Maaperän kosteuden ja lämpötilan vaihtelu kasvukauden aikana arktis-alpiinisessa ympäristössä

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202012165315
Title: Maaperän kosteuden ja lämpötilan vaihtelu kasvukauden aikana arktis-alpiinisessa ympäristössä
Author: Lammi, Panu
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202012165315
http://hdl.handle.net/10138/323284
Thesis level: master's thesis
Discipline: Maantiede
Abstract: Arktis-alpiininen ympäristö, eli korkeilla leveysasteilla sijaitseva metsänrajan yläpuolinen paljakka, on äärevien ja ankarien ympäristöolosuhteiden muokkaama, hyvin pienipiirteisesti vaihteleva mosaiikkimainen ympäristö, jossa esiintyy monia eri biotooppeja. Keskeisessä osassa ympäristön toimintaprosesseja ovat maaperän kosteus ja lämpötila, jotka säätelevät varsinkin kasvillisuutta ja maaperän mikrobitoimintaa. Maaperän kosteuden ja lämpötilan on havaittu vaihtelevan voimakkaasti niin alueellisesti kuin ajallisesti jo pienellä mittakaavatasolla. Silti niihin vaikuttavia mekanismeja on tutkittu kattavasti varsin vähän. Tässä tutkielmassa tutkittiin maaperän kosteuden ja lämpötilan vaihtelua arktis-alpiinisen ympäristön eri biotoopeissa. Tutkimusalue sijaitsee Kilpisjärvellä Saana- ja Korkea-Jehkas -tuntureiden rinteillä ja niiden välisessä laaksossa, jonne sijoitettiin systemaattisesti 1 200 yhden neliömetrin kokoista tutkimuspistettä 50 metrin etäisyyksille toisistaan. Maaperän kosteus ja lämpötila mitattiin tutkimuspisteiltä kolme kertaa kasvukauden aikana: kesä-, heinä ja elokuussa. Tutkimuspisteiltä kerättiin myös kattava kenttäaineisto, jota täydennettiin digitaalisesta korkeusmallista laskettavilla muuttujilla. Tutkimuksessa mallinnettiin tilastollisilla mallinnusmenetelmillä, miten topografia-, maaperä- ja kasvillisuusmuuttujat vaikuttavat maaperän kosteuden ja lämpötilan alueelliseen vaihteluun eri vaiheissa kasvukautta. Käytetyt mallinnusmenetelmät olivat yleistetyt additiiviset mallit (GAM), yleistetyt luokittelupuumenetelmät (GBM) ja satunnainen metsä (RF). Muuttujien vaikutusta havainnoitiin tarkastelemalla, miten muuttujaryhmien lisääminen vaikutti mallien selitys- ja ennustekykyihin. Lisäksi yksittäisten muuttujien vaikutusta maaperän kosteuteen ja lämpötilaan tutkittiin tarkastelemalla muuttujien suhteellisten merkitysosuuksia GBM-malleilla. Maaperän kosteus ja lämpötila vaihtelivat huomattavasti koko kasvukauden aikana, paitsi koko tutkimusalueella myös biotooppien sisällä. Maaperän lämpötila-arvot kasvoivat läpi kasvukauden. Maaperän kosteusarvot olivat puolestaan korkeimmillaan heinäkuussa ja alimmillaan elokuussa. Mallinnustulosten perusteella maaperän kosteuden ja lämpötilan alueelliseen vaihteluun vaikuttavat kesä- ja heinäkuussa vahvemmin topografia- ja maaperämuuttujat, ja elokuussa vastaavasti kasvillisuusmuuttujien vaikutus voimistuu. GBM-mallien mukaan yksittäisistä muuttujista maaperän kosteuden vaihtelua selittivät kaikkina mittausajankohtina eniten biotooppiluokka ja orgaanisen kerroksen paksuus. Maaperän lämpötilaa selittivät parhaiten puolestaan kaikkina mittausajanjaksoina säteily, jonka lisäksi siihen vaikutti voimakkaasti kesä- ja heinäkuussa myös korkeus merenpinnasta ja elokuussa maaperän kosteus. Pääsääntöisesti kosteusmallien selitys- ja ennustekyvyt laskevat kasvukauden edetessä maaperän kuivumisen seurauksena. Vastaavasti lämpötilamallien selitys- ja ennustekyvyt kasvavat kasvukauden edetessä maaperän lämpötila-arvojen kasvaessa. Tämän tutkimuksen tulokset tukevat ja laajentavat aiempien tutkimusten havaintoja maaperän kosteuden ja lämpötilan alueellisen ja ajallisen vaihtelun mallintamisesta arktis-alpiinisessa ympäristössä. Tulevissa tutkimuksissa on tärkeää huomioida monipuolisesti erilaisten muuttujien vaikutuksia maaperän kosteuteen ja lämpötilaan. Lisäksi olisi syytä tutkia kattavammin maaperän kosteuden ja lämpötilan ajallista vaihtelua, jotta ymmärrettäisiin paremmin erityisesti ilmastonmuutoksen vaikutuksia arktis-alpiinisen ympäristön biotooppeihin.The arctic-alpine tundra environment, located above treeline at mountainous areas in high latitudes, is a varying fine-scale mosaic of landscapes and biotopes driven by harsh and extreme environmental conditions. Soil moisture and temperature play a key part in the environmental processes of the area, as they regulate especially vegetation and soil microbial activity. Both soil moisture and temperature vary greatly in spatial as well as temporal scales even in small scale environments. Despite their variability and importance, the mechanisms driving these variables have been scarcely studied. In this study the focus was how soil moisture and temperature vary in the different biotopes of arctic-alpine environment in the Kilpisjärvi region. The study area is located in the slopes and valley between the fjells Saana and Korkea-Jehkas, where 1 200 study plots, 1 square meter in size and 50 meters from each other, were placed systematically. Soil moisture and temperature were measured from the plots three times during the growing season: in June, July and August. A vast collection of field measurements was gathered from the plots and then supplemented with variables extracted from a digital elevation model. The next step was to use statistical models to determine how topographic, soil and vegetation variables affect the spatial variability of soil moisture and temperature during the growing season. The methods used were Generalized Additive Models (GAM), Generalized Boosted Methods (GBM) and Random Forest (RF). The effect of the variables was studied by how adding different variable groups affected the explanatory and predictive powers of the different models. In addition the effect of individual explaining variables was examined by their relative influence on GBM-models. Soil moisture and temperature varied significantly during entire growing season and not only in the entire study area but also within biotopes as well. Soil temperature values increased throughout the growing season, whereas soil moisture values were highest in July and lowest in August. Modelling results suggest that topography and soil variables have stronger effect in June and July and the effect of vegetation variables strengthens in August. GBM-models suggest that the best individual variable in explaining soil moisture´s spatial variation during all field measurement periods is biotope class and organic layer depth. The best individual variable explaining soil temperature´s spatial variation during all field measurement periods is potential solar radiation. In addition elevation has a strong effect in June and July and soil moisture in August. In principle, the moisture models´ explanatory and predictive powers decrease during growing season due to drying soil while temperature models´ explanatory and predictive powers increase due to warming soil. The results of this study support and expand the findings of former studies on spatial and temporal variation of soil moisture and temperature modelling in arctic-alpine environment. In future studies it is important to consider the impact of using different variables in soil moisture and temperature in a versatile way. It is also important to study the temporal variation of soil moisture and temperature more thoroughly to understand the effects of climate change on arctic-alpine biotopes better.
Subject: Maaperän kosteus
maaperän lämpötila
biotoopit
arktis-alpiininen ympäristö
monimuuttujamallinnus


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Lammi_Panu_pro_gradu_2020.pdf 5.462Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record