Valon vaikutus makrolevien levinneisyyteen ja vyöhykkeisyyteen Suomenlahdella

The productivity and biodiversity of coastal areas, one of the most productive ecosystems on earth, are threatened by eutrophication and habitat loss which also drive deterioration of the macroalgal communities of shallow rocky bottoms and their perennial key species. The underwater light, being one of the most important factors determining the zonation and distribution of macroalgae, alternates in space and time. The water quality at the study area, Gulf of Finland, has deteriorated during the past hundred years which has lowered the amount of light at the bottom. Comprehensive studies on spatio-temporal changes at euphotic bottom and the their effects on macroalgae are yet to be done. This study investigates how the area of euphotic bottom at the Gulf of Finland has fluctuated during 2003 2011, and how the amount of light on the bottom determinates the zonation and distribution of macroalgae. Furthermore, the changes in the areas of euphotic bottom when the euphotic depth is altered and the effects on macroalgae are surveyed. One hypothesis is that in many areas macroalgae are not affected by too low light levels but the unsuitable bottom substrate that limits their distribution. The study material consists of euphotic depth GIS (Geographic Information System) layers derived from MERIS (MEdium Resolution Imaging Spectrometer) satellite images from May to September from 2003 2011, inventory data of the Finnish Inventory Programme for the Underwater Marine Environment (VELMU), water quality measurements and HIRLAM (High Resolution Limited Area Model) weather model. The distribution of euphotic bottom and its area were calculated for four parts of the Gulf of Finland. Changes in euphotic bottoms were evaluated in scenarios where euphotic depth changed -100 87,5 %. The effect of light on the zonation and distribution patterns of macroalgae were surveyed using distribution models. Boosted Regression Tree (BRT), Generalized Additive Model (GAM) and Climate Envelope Model (CEM) were utilized on bladderwrack (Fucus vesiculosus L.). In addition, scenarios of euphotic depth changing -50 50 % were modelled. The area of euphotic bottom varied seasonally and changed slightly between the study years. The area was larger in the inner archipelago compared to the outer arhcipelago and the difference was greater when the areas were normalized with local sea area. Always and occasionally euphotic bottoms were located near the shoreline and reefs. The altered euphotic depth affects euphotic bottoms the most in the outer archipelago. There were local differences in the performance of the distribution models. The change in euphotic depth affects the distribution of bladderwrack considerably: a deterioration of 25 % narrows off the distribution widely and a decline of 50 % suggests that the species is going to disappear from the Gulf of Finland. A decline in euphotic depth shifts the inner distribution limit towards the outer archipelago and narrows the macroalgae zone locally while even a small improvement expands the area significantly. However, the substrate of the newly exposed zone is only partially suitable for macroalgae and the portion of rocky substrate decreases as a function of euphotic depth. Changes in the optical properties of the sea affect the penetrance of light at the bottom and the area of euphotic bottom. Increasing turbidity of the sea is a remarkable threat to macroalgae. Vice versa, clarification of the water expands light-limited distribution and enlarges the macroalgal zones even though the growing amount of unsuitable soft substrate inhibits the distribution and zonation of macroalgae.Rannikkoalueet ovat maailman tuottavimpia ekosysteemejä, mutta niiden biodiversiteettiä ja tuottavuutta uhkaavat muun muassa rehevöityminen ja habitaattien katoaminen. Ilmiöstä kärsivät etenkin kovien kalliopohjien makroleväyhteisöt ja näiden monivuotiset avainlajit. Yksi tärkeimmistä makrolevien vyöhykkeisyyteen ja levinneisyyteen vaikuttavista tekijöistä on vedenalainen valo, joka vaihtelee ajallisesti ja alueellisesti paljon. Tutkimusalueena olevan Suomenlahden vedenlaatu on heikentynyt kuluneen sadan vuoden aikana, mikä on vähentänyt myös valon määrää pohjalla. Kattavaa tietoa eufoottisten pohjien ajallisesta ja alueellisesta kehityksestä ja sen vaikutuksesta makroleviin ei kuitenkaan ole saatavilla. Tutkielmassa selvitetään, kuinka eufoottisten pohjien pinta-alat ovat vaihdelleet Suomenlahdella vuosien 2003 2011 aikana ja kuinka valon määrä selittää makrolevien vyöhykkeisyyttä ja levinneisyyttä. Lisäksi tutkimus selvittää, kuinka eufoottisten pohjien pinta-ala muuttuu veden optisten ominaisuuksien muuttuessa ja kuinka makrolevät reagoivat tähän muutokseen. Lisäksi tutkimushypoteesina on, että monilla alueilla valon määrä ei ole makrolevien kasvua rajoittava tekijä, vaan sopivan kasvualustan puuttuminen rajoittaa esiintymisalueita. Aineistona hyödynnetään MERIS-satelliittikuviin (MEdium Resolution Imaging Spectrometer) perustuvia eufoottisen syvyyden paikkatietoaineistoja touko syyskuulta vuosilta 2003 2011. Lisäksi mallinnuksessa hyödynnetään VELMU-ohjelman kartoitus- ja paikkatietoaineistoja, vedenlaatumittausaineistoa ja HIRLAM-säämallia (High Resolution Limited Area Model). Eufoottiset pohjat määritettiin ja niiden pinta-alat laskettiin neljälle alueelle jokaiselle tutkimuskuukaudelle. Eufoottisten pohjien pinta-alojen kehitystä arvioitiin skenaarioissa, joissa eufoottinen syvyys muuttuu -100 +87,5 %. Valon vaikutusta makrolevien vyöhykkeisyyteen ja levinneisyyteen tutkittiin levinneisyysmalleilla. Tutkimuslajiksi valittiin rakkolevä (Fucus vesiculosus L.), ja mallinnusmenetelmiksi valittiin Boosted Regression Tree (BRT), Generalized Additive Model (GAM) ja Climate Envelope Model (CEM). Lisäksi mallinnettiin skenaariot, joissa eufoottinen syvyys muuttuu -50 +50 %. Eufoottisten pohjien pinta-alojen vaihtelu oli lähinnä vuodenaikaista ja vuosien välinen vaihtelu melko pientä. Sisäsaaristossa oli absoluuttisesti enemmän eufoottisia pohjia ja ero ulkosaaristoon korostui kun pinta-ala suhteutettiin merialueen kokoon. Aina ja ajoittain eufoottiset pohjat sijaitsivat rantojen ja riuttaalueiden tuntumassa. Eufoottisen syvyyden muuttuminen vaikuttaa eufoottisiin pohjiin voimakkaimmin ulkosaaristossa. Levinneisyysmallien suoriutumisessa oli alueellisia ja menetelmällisiä eroja. Eufoottisen syvyyden muutos vaikuttaa merkittävästi rakkolevän levinneisyyteen tutkimusalueella; 25 % heikentyminen vähentää huomattavasti levinneisyysalueita ja 50 % heikentyminen estää rakkolevän esiintymisen tutkimusalueella. Eufoottisen syvyyden heikentyminen siirtää levinneisyysrajaa kohti ulkosaaristoa ja kaventaa levävyöhykettä paikallisesti, kun taas pienikin paraneminen kasvattaa alueita merkittävästi. Laajentunut levinneisyysalue ei kuitenkaan ole kokonaan makrolevän kasvulle soveltuvaa, ja kovan pohjan osuus rakkolevän levinneisyysalueella pienenee eufoottisen syvyyden kasvaessa. Veden optisten ominaisuuksien muuttuminen vaikuttaa paljon merenpohjaan saapuvan valon määrään ja eufoottisten pohjien pinta-alaan. Veden samentuminen onkin suuri uhka makroleville. Toisaalta veden kirkastuminen laajentaa valorajoitteista levinneisyysaluetta. Pohjanlaadun soveltumattomuus kasvualustaksi kuitenkin rajoittaa makrolevien levinneisyyttä ja vyöhykkeisyyttä