Abstract

The world is becoming more dependent on a bioresource-based economy to end its reliance on fossil fuels. In Nordic countries, especially in Finland, the increase in biomass production from peatland forestry shows an indication of increased nutrient and suspended solids (SS) exports from the water systems. The focus of the thesis was to develop new approaches for better evaluating the changing use of bioresources like water resources, considering different socioeconomic conditions and examining the alternative pathways, known as the Nordic Bioeconomy Pathways (NBPs). This thesis includes four sequential studies to understand the historical and future consequences on hydrology and water quality in the peatland forestry-dominated Simojoki catchment (3160 km²) in northern Finland. In the first study, a new algorithm was developed using aerial photos and LIDAR data to identify and generate time series of the ditch networks in different landscapes. The export coefficients used in the second study, with landuses analysed from Landsat and the regional database, provided a clear picture of nutrient loads and SS exports over decades at multiple locations in the catchment. In the third study, integrating the ditch networks in the SWAT hydrological model to identify and calibrate peatland forestry parameters predicted a higher specific loading of nutrients in a clear-cut forest in peat soil than in clear-cut mineral soil. Finally, stakeholders’ opinions, the Finnish forest dynamics model MELA and climate-imposing emission pathways were used to build multiple NBP scenarios for different land system management attributes. The analysis provided an annual nutrient decrease for sustainability and business-as-usual scenario, whereas, for others, they systematically increased. The results also showed lower variability when climate data was integrated with management forestry attributes. Overall, the new tools and modelling approaches of the thesis can provide direction to focus on the impacts of peatland forestry for the efficient use of bioresources, especially in identifying the spatial zones of excessive loading in a catchment compared to the current condition.

Tiivistelmä

Maailmasta on tulossa entistä riippuvaisempi biopohjaisista resursseista fossiilisten polttoaineiden käytön vähentyessä. Pohjoismaissa lisääntynyt biomassan hyödyntäminen turvemetsäalueilta voi aiheuttaa lisäkuormitusta vesistöihin. Tässä väitöstyössä on tutkittu vaihtoehtoisia biotalouden skenaarioita (Nordic bioeconomy pathways, NBP) joissa tarkastellaan biopohjaisten resurssien käytön mahdollisuuksia. Kokonaisuus muodostui neljästä tutkimuksesta, joiden tavoitteena oli ymmärtää eri sosioekonomisten skenaarioiden nykyisiä ja tulevia vaikutuksia turvemetsätalousvaltaisella Simojoen valuma-alueella (3160 km²). Ilmakuvia ja LIDAR-dataa käyttävä algoritmi kehitettiin tunnistamaan muutoksia valuma-alueen ojaverkostossa. Toisessa tutkimuksessa maankäyttökohtaiset kuormituskertoimet, Landsat-analyysi ja maankäyttötilastot osoittivat epäjohdonmukaisuuksia ennustettujen ja mitattujen ravinne ja kiintoainepitoisuuksien välillä johtuen hydrologisesta vaihtelusta. Kolmannessa tutkimuksessa ojaverkostoaineisto yhdistettiin osaksi semi-fysikaalispohjaista hydrologista SWAT-mallia, parantamaan valuma-aluetason hydrologista ja ravinnekuormitus mallinnusta. Tulosten perusteella mm. avohakkuista aiheutuva ravinnekuormitus oli korkeampaa turvemaalla kuin mineraalimaalla. Lopuksi kuhunkin skenaarioon liitettiin Simojoen sidosryhmien mielipiteet, metsien käytön suunnittelu MELA-malli, eri emissioskenaarioihin perustuvat ilmastomallinnustulokset sekä maankäytön vaihtoehtoiset toteutusjärjestelyt. Tämän perusteella mallinnusvaihtoehdot “kestävä” ja “business-as-usual” aiheuttivat laskua ravinnekuormissa, kun taas muiden vaihtoehtojen toteutuessa kuormitus lisääntyi. Metsätalouden kasvu ja suojeltujen alueiden vähentyminen aiheuttivat alhaisemman vaihtelevuuden. Kaiken kaikkiaan tutkimukset ovat hyödyllisiä, kun pyritään ymmärtämään metsätalouden alueellisia vaikutuksia, ja etenkin tunnistamaan metsätalousvaltaisilta valuma-alueilta niitä alueita, joilla kuormitusta syntyy voimakkaasti.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Bhattacharjee, J., Marttila, H., Haghighi, A. T., Saarimaa, M., Tolvanen, A., Lepistö, A., Futter, M. N., & Kløve, B. (2021). Development of aerial photos and lidar data approaches to map spatial and temporal evolution of ditch networks in peat-dominated catchments. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 147(4), 04021006. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001547

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Bhattacharjee, J., Marttila, H., Launiainen, S., Lepistö, A., & Kløve, B. (2021). Combined use of satellite image analysis, land-use statistics, and land-use-specific export coefficients to predict nutrients in drained peatland catchment. Science of The Total Environment, 779, 146419. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146419

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Bhattacharjee, J., Marttila, H., Novarro, E. M., & Kløve, B. (2022). SWAT modelling to assess peatland forestry impacts on water quality. Manuscript submitted for publication.

4. Bhattacharjee, J., Marttila. H., Novarro, E. M., Juutinen, A., Tolvanen, A., Haara, A., Karhu, J., & Kløve, B. (2022). Nordic Bioeconomy Pathways - water quality impacts of various scenarios and projections in the peatland-dominated catchment. Manuscript submitted for publication.