Menneen talvet lumet heijastuvat kasvien ja mikrobien kesään
Kasvien kasvuun ja menestymiseen liittyy monenlaisia lumipeitteen, laidunnuksen ja maaperän mikrobien yhteisvaikutuksia. Tutkijatohtori, kasviekologi Maria Väisänen Oulun yliopistosta perehtyy tähän monimutkaiseen vyyhtiin myös ilmastonmuutoksen näkökulmasta.
Eteläisessä Suomessa kevät on jo pitkällä, mutta Kuusamossa Oulangan tutkimusasemalla hanki on vahvimmillaan näin huhtikuun alussa. Lumen alla kasvit ja maaperän mikrobit kuitenkin jo valmistautuvat uuteen kasvukauteen.
Lumipeitteellä on suuri merkitys kasvien menestymisen kannalta. Jos lunta on vähän tai ei lainkaan, monet kasvit kärsivät pakkasvaurioista, joiden korjaamiseen kuluu niiltä kallisarvoista aikaa pohjoisen lyhyestä kasvukaudesta. Toisaalta paksu lumipeite, joka sulaa myöhään, viivästyttää kasvien kasvuun lähtöä.
Maaperä ei vaivu horrokseen talvellakaan, vaan mikrobit jatkavat toimintaansa hangen alla. Kevään kynnyksellä käynnistyy dramaattinen mikrobien vallanvaihto.
Oulangalla on lumen ja laidunnuksen tutkimuskenttä
Oulun yliopiston tutkimusasemalla Oulangalla, kansallispuiston keskellä, on meneillään pitkäaikaisseurantaprojekti EcoClimate, jossa tutkitaan ilmastonmuutoksen ja porolaidunnuksen vaikutuksia kasvillisuuteen ja maaperään.
Lumiolot vaihtelevat suuresti vuodesta toiseen, kuten kahden viime talven aikana on koettu. Ilmastonmuutoksen ennustetaan vaikuttavan lumipeitteeseen eri tavalla eri puolilla maata. Eteläisessä Suomessa lumettomat talvet yleistyvät, kun taas pohjoisessa tilanne voi olla päinvastainen.
Kuitenkin lumipeiteajan ennustetaan lyhenevän myös pohjoisessa sekä syksyllä että keväällä. Talviset vesisateet yleistyvät ja sateen aiheuttama jääkerros vaikeuttaa niin maaperän mikrobien elämää kuin myös porojen talviravinnon saamista.
EcoClimate-tutkimuksessa kaksi hehtaarin laajuista tutkimusaluetta on sijoitettu karuun, kuivaan kangasmetsään ja ravinteikkaalle suolle. Yli 200 sensoria mittaa muun muassa maaperän lämpötilaa ja kosteutta, kasvillisuuden vihreyttä (NDVI = normalized difference vegetation index), hiilidioksidia sekä tuulen nopeutta ja suuntaa.
Osa koealueista on aidatulla alueella, jolla porot eivät ole laiduntaneet 25 vuoteen. Näin voidaan tutkia laidunnuksen ja ilmastonmuutoksen yhteis- ja erillisvaikutuksia kasveihin ja maaperään.
Oulangalla tutkitaan kokeellisesti lumipeitteen roolia ekosysteemeille: tutkimusalueilla on yhteensä 72 koeruutua, joilla tehdään läpi talven lumimanipulaatioita. Kolmasosassa koeruuduista lumen paksuus pidetään 25 senttimetrissä poistamalla säännöllisesti satanut lumi, joka kasataan lumenlisäysruuduille niin, että hangen pinta voi yltää liki kahteen metriin. Kontrollialueilla ei tehdä mitään.
– Näiltä lumimanipuloiduilta koealueilta tutkin, milloin kasvit alkavat vihertyä. Alan kuvata koeruutuja samanaikaisesti lumen sulamisen kanssa, ja jatkan kuvausta läpi kesän 1–2 viikon välein. Tiettyyn aikaan kesästä otan koealoilta valokuvia. Kuvankäsittelyohjelmassa suodatan kasvien vihreän värin määrän, ja lasken siitä vihreysindeksin, Väisänen kertoo.
– Vihreys kertoo kasvin ravinnetilasta – mitä korkeampi vihreysindeksi, sitä enemmän kasvissa on typpeä ja klorofylliä eli lehtivihreää, eli sitä enemmän kasvissa tapahtuu yhteytystä ja tuottoa. Lisäksi kerään kasvien lehtiä, joista mitataan laboratoriossa typpipitoisuus.
Jos lunta on paljon, karikekerroksessa voi talvenkin aikana tapahtua tehokasta kompostointia eli ravinteiden vapautumista, mikä näkyy kesällä korkeampana kasvien typpipitoisuutena.
Väisänen on verrannut kasvien vihreysindeksiä myös laiduntamattomien ja laidunnettujen koealojen välillä.
Laidunnus voi vähentää kasviyhteisön kokonaisvihreyttä, kun poro syö eli poistaa kasveja. Jäljelle jäävien kasviyksilöiden typpipitoisuus voi kuitenkin lisääntyä, kun porot jättävät ravinnerikkaat jätöksensä lannoittamaan kasveja.
Keväällä tapahtuu mikrobien vallankumous
Maria Väisänen tutkii myös maaperän mikrobeja eli sieniä ja bakteereja, joiden monimutkainen merkitys ekosysteemien hiilen varastoinnissa alkaa vasta hiljalleen paljastua.
Koko talven mikrobit ovat ahkeroineet eristävän lumikerroksen alla hajottaen kuollutta kasviainesta eli kariketta, mutta myös maaperään pidempiaikaisesti varastoitunutta hiiltä. Talviaikaan mikrobit pilkkovat erityisesti vaikeasti hajotettavaa hiiltä, selluloosaa ja ligniiniä, sekä kasvien puolustusyhdisteitä eli fenoleita.
– Mikrobeilla on merkittävä osuus hiilen kierrossa ja typen mineralisaatiossa. Ne pitävät huolta siitä, että kevään koittaessa kasveille riittää ravinteita.
Maaperän mikrobit elävät ja hengittävät lämmittävän lumipeitteen alla, jolloin vapautuu merkittäviä määriä hiilidioksidia. Jos maa jäätyy tai maan pinnalle muodostuu jääpeite, mikrobien hengittäminen vaikeutuu.
Vapautuva hiilidioksidi on peräisin maaperän hiilivarannoista. Talviaikaisella mikrobihengityksellä on merkittävä vaikutus pohjoisten ekosysteemien vuotuiseen hiilitaseeseen, sillä talvinen hiilen vapautus voi kuluttaa enemmän hiiltä, mitä kasvit ovat edeltävän kesän aikana tuottaneet karikkeena. Lämpimät talvet voivat muuttaa ekosysteemin hiilinielusta hiilen lähteeksi ja voimistaa kasvihuonekaasuilmiötä.
Keväällä lumien sulaessa maaperässä tapahtuu dramaattinen näytelmä, joka ei paljaalle silmälle näy.
– Talvimikrobit ovat väkevöineet itsensä, jotta ne eivät jäätyisi. Kun lumi sulaa ja maaperään valuu suuret määrät laimeaa vettä, vesi imeytyy osmoottisesti mikrobeihin, jolloin ne laajenevat ja lopulta räjähtävät.
Räjähtäneiden mikrobien vapauttamat ravinteet ovat paitsi kasvien, myös seuraavan mikrobiyhteisön käytössä. Yhteisön rakenne muuttuu keväällä hyvin erilaiseksi kuin talvella.
Lumipeitteellä on suuri merkitys kasvien menestymisen kannalta.
Talviaikaiset mikrobit ovat myös voineet kuluttaa kaiken ruuan, hiilen, ja siten nääntyvät nälkään. Kesäaikainen mikrobiyhteisö puolestaan saa ruokaa kasvien tuottamista tuoreista juurieritteistä.
Väisänen on tutkinut maaperän mikrobeja myös Ruotsissa, Abiskon kenttäasemalla, missä hän asui pari vuotta ja missä hänellä edelleen on tutkimusyhteistyötä.
– Mikrobiyhteisöjen rakenne on toisenlainen tunturipaljakalla. Kaiken kaikkiaan maaperän mikrobeista tiedetään edelleen melko vähän, eli tutkittavaa riittää.
Oulangan metsistä lumi sulaa vasta toukokuun lopulla. Variksenmarja, puolukka ja muut ikivihreät kiirehtivät yhteyttämään jo hangen alla, missä siroava valo riittää fotosynteesin käynnistämiseen. Maasta puskevat kesävihannat kasvit joutuvat ensin kasvattamaan lehdet, mutta pian kasvua ei hillitse mikään.