotypic correlation in the senescent leaves. Our results show that secondary metabolites and their intrapopulation genotypic variation can for the most part remain through leaf senescence and early decomposition, which is a prerequisite for initial litter quality to predict variation in litter decomposition rates. Persistent genotypic variation also opens an avenue for selection to impact litter decomposition in B. pendula populations through acting on their green foliage secondary chemistry. The negative genotypic correlations and diminishing heritability of lignin concentrations may, however, counteract this process.Peer reviewe

Genotype x Herbivore Effect on Leaf Litter Decomposition in Betula Pendula Saplings : Ecological and Evolutionary Consequences and the Role of Secondary Metabolites

Peer reviewe

Intrapopulation genotypic variation in leaf litter chemistry does not control microbial abundance and litter mass loss in silver birch, Betula pendula

Background and aims Differences among plant genotypes can influence ecosystem functioning such as the rate of litter decomposition. Little is known, however, of the strength of genotypic links between litter quality, microbial abundance and litter decomposition within plant populations, or the likelihood that these processes are driven by natural selection. Methods We used 19 Betula pendula genotypes randomly selected from a local population in south-eastern Finland to establish a long-term, 35-month litter decomposition trial on forest ground. We analysed the effect of litter quality (N, phenolics and triterpenoids) of senescent leaves and decomposed litter on microbial abundance and litter mass loss. Results We found that while litter quality and mass loss both had significant genotypic variation, the genotypic variation among silver birch trees in the quantity of bacterial and fungal DNA was marginal. In addition, although the quantity of bacterial DNA at individual tree level was negatively associated with most secondary metabolites of litter and positively with litter N, litter chemistry was not genotypically linked to litter mass loss. Conclusions Contrary to our expectations, these results suggest that natural selection may have limited influence on overall microbial DNA and litter decomposition rate in B. pendula populations by reworking the genetically controlled foliage chemistry of these populations.Peer reviewe

Leaf N resorption efficiency and litter N mineralization rate have a genotypic tradeoff in a silver birch population

Plants enhance N use efficiency by resorbing N from senescing leaves. This can affect litter N mineralization rate due to the C:N-ratio requirements of microbial growth. We examined genotypic links between leaf N resorption and litter mineralization by collecting leaves and litter from 19 Betula pendula genotypes and following the N release of litter patches on forest ground. We found significant genotypic variation for N resorption efficiency, litter N concentration, cumulative three-year patch N-input and litter N release with high broad-sense heritabilities (H-2 = 0.28-0.65). The genotype means of N resorption efficiency varied from 46% to 65% and correlated negatively with the genotype means of litter N concentration, cumulative patch N-input and litter N release. NH4+ yield under patches had a positive genotypic correlation with the cumulative patch N-input. During the first year of litter decomposition, genotypes varied from N immobilization (max 2.71 mg/g dry litter) to N release (max 1.41 mg/g dry litter), creating a genotypic tradeoff between the N conserved by resorption and the N available for root uptake during the growing season. We speculate that this tradeoff is one likely reason for the remarkably wide genotypic range of N resorption efficiencies in our birch population.Peer reviewe

BVOC Emissions From a Subarctic Ecosystem, as Controlled by Insect Herbivore Pressure and Temperature

The biogenic volatile organic compounds, BVOCs have a central role in ecosystem-atmosphere interactions. High-latitude ecosystems are facing increasing temperatures and insect herbivore pressure, which may affect their BVOC emission rates, but evidence and predictions of changes remain scattered. We studied the long-term effects of + 3 degrees C warming and reduced insect herbivory (achieved through insecticide sprayings) on mid- and late summer BVOC emissions from field layer vegetation, supplemented with birch saplings, and the underlying soil in Subarctic mountain birch forest in Finland in 2017-2018. Reduced insect herbivory decreased leaf damage by 58-67% and total ecosystem BVOC emissions by 44-72%. Of the BVOC groups, total sesquiterpenes had 70-80% lower emissions with reduced herbivory, and in 2017 the decrease was greater in warmed plots (89% decrease) than in ambient plots (34% decrease). While non-standardized total BVOC, monoterpene, sesquiterpene and GLV emissions showed instant positive responses to increasing chamber air temperature in midsummer samplings, the long-term warming treatment effects on standardized emissions mainly appeared as changes in the compound structure of BVOC blends and varied with compounds and sampling times. Our results suggest that the effects of climate warming on the total quantity of BVOC emissions will in Subarctic ecosystems be, over and above the instant temperature effects, mediated through changes in insect herbivore pressure rather than plant growth. If insect herbivore numbers will increase as predicted under climate warming, our results forecast herbivory-induced increases in the quantity of Subarctic BVOC emissions

Hiilineutraali Suomi 2035: Maatalouden lisätoimenpiteiden ja ruokavaliomuutoksen päästövähennysvaikutukset

Vuonna 2021 päättyneen VN TEAS HIISI -hankkeen yhdessä osakokonaisuudessa mallinnettiin maatalous- ja LULUCF-sektorien kasvihuonekaasupäästöjen kehitys nykytoimin (HIISI-WEM-skenaario) ja uusin politiikkatoimin (HIISI-WAM-skenaario). Kaikki pääministeri Marinin hallituksen politiikkatoimet vuoden 2035 hiilineutraaliustavoitteen saavuttamiseen eivät kuitenkaan olleet vielä tiedossa kesällä 2021 HIISI-WAM-skenaarion toimia määriteltäessä. Siksi tarvittiin maatalouden kasvihuonekaasupäästöjä koskeva uusi vaikutusarviointi, jossa ovat mukana hallituksen syksyn 2021 budjettiriihen yhteydessä maataloudelle linjaamat keskeiset toimet: rajoitetaan turpeen hajoamista ja maaperäpäästöjä nostamalla pohjaveden pintaa turvepelloilla siirtämällä vähintään 30 000 hehtaarin pinta-ala kosteikkoviljelyyn, lisätään ilmastoystävällisen rehun osuutta kotieläinten ruokinnassa ja edistetään biokaasun käyttöä sekä kierrätyslannoitevalmisteiden kokeilua ja käyttöönottoa. Lisäksi hallitus sopi, että EU:n yhteisen maatalouspolitiikan (CAP) seuraavan rahoituskauden kansallinen toimeenpano linjataan syyskuussa 2021 päättyvän Suomen CAP-suunnitelman lausuntokierroksen jälkeen. Tässä selvityksessä tarkasteltaviksi maatalouden lisätoimenpiteiksi valittiin turvemaan nurmiviljely korotetulla pohjavedenpinnan tasolla (-30 cm maanpinnan tasosta), ruokohelven yms. kasvien viljely turvemaalla korotetulla pohjavedenpinnan tasolla (-30 cm maanpinnan tasosta), turvepeltojen nurmet (CAP-suunnitelman toimenpide), entiselle turvepellolle kasvihuonekaasupäästöjen hillitsemiseksi perustettu kosteikko (sisältyy CAP-suunnitelman toimenpiteeseen kosteikkojen hoito), nautojen metaanipäästöjen vähentäminen 3-nitro-oksipropanolia sisältävän rehulisäaineen avulla sekä kierrätyslannoitevalmisteiden osuuden lisääminen. Jälkimmäisen oletuksena on, että yhä suurempi osuus lannan ja maatalouden kasvibiomassojen energiasisällöstä otetaan talteen biokaasuna ja jäljelle jäävästä mädätteestä valmistetaan kierrätyslannoitevalmisteita. Selvityksen perusskenaariona käytettiin VN TEAS HIISI -hankkeessa muodostettua perusskenaariota (HIISI-WEM). Selvityksessä hyödynnettiin VN TEAS HIISI -hankkeessa laadittua politiikkaskenaariota (HIISI-WAM) ja muodostettiin uusi politiikkaskenaario (HIISI-WAM-budjettiriihi), joka huomioi HIISI-WAM-skenaarioon jo sisältyvien toimien lisäksi myös edellä mainitut uudet lisätoimenpiteet. Näiden skenaarioiden tuottamia eroja vertailemalla tarkasteltiin, kuinka suuria päästövähennyksiä lisätoimien avulla voidaan saavuttaa vuosina 2025–2050. Samalla arvioitiin uusien toimenpiteiden toteuttamiskustannuksia ja kustannusvaikuttavuutta. Nykytoimiskenaarioon (HIISI-WEM) verrattuna HIISI-WAM-budjettiriihiskenaarioon sisältyvien maatalouden toimenpiteiden päästövähennyspotentiaali on maataloussektorilla 0,86 miljoonaa hiilidioksidiekvivalenttitonnia (Mt CO2-ekv.) vuoteen 2035 mennessä. Lisäksi toimenpiteistä syntyy päästövähennyksiä 1,19 Mt CO2-ekv. LULUCF-sektorilla ja 0,26 Mt CO2-ekv. energiasektorilla, jolloin maataloudesta peräisin olevat päästöt vähenevät HIISI-WAM-budjettiriihiskenaariossa kaikkiaan 2,31 Mt CO2-ekv. vuoteen 2035 mennessä. Tarkastelluista lisätoimenpiteistä kustannusvaikuttavimpia ovat toimenpiteet, joissa turvepelloilla viljellään kosteikkoviljelyyn soveltuvia kasveja tai nurmea korotetulla pohjavedenpinnan tasolla. Näillä toimenpiteillä yhden hiilidioksidiekvivalenttitonnin suuruisen päästövähennyksen kustannukseksi tulee arviolta 30–40 euroa. Rehun lisäaine 3-nitro-oksipropanoli (3-NOP) vähentää eläinkohtaisia nautojen ruuansulatuksen metaanipäästöjä noin neljänneksen, joka lähivuosina tarkoittaisi noin 0,33 Mt CO2-ekv:n vuotuista päästövähennystä maataloussektorilla. Tämä edellyttää 3-NOP-lisäaineen antamista jatkuvasti rehun joukossa EU-hyväksynnän mukaisille eläinryhmille: lypsy- ja emolehmät sekä maidontuotantoa varten siemennetyt hiehot. 3-NOP-valmisteella ei ole vielä markkinahintaa, joten lisäaineen kustannukseksi arvioitiin 1 snt / tuotettu maitolitra perustuen oletettuun päästöoikeuden hintaan 70 € / tn CO2-ekv. Maitoa tuotetaan Suomessa vuosittain noin 2,25 miljardia litraa, joten kokonaiskustannukset 3-NOP-lisäaineen käytöstä ovat arviolta noin 22,5 miljoonaa euroa vuodessa. Kierrätyslannoitevalmisteet voivat korvata osan mineraalilannoitteista, mikä vähentää lannoitteiden tuotannosta aiheutuvia kasvihuonekaasujen päästöjä. Kun kierrätyslannoitevalmisteita tuotetaan biokaasulaitosten yhteydessä maatalouden lannoista ja apilanurmesta, voidaan vähentää lannankäsittelyn päästöjä ja tarjota mielekäs hyödyntämiskohde sellaisille nurmimassoille, joita ei tarvita rehuna mutta joiden tuotanto voi tukea mm. maaperän kunnon ylläpitoa. Biokaasulaitoksissa tuotettu energia voidaan hyödyntää maataloudessa tai tarjota kädenjälkenä muille toimijoille. Suurimmat päästövähennykset biokaasun käytöstä saadaan, kun sitä käytetään liikenteen fossiilisten polttoaineiden tai teollisuudessa maakaasun korvaajana. Kokonaispäästövähennysvaikutus kierrätyslannoitevalmisteiden osuuden lisäämisestä maatalouden biomassojen hyödyntämisessä vuonna 2035 on 0,41 Mt CO2-ekv., josta 0,15 Mt CO2-ekv. maataloussektorilla. Maatalouden lantojen ja nurmien hyödyntäminen biokaasutuotannossa tehostaa ravinteiden kierrätystä, mutta vaatii merkittäviä investointeja ja investointitukia. Ravinteiden kierrätys onkin pelkkää ilmastovaikutusta suurempi tekijä kestävän ruokaketjun toteutuksessa, sillä se lisää ravinneomavaraisuutta, parantaa huoltovarmuutta ja vähentää maatalouden haitallisia vesistövaikutuksia. Selvityksessä tarkasteltiin myös kansallisen kasvispainotteisemman ruokavalion vaikutuksia maatalouden kasvihuonekaasupäästöihin ja muodostettiin ruokavaliomuutoksen politiikkaskenaario (HIISI-WAM-ruokavaliomuutos). HIISI-WAM-ruokavaliomuutosskenaario sisältää samat toimenpiteet kuin HIISI-WAM-budjettiriihiskenaario. HIISI-WAM-ruokavaliomuutosskenaariossa maataloustuotanto, pellonkäyttö ja kasvihuonekaasupäästöt muuttuvat HIISI-WAM-budjettiriihiskenaarioon verrattuna sen vuoksi, että ruokavaliot ja maataloustuotteiden kotimainen kysyntä muuttuvat. Muutokset ruokavalioissa johtuvat kuluttajien mieltymysten ja ruokatottumusten muutoksista. HIISI-WAM-ruokavaliomuutosskenaarion päästövähennysvaikutus maataloussektorilla on yhteensä 1,07 Mt CO2-ekv. vuonna 2035 HIISI-WEM-skenaarioon verrattuna. Lisäksi päästövähennyksiä syntyy 0,99 Mt CO2-ekv. LULUCF-sektorilla ja 0,26 Mt CO2-ekv. energiasektorilla, jolloin maataloudesta peräisin olevat päästöt vähenevät HIISI-WAM-ruokavaliomuutosskenaariossa kaikkiaan 2,32 Mt CO2-ekv. vuoteen 2035 mennessä. Ruokavaliomuutos vaikuttaa maataloustuotantoon viiveellä, joten HIISI-WAM-ruokavaliomuutosskenaarion isommat päästövähennysvaikutukset näkyvät vasta vuoden 2035 jälkeen. Vuoteen 2040 mennessä maataloussektorin päästövähennystä kertyy vielä 0,3 Mt CO2-ekv. lisää