The role of landscape, topography, and geodiversity in explaining vascular plant species richness in a fragmented landscape

We explained vascular plant species richness patterns in a 286 km2 fragmented landscape with a notable human influence. The objective of this study was two-fold: to test the relative importance of landscape, topography and geodiversity measures, and to compare three different landscape-type variables in species richness modeling. Moreover, we tested if results differ when only native species are considered. We used generalized linear modeling based variation partitioning and generalized additive models with different explanatory variable sets. Landscape and topography explained the majority of the variation but the relative importance of topography and geodiversity was higher in explaining native species richness than in explaining total species richness. Differences between the three landscape type variables were small and they provided complementary information. Finally, topography and geodiversity often direct human action and can be ultimate causes behind both landscape variability and species richness patterns.peerReviewe

Paikkatietoon ja luontoarvoihin perustuva metsäpurojen suojavyöhykkeiden suunnittelu – GIS-SUS -hankkeen loppuraportti

Hankkeessa testattiin laserkeilausaineistoista johdettujen paikkatietoaineistojen soveltuvuutta pienvesien suojavyöhykkeiden rajaamiseen Pohjois-Pohjanmaalla sijaitsevien purojen ranta-alueilla. Pääasiallisena aineistona oli topografinen kosteusindeksi (DTW), joka ilmaisee maanpinnan korkeuseroa suhteessa pohjaveden pintaan ja siten maan suhteellisia kosteusolosuhteita. Lisäksi tarkasteltiin maaperän eroosioriskistä kertovaa RUSLE-karttaa ja siitä johdettuja retentio- ja massatasekarttoja, joiden avulla voidaan tarkastella kiintoaineen pidättymistä ja kulkeutumisen reittejä. Suojavyöhykkeen rajaamiseen soveltuvia kosteusindeksin raja-arvoja selvitettiin viiden puron ranta-alueilla tehtyjen kasvillisuusinventointien avulla. Suojavyöhykkeiden raja-arvot mallinnettiin lisäksi koneoppimisalgoritmin avulla ja suojavyöhykevaihtoehtoihin sisällytettiin myös maaperän eroosioherkkyyteen perustuva rajaus. Rajattujen suojavyöhykkeiden taloudellisia vaikutuksia selvitettiin suojavyöhykerajauksiin jäävän puuston arvon perusteella. Taloudellisiin tarkasteluihin sisällytettiin myös harvennus- ja poimintahakkuut mahdollisina metsän käsittelyinä. Tutkimuspurot luokiteltiin lisäksi suojeluluokkiin Siniset tavoitteet -työkalun avulla. Metsänomistajien näkemyksiä rantametsien suojelusta kartoitettiin 15 281 Pohjois-Pohjanmaalaiselle metsänomistajalle lähetetyn kyselyn avulla. Kosteusindeksi selitti kasvilajiston vaihtelua hyvin ja indeksin raja-arvon (0,5 metriä) perusteella voitiin rajata rannan monimuotoisimmat kosteat kasvupaikat kattava suojavyöhyke. Tällä vyöhykkeellä kasvilajistossa oli useita kostealle kasvupaikalle ominaisia lajeja, joita ei juurikaan tavattu kuivemmilta vyöhykkeiltä. Myös koneoppimismenetelmän perusteella kosteusindeksi oli ylivoimaisesti tärkein kasvilajiston vaihtelun selittäjä, minkä lisäksi kosteusindeksi vastasi mitattua maankosteutta suhteellisen hyvin, etenkin jos maalaji oli turvemaata. Kosteusindeksiin perustuvat suojavyöhykkeet olivat pinta-alaltaan laajempia verrattuna 15 metriä leveään tasalevyiseen suojavyöhykkeeseen, mutta hehtaarikohtainen puuston arvo oli kosteusindeksiin perustuvilla vyöhykkeillä alhaisempi verrattuna tasalevyisiin vyöhykkeisiin. Harvennus- ja poimintahakkuilla saatiin alennettua suojavyöhykkeelle jäävän puuston arvoa, mutta hakkuumahdollisuudet vaihtelivat paljon purojen välillä. Eroosioherkkien alueiden huomioiminen suojavyöhykkeissä kasvatti pinta-alaa huomattavasti, koska alueet eivät sijainneet aivan puron välittömässä läheisyydessä. Näillä alueilla maanmuokkauksen huolellinen suunnittelu ja kiintoaineen kulkeutumisreittien huomioiminen olisi tärkeää. Eroosioherkille alueille voisi esimerkiksi sijoittaa säästöpuuryhmiä rantametsän ja vesistöjen sedimentaation ehkäisemiseksi. Paikkatietoaineistoja tarkastelemalla voidaan ennustaa luontoarvojen esiintymistä, mutta niiden toteaminen vaatii maastotarkasteluja. Siniset tavoitteet -työkalun mukainen inventointi soveltuu tähän hyvin ja menetelmän avulla voidaan helposti tunnistaa erityistä huomiota vaativat kohteet. Vaihtelevan levyiset suojavyöhykkeet kiinnostivat metsänomistajia laajasti. Vastauksissa tuotiin selvästi esiin tarve joustaville, tapauskohtaisille suojelumenetelmille ja monipuoliselle metsäneuvonnalle. Kosteusindeksiin perustuvat vyöhykkeet ja näillä mahdollisesti tehtävät poimintahakkuut todennäköisesti vastaavat parhaiten useimpien metsänomistajien toiveita

Paikkatietoon ja luontoarvoihin perustuva metsäpurojen suojavyöhykkeiden suunnittelu – GIS-SUS -hankkeen loppuraportti

Julkaisuun on korjattu sivut 2 ja 35 (8.6.2023). Sivulle 2 on vaihdettu Euroopan aluekehitysrahaston logo. Sivulla 35 otsikkoa on korjattu. Otsikosta on poistettu sanat "pinta-ala sekä".Hankkeessa testattiin laserkeilausaineistoista johdettujen paikkatietoaineistojen soveltuvuutta pienvesien suojavyöhykkeiden rajaamiseen Pohjois-Pohjanmaalla sijaitsevien purojen ranta-alueilla. Pääasiallisena aineistona oli topografinen kosteusindeksi (DTW), joka ilmaisee maanpinnan korkeuseroa suhteessa pohjaveden pintaan ja siten maan suhteellisia kosteusolosuhteita. Lisäksi tarkasteltiin maaperän eroosioriskistä kertovaa RUSLE-karttaa ja siitä johdettuja retentio- ja massatasekarttoja, joiden avulla voidaan tarkastella kiintoaineen pidättymistä ja kulkeutumisen reittejä. Suojavyöhykkeen rajaamiseen soveltuvia kosteusindeksin raja-arvoja selvitettiin viiden puron ranta-alueilla tehtyjen kasvillisuusinventointien avulla. Suojavyöhykkeiden raja-arvot mallinnettiin lisäksi koneoppimisalgoritmin avulla ja suojavyöhykevaihtoehtoihin sisällytettiin myös maaperän eroosioherkkyyteen perustuva rajaus. Rajattujen suojavyöhykkeiden taloudellisia vaikutuksia selvitettiin suojavyöhykerajauksiin jäävän puuston arvon perusteella. Taloudellisiin tarkasteluihin sisällytettiin myös harvennus- ja poimintahakkuut mahdollisina metsän käsittelyinä. Tutkimuspurot luokiteltiin lisäksi suojeluluokkiin Siniset tavoitteet -työkalun avulla. Metsänomistajien näkemyksiä rantametsien suojelusta kartoitettiin 15 281 Pohjois-Pohjanmaalaiselle metsänomistajalle lähetetyn kyselyn avulla. Kosteusindeksi selitti kasvilajiston vaihtelua hyvin ja indeksin raja-arvon (0,5 metriä) perusteella voitiin rajata rannan monimuotoisimmat kosteat kasvupaikat kattava suojavyöhyke. Tällä vyöhykkeellä kasvilajistossa oli useita kostealle kasvupaikalle ominaisia lajeja, joita ei juurikaan tavattu kuivemmilta vyöhykkeiltä. Myös koneoppimismenetelmän perusteella kosteusindeksi oli ylivoimaisesti tärkein kasvilajiston vaihtelun selittäjä, minkä lisäksi kosteusindeksi vastasi mitattua maankosteutta suhteellisen hyvin, etenkin jos maalaji oli turvemaata. Kosteusindeksiin perustuvat suojavyöhykkeet olivat pinta-alaltaan laajempia verrattuna 15 metriä leveään tasalevyiseen suojavyöhykkeeseen, mutta hehtaarikohtainen puuston arvo oli kosteusindeksiin perustuvilla vyöhykkeillä alhaisempi verrattuna tasalevyisiin vyöhykkeisiin. Harvennus- ja poimintahakkuilla saatiin alennettua suojavyöhykkeelle jäävän puuston arvoa, mutta hakkuumahdollisuudet vaihtelivat paljon purojen välillä. Eroosioherkkien alueiden huomioiminen suojavyöhykkeissä kasvatti pinta-alaa huomattavasti, koska alueet eivät sijainneet aivan puron välittömässä läheisyydessä. Näillä alueilla maanmuokkauksen huolellinen suunnittelu ja kiintoaineen kulkeutumisreittien huomioiminen olisi tärkeää. Eroosioherkille alueille voisi esimerkiksi sijoittaa säästöpuuryhmiä rantametsän ja vesistöjen sedimentaation ehkäisemiseksi. Paikkatietoaineistoja tarkastelemalla voidaan ennustaa luontoarvojen esiintymistä, mutta niiden toteaminen vaatii maastotarkasteluja. Siniset tavoitteet -työkalun mukainen inventointi soveltuu tähän hyvin ja menetelmän avulla voidaan helposti tunnistaa erityistä huomiota vaativat kohteet. Vaihtelevan levyiset suojavyöhykkeet kiinnostivat metsänomistajia laajasti. Vastauksissa tuotiin selvästi esiin tarve joustaville, tapauskohtaisille suojelumenetelmille ja monipuoliselle metsäneuvonnalle. Kosteusindeksiin perustuvat vyöhykkeet ja näillä mahdollisesti tehtävät poimintahakkuut todennäköisesti vastaavat parhaiten useimpien metsänomistajien toiveita

Eteläboreaalisen vyöhykkeen putkilokasvien lajirunsaus maisematasolla

Biodiversiteetin epätasaista jakaantumista on usein tutkittu putkilokasveilla, koska ne ovat ravintoketjun ensimmäinen taso. Putkilokasvien lajirunsauden selittäjät riippuvat mittakaavasta. Suurilla alueilla auringon energian määrä ja veden saatavuus selittävät hyvin putkilokasvien lajimäärää pohjoisella pallonpuoliskolla. Maisematasolla ilmasto ei ole merkittävä selittäjä. Paikallisella tasolla lajirunsauteen vaikuttavat abioottiset ja bioottiset tekijät. Boreaalisessa metsässä ravinteisuus, vesitalous ja valon määrä selittävät lajimäärää. Lisäksi ihmisen toimilla on merkitystä putkilokasvien lajimäärään. Se kasvaa, koska siemeniä kulkeutuu ihmisen mukana uusille alueille. Ihmisen toiminta aiheuttaa häiriöitä ja lisää ympäristön heterogeenisyyttä. Elinympäristöjen määrän kasvaessa myös lajimäärä kasvaa. Keskimääräiset häiriöt vähentävät kilpailua ja pitävät yllä sukkession eri vaiheita. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu koko putkilokasvilajiston ja alkuperäislajien lajimäärään vaikuttavia tekijöitä eteläboreaalisella metsävyöhykkeellä. Koko lajimäärään oletin vaikuttavan eniten ihmistoiminnan. Alkuperäislajien, eli ennen 1600-lukua alueelle saapuneiden lajien, oletin olevan suhteessa enemmän riippuvaisia abioottisista tekijöistä. Tutkimuksen aineistona käytettiin Luopioisista kerättyä kasvillisuuskartoitusaineistoa 286 neliökilometriltä. Lajirunsautta mallinnettiin yleistetyllä additiivisella mallilla (GAM). Neliökilometriruudulta tiedettiin kasvien lajimäärä ja sitä selitettiin paikkatietoaineistoista lasketuilla muuttujilla. Malliin sovitettiin 13:a muuttujaa, jotka olivat abioottisia, bioottisia tai ympäristön heterogeenisyyttä kuvaavia. Tuloksena oli, että kaikkien putkilokasvien lajimäärää selittivät parhaiten ihmisen vaikutus, kasvupaikan ravinteisuus ja ympäristön heterogeenisyys. Tulokset ovat hyvin samanlaisia kuin aiemmin tehdyissä tutkimuksissa. Alueelle alkuperäisten lajien runsaus ei selittynyt niillä tekijöillä kuin oletin. Alkuperäislajien runsautta selitti ihmisen toiminta, ravinteisuus, vesitalous ja ympäristön heterogeenisyys. Alkuperäislajien malli oli hyvin samankaltainen kuin kaikkien lajien malli. Siinä oli vain kolme lisämuuttujaa ja huonompi selitysaste. Mallintaminen perustui korrelaatioon, joten yllätyksenä tullut ihmisen toiminnan suuri merkitys alkuperäislajeille voi selittyä myös sillä, ettei asutus ole alueelle sijoittunut sattumanvaraisesti, vaan valmiiksi lajirunsaille alueille. Samanlaisia tuloksia on saatu Keski-Euroopassa tehdyissä tutkimuksissa.Vascular plants are often used to study unevenly distributed biodiversity because plants are primary producers. Explanatory variables of vascular plant species diversity depend on study scale. In the continental-scale, amount of solar radiation and the availability of water explain plant diversity well in the northern hemisphere. In the landscape level climate is not a significant determinant. On the local scale the plant species diversity is affected by abiotic and biotic factors. In a boreal forest, the amount of nutrients, water economy and the amount of light explain the species diversity. Furthermore, the activities of humans have a significant effect on the species richness of plants. It increases because seeds disperse with humans to new areas. The activities of humans cause disturbances and add to the environmental heterogeneity. While the quantity of habitats increases, the species richnes also increases. Intermediate disturbances lessen the competition and maintain the various phases of succession. In this research I have modeled factors affecting all vascular plant species and native species richness in the region of southern boreal forest. I assumed the activities of humans were the most significant factor affecting the number of all plant species. Native species, which arrived to the region before the 17th century, were assumed to be more dependent on abiotic factors. Plant survey material gathered from 286 square kilometers in the municipality of Luopioinen was used in this research. The plant species richness on a square kilometer rectangle was known and it was explained using variables calculated from geographic information using a Generalized Additive Model (GAM). Thirteen variables, which were abiotic, biotic, or explaining environmental heterogeneity were fitted into the model. The result was that species richness of all vascular plants was best explained by the impact of humans, nutrient level of the soil and the heterogeneity of the environment. The results were fairly similar to previous research. The native species didn't behave in the model like I assumed. The diversity of the native species was explained by the impact of humans, nutrition level, water economy and the heterogeneity of the environment. The model for the native species was very much like the model for all species. There were only three additional variables and the level of determination of the model was lower. The used modeling approach cannot detect causality, so the impact of humans on the native species, which came as a surprise, could be explained by the fact that human settlements can have emerged on already species rich regions instead of being randomly distributed. This finding is supported by research conducted in Central Europe

GIS-based planning of buffer zones for protection of boreal streams and their riparian forests

Forested buffer zones with varying width have been suggested as the most promising approach for protecting boreal riparian biodiversity, reducing erosion, and minimizing nutrient leaching from managed forestry areas. Yet, less optimal fixed-width approach is still largely used, likely because of its simple design and implementation. We examined the efficiency of varying-width buffer zones based on depth-to-water (DTW) index in protecting stream riparian plant communities. We further compared the economic costs of DTW-based buffer to commonly used 5, 10 and 15 m fixed-width buffers. We also included an additional buffer based on a combination of DTW and erosion risk (Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE) into these comparisons to see the extent and cost of a buffer that should maximize the protection of the linked aquatic environment. Plant species richness increased with increasing soil moisture and species preferring moist conditions, nutrient-rich soils and high pH were clearly more abundant adjacent to stream in areas with high predicted soil moisture than in dry areas. Differences in species richness were paralleled by differences in community composition and higher beta diversity of plant communities in wet than in dry riparian areas. There were also several indicator species typical for moist and nutrient-rich soils for wet riparian areas. Riparian buffer zones based on DTW were on average larger than 15 m wide fixed-width buffers. However, the cost for DTW-based buffer was lower than for fixed-width buffer zones when the cost was normalized by area. Simulated selective cutting decreased the costs, but cutting possibilities were variable among streams and depended on the characteristics of forest stands. Our results thus suggest a high potential of DTW in predicting wet areas and variable-width buffer zones based on these areas in the protection of riparian biodiversity and stream ecosystems