University of Helsinki
Forest soil science studies the structure and function of forest soils
Forest soil characteristics are the key drivers of forest production and other ecosystem services. To know the spatial and temporal variation in forest soil characteristics and processes and factors affecting them is a prerequisite to understand and forecast the ecosystem effects of forest management and changes in the environment and climate.
Forest soil is the basis for renewable forest resources, but the soil itself is practically non-renewable – only organic matter from above- and belowground litter slowly accumulates in forest soil. The formation of the physical structure of forest soil with distinct soil horizons has taken thousands of years while disturbances may be rapid.
Forest soil biogeochemistry and ecosystem services
Biogeochemical (biological, geological and chemical) processes regulate carbon, nutrient and water fluxes. Nutrient cycling from soil to vegetation and back to soil in litter as well as weathering from minerals maintain soil nutrient availability. Slowly decomposing soil organic matter accumulates carbon and nutrients and forest soil – especially on peatlands – is a remarkable carbon storage. Forest soil also filtrates precipitation into groundwater and buffers precipitation acidity.
Forest soil has a central role in the provision of ecosystem services i.e. the conditions and processes through which human life is sustained and fulfilled. These services include e.g. providing raw materials and biomass as well as food (e.g. berries, mushroom, game), sequestrating carbon, recycling nutrients and acting as the storage and source of nutrients and water, stabilizing hydrological cycles, removing air pollutants, moderating weather extremes (e.g. floods), mitigating natural disasters, enabling recreation and maintaining biodiversity.
Mitä metsämaatiede on?
Metsämaatieteessä tutkitaan metsämaaperän rakennetta ja toimintoja. Niiden luontaisen ajallisen ja paikallisen vaihtelun ja vaikuttavien tekijöiden tunteminen on edellytys sille, että metsien käsittelyn ja ympäristö- ja ilmastomuutosten ekosysteemivaikutuksia voidaan ymmärtää ja ennakoida, haittavaikutuksia ehkäistä tai lieventää sekä löytää uusia toimintamalleja.
Suomen metsien maaperä
Metsämaa on metsäekosysteemin rakenteen ja toiminnan perusta. Maaperän ominaisuudet paikallisesti ja alueellisesti ohjaavat metsän kehitystä, metsästä saatavien tuotteiden tuotantoa ja muita ekosysteemipalveluja. Maaperän ominaisuuksien tunteminen on edellytys metsätalouden päätöksenteossa, esimerkiksi kasvupaikalle sopivimman uudistamismenetelmän tai käsittelytavan valinnassa. Vaikka maaperä on uusiutuvien luonnonvarojemme perusta, on se käytännössä uusiutumaton – ainoastaan orgaanista ainetta kertyy hitaasti metsämaahan.
Suomen kallioperä on maapallon vanhimpia, mutta sen pinnalla oleva kivennäismaa on nuorta ja muodostunut mannerjäätikön hienontamasta ja sulamisvesien lajittelemasta ja kerrostamasta aineksesta. Kivennäismaan pinnalla ja siihen sekoittuneen oleva eloperäinen aines on muodostunut vuosituhansien kuluessa kullakin paikalla vallinneen kasvillisuuden ja muun eliöstön epätäydellisen hajoamisen tuloksena. Maaperämme on vähitellen saanut kerroksellisen horisonttirakenteensa maannostumisessa, joka on maaperän kivennäisaineksen, ilmaston ja kasvillisuuden yhteisvaikutuksen tulosta.
Metsämaan biogeokemia ja ekosysteemipalvelut
Metsämaa on myös puiden ja muun metsäkasvillisuuden kasvupaikka sekä maaperäeliöstön elinympäristö. Maaperän biogeokemialliset (biologiset, geologiset ja kemialliset) prosessit säätelevät hiilen, ravinteiden ja veden kiertoa ja kulkeutumista pohjaveteen ja vesistöihin. Ravinnekierto maaperästä kasvillisuuteen ja karikkeessa takaisin maahan sekä rapautuminen maaperän mineraaleista ylläpitää kasvillisuuden ravinteiden saatavuutta. Maaperän hitaasti hajoavaan orgaaniseen aineeseen kertyy ravinteita ja hiiltä, ja metsämaa – varsinkin turvemaat – on hiilen varastoista merkittävin. Metsämaaperä myös suodattaa sadevettä pohjavedeksi puskuroiden sadeveden happamia yhdisteitä.
Maaperän merkitys tiedostetaan myös poliittisesti – Euroopan unionissa on vuodesta 2006 ollut olemassa maaperänsuojelun temaattinen strategia, joka käsittelee jäsenmaiden maaperään kohdistuvien ympäristömuutosten vaikutuksia: eroosiota, maanpinnan sulkemista (peittämistä), pilaantumista, happamoitumista, orgaanisen aineen vähenemistä, tiivistymistä, ja suolaantumista.
Metsämaan päätyypit Suomessa
Maaperään vaikuttavien ympäristötekijöiden aiheuttamien muutosten seurauksena maaperän ylimpään osaan kehittyy ulkonäöltään ja ominaisuuksiltaan toisistaan ja pohjamaasta eroavia kerroksia, horisontteja, jotka yhdessä muodostavat maannoksen.
Rautapodsoli tuoreella kankaalla. Kuva: H-S. Helmisaari.
Maannostumisessa tekijöinä ovat kivilajit, jotka on muodostaneet maaperän kivennäisaineksen, topografia, ilmasto (sademäärä ja lämpötila), eliöstö (maaperäeliöstö, kasvillisuus) ja ihmisen toiminta.
Viileässä ilmastossamme sademäärä on haihduntaa suurempi, ja maannostuminen ilmenee kivennäismaan pintakerroksen huuhtoutumisena ja luontaisena happamoitumisena. Tämä johtuu huonosti rapautuvasta kallioperästä ja maaperää neutraloivien emäksisten kivilajien vähäisestä määrästä. Myös havumetsien kasvillisuus edistää yleisimmän maannostyyppimme, podsolimaannoksen muodostumista. Samaan kasvupaikkatyyppiin kuuluvat kaikki ne kasvupaikat, joilla maaperään liittyvät kasvupaikkatekijät (maaperän lajitekoostumus, ravinteisuus ja vesi) ovat samankaltaiset.
Karulla kankaalla jäkäläpeite muodostaa vain erittäin ohuen humuskerroksen, humushappojen vähäisyys myötävaikuttaa huuhtoutumiskerroksen puuttumiseen. Kuva H-S. Helmisaari.
Podsolimaannoksessa maan pinnan ylin eloperäinen kerros on kangashumusta, joka erottuu selvärajaisesti huopamaisena ja tiivisrakenteisena kerroksena alla olevasta kivennäismaasta. Kivennäismaan yläosassa on vaalea huuhtoutumiskerros, josta humushapot ovat uuttaneet varsinkin rautaa ja alumiinia alla olevaan punaruskeaan rikastumiskerrokseen.
Etelä-Suomen lehdoissa, jotka ovat muodostuneet hienorakeisille savi-, hiesu- ja hietamaille laaksonpohjille ja notkelmiin, eloperäinen kerros on multaa tai mullasta. Tällaisessa maannoksessa ei ole selviä rajoja eri maaperäkerrosten välillä, mihin vaikuttaa lierojen ja muiden maaperäeläinten sekoitustyö
Metsämaan ravinnekierrot
Ravinteiden päälähteitä ovat ilmakehä (laskeuma ja biologinen typen sidonta), maaperä (rapautuminen) ja esim. lannoitteet. Ravinteita poistuu metsiköstä huuhtoutumalla pohja- ja pintavesiin sekä puunkorjuussa. Ravinteiden biologiseen kiertoon sisältyvät kasveille käyttökelpoinen ravinnevarasto maassa, kasvien ravinteiden otto ja ravinteiden sitoutuminen biomassatuotokseen sekä palautuminen uudelleen kasvien saataville kuolleen orgaanisen aineen hajotuksessa. Tärkeimpien ravinteiden, esim. typen saatavuus, perustuu biologiseen kiertoon. Siinä tapahtuvat prosessit, varsinkin maaperässä, tunnetaan maanpäällisiä ravinnevirtoja heikommin, vaikka niillä on ratkaiseva merkitys metsämaan puuntuotoskyvylle. Maaperän mineraalien rapautuminen on tärkeä emäsravinteiden saatavuudelle ja maaperän puskurikyvylle happamoitumista vastaan. Tähän mennessä rapautumista on määrällisesti arvioitu vasta muutamissa metsiköissä.
Myös aluskasvillisuuden osuus ravinteiden kierrossa kaipaa selvittämistä. Puusto ja aluskasvillisuus säätelevät toistensa kasvuoloja, joten niiden keskinäiset biomassasuhteet vaihtelevat metsikön kehitysluokan, tiheyden ja puulajin sekä kasvupaikan ravinteisuuden mukaan. Metsän aluskasvillisuuden biomassa on puihin verrattuna yleensä pieni, mutta vuosittaisesta biomassatuotannosta ja vastaavasti ravinteiden käytöstä sen osuus voi olla merkittävä. Aluskasvillisuus vaikuttaa olennaisesti myös metsämaahan tulevan karikevirran määrään ja laatuun.
Ravinnekierrot ja metsäenergian korjuu
Metsien ekologisesti kestävä käyttö edellyttää monipuolista tietoa ravinteiden saatavuudesta ja ravinnekierrosta. Metsämaan ravinteiden saatavuuteen vaikuttavien tekijöiden tunteminen on erityisen tärkeää puuntuotannon turvaamiseksi ja monimuotoisuuden ylläpitämiseksi. Metsämaan ravinteisuus heikkenee hyvin hitaasti luontaisen maannostumisen seurauksena, mutta metsien hyväksikäyttö voi heikentää ravinteiden saatavuutta jo lyhyen ajan kuluessa, jos käytettävät menetelmät eivät ole kasvupaikalle ekologisesti sopivia. Suuri osa metsikön käyttökelpoisista ravinteista on sitoutuneena kasvillisuuteen, joten varsinkin metsäenergian käyttö voi aiheuttaa muutoksia ravinteiden saatavuudessa.
Hakkuutähteiden ja kantojen korjuu ja niitä seuraava maanmuokkaus on Suomessa tällä hetkellä merkittävin metsämaaperän rakennetta ja ekosysteemin ainekiertoja muuttava metsätalouden toimenpide ja ympäristömuutos. Neulasmassan korjuu metsäenergiaksi poistaa kierrosta ravinteita ja orgaanista ainetta, ja sen on todettu vähentävän varsinkin harvennusmetsissä (Helmisaari ym. 2011) puiden kasvua verrattuna tilanteeseen, jossa vain runkopuu korjataan. Kantojen korjuu muuttaa metsämaaperän rakennetta pitkäksi aikaa. Molemmat toimenpiteet heijastuvat maaperäprosessien toimintaan ja metsämaahan kasvupaikkana sekä elinympäristönä.