Soil moisture and its importance for tundra plants

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4933-6
Title: Soil moisture and its importance for tundra plants
Author: Kemppinen, Julia
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Geosciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-05-14
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4933-6
http://hdl.handle.net/10138/313993
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Water is fundamental for plant life, as it affects the growth, survival, and spatial patterns of vegetation. Here, I explored soil moisture and its ecosystem effects to answer: 1) What controls soil moisture variation? 2) How is water linked to vegetation? 3) Do plants influence water resources? I focused on the moisture of the top-soil layer (0 – 10 cm) in Fennoscandian mountain tundra. First, I evaluated environmental conditions controlling soil moisture variation. I used different modelling methods (generalized linear models, generalized additive models, generalized boosted regression models, and random forests) to account for the uncertainties related to each multivariate technique. On average, the model fit was R2 = 0.60 and the predictive performance R2 = 0.47. The spatial variation of soil moisture was most related to a topographic proxy of soil water accumulation and the depth of the organic soil layer. These results demonstrated that moisture can be modelled using topography and soil data. Secondly, I examined the influence of three water aspects (spatial and temporal variation of soil moisture, and fluvial disturbance) on vascular plants, mosses, and lichens. I used species distribution modelling, a framework for analysing the spatial patterns of species in relation to the environment. The species groups were most related to the spatial variation of soil moisture, albeit species had diverse responses. In general, water is not scarce in the tundra, yet the water aspects improved the models highlighting water as a multifaceted driver of the ecosystem. In addition, I investigated if plant-environment relationships were universal in the tundra. Here, I used hierarchical generalized additive models to compare sites across the hemispheres. I combined plant trait records with data on their environmental drivers. The local variation of conditions within the sites was overridden by global relationships indicating that these links are generalisable across the tundra sites. The results provide empirical evidence for a fundamental assumption in community ecology: consistent plant-environment relationships. Last, I introduced plants to my first question regarding controls of soil moisture. I considered other factors potentially influencing vegetation and soil conditions by using structural equation modelling, a theory-based hierarchical modelling technique. Woody plants correlated negatively with soil moisture, soil temperature, and soil organic carbon stocks (standardised coefficients = -0.16; -0.22; -0.27). As the abundance of woody plants increases, they feedback into the climate system through the water, energy, and carbon cycles. To conclude, plant-water relationships are strong across the tundra. Soil moisture and its spatial variation are controlled by the soil characteristics and the topographic features in the landscape, but also by the abundance of woody plants. Water conditions affect vegetation across species groups, from individuals to the communities. This knowledge unravels the importance of soil moisture in a vulnerable ecosystem undergoing rapid changes.Vesi on välttämätöntä elämälle, myös kasveille. Vesi vaikuttaa kasvillisuuden kasvuun, eloonjääntiin ja alueelliseen esiintyvyyteen. Tässä väitöskirjassa tutkin maaperän kosteutta ja sen vaikutuksia paljakkaekosysteemiin vastaamalla seuraaviin kysymyksiin: 1) Mikä vaikuttaa maaperän kosteuden vaihteluun? 2) Kuinka vesi kytkeytyy kasvillisuuteen? 3) Vaikuttavatko kasvit vesiresursseihin? Tutkimuksissani tarkastelin pintamaan (0 – 10 cm) kosteutta Fennoskandian tunturipaljakalla. Väitöskirjani ensimmäisessä osassa tutkin kosteuden säätelijöitä. Käytin useita tilastollisia mallinnusmenetelmiä (yleistä lineaarista mallia, yleistä additiivista mallia, yleistettyä luokittelupuu menetelmää ja satumetsää), sillä kaikissa on omat epävarmuustekijänsä. Keskimäärin mallin istuvuus oli R2 = 0.60 ja ennustuskyky R2 = 0.47. Kosteuden alueellista vaihtelua sääteli eniten pinnanmuotoihin perustuva kosteusindeksi ja turpeen paksuus. Tulokset osoittavat, että kosteutta voi mallintaa topografia- ja maaperäaineistolla. Toisessa osassa tarkastelin kolmea vesimuuttujaa (kosteuden alueellista ja ajallista vaihtelua sekä veden aiheuttamia häiriöitä) ja niiden vaikutusta putkilokasveihin, sammaleisiin ja jäkäliin. Käytin lajimallinnusta, joka on kehitetty lajien ja niitä säätelevien tekijöiden alueelliseen tarkasteluun. Kolmesta vesimuuttujasta kaikkia lajiryhmä sääteli eniten kosteuden alueellinen vaihtelu. Vesimuuttujat paransivat malleja, mikä osoittaa, että vesi vaikuttaa suuresti paljakkaekosysteemissä, missä vedestä ei yleensä ole pulaa. Lisäksi tutkin kasvien ja ympäristön välistä suhdetta ja sen yleistettävyyttä paljakalla. Käytin hierarkkista yleistä additiivista mallia vertaillakseni alueita kummaltakin pallonpuoliskoilta. Tarkastelin kasvien toiminnallisten ominaisuuksien säätelijöitä. Paikallista ympäristövaihtelua merkittävämpää oli kasvien ja ympäristön johdonmukainen suhde. Tulokset osoittavat todeksi yhden toiminnallisen ekologian tärkeimmistä olettamuksista: kasvien ja ympäristön suhde on yleismaailmallinen. Viimeisessä osassa palasin ensimmäiseen kysymykseeni kasvien kera. Käytin rakenneyhtälömallia, joka on teoriaperusteinen hierarkkinen menetelmä ja mahdollistaa taustamuuttujien huomioimisen. Puuvartinen kasvillisuus korreloi negatiivisesti maaperän kosteuden, maaperän lämpötilan ja maaperän eloperäisen hiilivaraston kanssa (standardoidut kertoimet = -0.16; -0.22; -0.27). Kun paljakka ympäristö pensastuu, puuvartinen kasvillisuus tulee vaikuttamaan ilmastoon veden, energian ja hiilen kierron kautta Johtopäätökseni on, että kasvien ja veden välinen vuorovaikutussuhde on voimakas paljakalla. Maaperän kosteus ja sen alueellinen vaihtelu on maaperän ja pinnanmuotojen säätelemää, mutta myös puuvartinen kasvillisuus säätelee sitä. Vesiolot vaikuttavat kasvillisuuden eri lajiryhmiin, niin yksilöihin kuin yhteisöihin. Tämä tieto korostaa kosteuden merkitystä herkässä ekosysteemissä, jota koettelevat suuret mullistukset.
Subject: maantiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Kemppinen_2020.pdf 1.592Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record