Abstract

Human actions are considered to cause a severe threat to boreal forest systems. Even though some influences are noticed to occur with a remarkable time-lag, long-term studies of this topic are still scarce and partly contradictory. The importance of above-ground and below-ground linkages has also only recently been emphasized. Yet, boreal forests have potential to be resistant and resilient to global change. Understanding the impacts of these pressures on various aspects of forest systems, has scientific and functional value. In this thesis, I have studied natural and altered long-term dynamics of forest understory vegetation (vascular plants, bryophytes and lichens) on nutritionally different boreal forests using resurvey data. I have also studied the development of understory vegetation and soil microbial communities (fungi and bacteria) on a long-term (ca 1500 yrs.) soil primary successional series on land uplift shores. All studied communities changed remarkably in time, partly naturally by succession, partly due to human influence. Interestingly, the development of vegetation and soil microbial communities was related to accumulation of organic matter instead of nutrients on our nutrient limited study system. In herb-rich forests, temporal changes led to increasing homogeneity in forest understorey communities. This study is among the first to show that reindeer grazing can regulate vegetation dynamics in boreal, herb-rich forests by reducing vegetation height and maintaining diversity. Forest management had surprisingly little influence on the understory vegetation of herb-rich and coniferous forests. Forest management reduced the accumulation of coarse woody debris. Importantly, forest management impacts were detectable long time after management, and thus appear as legacy effects in forest plant community structure and woody debris. The results of this thesis emphasize the value of long-term studies and involving above-ground and below-ground linkages. When using larger datasets, taking regional processes into account can be highly useful as can be the use of diverse response variables for detecting ecologically relevant changes of e.g. lighter forest management practices.

Tiivistelmä

Ihmistoiminnan on arvioitu heikentävän pohjoisia metsiä osan vaikutuksista ilmetessä pitkien aikojen kuluttua. Silti pitkäaikaistutkimusta aiheesta on vähän ja tulokset ovat osin ristiriitaisia. Maaperän ja kasvillisuuden vuorovaikutusten merkitystä metsien toimintaan on vasta alettu ymmärtää syvällisemmin. Toisaalta metsäkasvillisuuden on arvioitu sietävän muutoksia. Tiedolla globaalimuutoksen vaikutuksista metsäyhteisöjen ominaisuuksiin on merkittävää tieteellistä ja käytännön arvoa. Väitöskirjassani tutkin lehtojen ja kangasmetsien aluskasvillisuuden (putkilokasvit, sammalet ja jäkälät) luontaisia ja muuttuneita pitkän ajan kehityskulkuja uudelleenkartoitusaineistoilla. Tutkin myös kasvillisuuden ja maan mikrobiyhteisöjen (bakteerit ja sienet) kehitystä sukkessiosarjalla. Kaikki tutkimani yhteisöt muuttuivat ajassa ja osa muutoksista liittyi luontaiseen kehitykseen, osa ihmisvaikutukseen. Mikrobi- ja kasviyhteisöjen vuorovaikutteinen kehitys kytkeytyi ravinteiden sijaan orgaanisen aineen kertymiseen ravinnerajoitteisissa metsissä. Lehdoissa luontainen kehitys muutti aluskasvillisuuden yhteisöjä ja latvustoa kohti havupuuvaltaisempaa tilaa, mikä onkin yksi lehtoja uhkaava tekijä. Tämä on ensimmäisiä tutkimuksia, joka osoittaa porolaidunnuksen säätelevän kasviyhteisöjä boreaalisissa lehtometsissä ylläpitämällä monimuotoisuutta ja lehdoille tyypillistä lajikoostumusta pitämällä kasvillisuuden matalana. Metsätaloustoimien vaikutukset ilmenivät yllättävän vähän lehtojen ja havumetsien aluskasvillisuudessa. Lahopuun määrää metsätalous vähensi voimakkaasti. Tärkeä havainto oli, että metsänhoitotoimenpiteiden vaikutuksia ilmenee huomattavalla viipeellä. Väitöskirjani tulokset korostavat pitkäaikaistutkimuksen arvoa sekä maanpäällisten ja -alaisten prosessien huomioimista. Työni tulokset osoittavat, että suurilla aineistoilla alueellisten tekijöiden huomioimisesta voi olla hyötyjä samoin kuin monipuolisten ekologisten mittareiden käytöstä ekologisesti merkittävien muutosten havaitsemiseksi esimerkiksi tutkittaessa lievempien metsätaloustoimien vaikutuksia.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Muurinen, L., Huusko, K., Ahonen, S. H. K., Oksanen, J., & Markkola, A. M. (2022). Temporal and local-scale drivers determine soil fungal and bacterial communities along forested primary succession gradient. Manuscript in preparation.

2. Happonen, K., Muurinen, L., Virtanen, R., Kaakinen, E., Grytnes, J.-A., Kaarlejärvi, E., Parisot, P., Wolff, M., & Maliniemi, T. (2021). Trait‐based responses to land use and canopy dynamics modify long‐term diversity changes in forest understories. Global Ecology and Biogeography, 30(9), 1863–1875. https://doi.org/10.1111/geb.13351

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Muurinen, L., Oksanen, J., Vanha-Majamaa, I., & Virtanen, R. (2019). Legacy effects of logging on boreal forest understorey vegetation communities in decadal time scales in northern Finland. Forest Ecology and Management, 436, 11–20. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2018.12.048

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version