Plant-soil feedbacks as affecting ecosystem services in urban greenspaces

Soils play a fundamental role in many ecological processes and in the provision of a multitude of vital ecosystem services not only in natural/semi-natural ecosystems but also in disturbed urban milieus. As many soil-derived ecosystem services are closely linked to human health and climate change, it is important to acknowledge the ability of urban soils to provide ecosystem services in the context of rapid urbanisation. Growing evidence shows that, despite various disturbances in urban landscapes, sparse vegetation can still control the provision of soil-derived ecosystem services in urban greenspaces due to the close linkages between aboveground and belowground milieus. Therefore, knowledge on the role of urban greenspace soils, in connection with plants, in providing ecosystem services likely leads to better urban planning and management practices. The main objective of this thesis was to explore the mechanisms by which plants – plant functional types (evergreen trees, deciduous trees, lawns) in particular – affect soil carbon (C) and nitrogen (N) dynamics in urban parks of varying ages and in natural/semi-natural forests acting as a reference. Field experiments, including litter decomposition, root production, soil greenhouse gas emission, and soil inorganic N leaching, were conducted in boreal cities. Additionally, soils underneath impervious surfaces were investigated for the effects of soil sealing on soil C and N storage to better understand the role of urban soils (greenspace soils vs. sealed soils) in C and N accumulation under boreal climate. I showed that evergreen trees (spruce, mostly Picea sp.) accumulate C and retain N in soils more than deciduous trees (linden, mostly Tilia x vulgaris) and lawn (grass/herb, mostly Poa and Festuca species). This was likely due to slow rates of litter decomposition and high root production of evergreen trees. Moreover, evergreen trees modified soil properties by lowering soil pH and soil moisture content efficiently, both of which can retard litter decomposition and N denitrification. Evergreen trees reduced soil greenhouse gas emissions and thus have a higher potential to mitigate the negative effects of anthropogenic N pollution and climate change in urban environments. Importantly, despite the various disturbances and management practices in urban parks, the mechanisms through which plant type controls soil C and N dynamics are independent of both habitat (urban parks vs. natural/semi-natural forests) and park age (young vs. old parks). Additionally, soil sealing has substantial, negative impacts on soil C and N storage, which critically hampers their ability to provide ecosystems services in cities under boreal climate. I am the first to study the mechanisms behind plant-soil interactions as affecting ecosystem services in urban greenspaces in boreal cities. This thesis clearly highlights the importance of urban greenspace soils in providing ecosystem services under boreal climate and suggests that selecting the right plant type, here evergreen trees, in urban greenspaces boosts the ability of urban soils in ecosystem services provision. As the build-up of organo-mineral associations strongly affects soil organic matter stabilisation, further research is needed to explore the potential effects of plant type on soil organo-mineral associations in urban greenspaces. Further research is also required to study how far away from trees plant-soil interaction extends in urban parks, which is important for determining optimal tree density in urban parks, and in accurately calculating C and N budgets at the park level.Ekosysteemipalveluiksi kutsutaan luonnon ihmiselle tuottamia aineellisia ja aineettomia hyödykkeitä. Näiden palvelujen tarjoajana maaperällä on tärkeä rooli, olipa kyseessä sitten luonnon ekosysteemit tai ihmisen häiriöittämät systeemit, kuten kaupungit. Koska useat maaperän tarjoamat ekosysteemipalvelut liittyvät joko suoraan tai epäsuoraan esimerkiksi ilmaston muutokseen ja sitä kautta ihmisen terveyteen, maaperän hyvinvoinnista huolehtiminen on ensiarvoisen tärkeää alati kaupungistuvassa maailmassa. On tunnettua, että kasveilla on merkittävä vaikutus maaperään ja sen elintärkeisiin prosesseihin, mutta näiden vaikutusten syvällinen ymmärtäminen kaupunkimiljöössä on puutteellista. Väitöskirjatyössäni selvitänkin sitä, miten kaupunkien viheralueilla tutut kasvityypit – havupuut, lehtipuut ja nurmi – muokkaavat kaupunkimaaperää ja siten vaikuttavat kaupunkimiljöössä runsaina esiintyvien hiilen ja typen varastoitumiseen maaperään. Tutkittua tietoa näiden ekosysteemipalveluiden roolista kaupunkien viheralueilla on niukasti ja tietämyksemme siitä, mitä tapahtuu pinnoitetuilla alueilla, on erityisen puutteellista. Väitöstutkimukseni keskittyy näiden tietoaukkojen paikkaamiseen. Tutkimuksissani selvisi, että havupuut, kuten kuusi (Picea abies), varastoitoivat hiiltä ja pidättävät typpeä maaperässä enemmän kuin lehtipuut (esimerkiksi puistolehmus, Tilia x vulgaris) ja nurmi. Havupuiden ekosysteemipalveluvaikutus selittyi pääosin niiden runsaalla juurituotolla sekä hitaasti hajoavalla neulaskarikkeella. Havupuiden positiivinen vaikutus ilmeni myös maaperän vähentyneenä kasvihuonekaasutuotantona, mikä vähentää ilmastonmuutoksen ja typpisaasteen kielteisiä vaikutuksia kaupunkiympäristössä. Havaitsin myös, että maaperän pinnoittaminen asfaltilla ja betonilla vaikuttaa voimakkaan kielteisesti maan hiili- ja typpivarantoihin. ”Äiti maan” tukahduttaminen estää kasvien ja maaperän välisen mutualistisen vuorovaikutussuhteen, mikä heikentää oleellisesti maaperälähtöisiä ekosysteemipalveluita pohjoisen ilmastovyöhykkeen kaupungeissa. Tutkimukseni kaupunkimaaperän roolista ”ekosysteemipalvelukeitaana” on ensimmäinen laatuaan boreaalisessa ilmastovyöhykkeessä. Väitöstutkimukseni osoittavat selkeästi sen, että kaupunkien viheralueiden maaperä toimii suurelta osin samoin kuin luonnon ekosysteemien maaperä. Tutkimusteni perusteella väitän, että niukemmalla pinnoittamisella ja oikealla kasvi-/puulajivalinnalla voidaan vahvistaa maaperän tuottamia, elintärkeitä ekosysteemipalveluita