Effect of topography, soil and vegetation to spatial and temporal soil moisture variation in boreal forest

Maaperän kosteudella on keskeinen rooli ekosysteemeissä. Maaperän kosteus vaihtelee alueellisesti ja ajallisesti, ja vaihteluihin vaikuttavat monet eri tekijät. Isossa mittakaavassa ilmastolla on suuri vaikutus maaperän kosteuteen, mutta paikallisemmin etenkin topografia, maaperä ja kasvillisuus muuttuvat oleellisiksi tekijöiksi. Lisäksi keskimääräinen maaperän kosteus vaikuttaa siihen, ovatko kosteuden vaihtelut suurimpia maaperän ollessa kuiva vai kostea. Ilmastonmuutos tulee vaikuttamaan merkittävästi maaperän kosteuteen ympäri maailmaa, ja vaikutukset tulevat näkymään myös boreaalisella vyöhykkeellä. Tämän vuoksi maaperän kosteutta on tärkeää tutkia kattavamman boreaalisessa ympäristössä. Tämän tutkielman tarkoituksena on selvittää, miten maaperän kosteus vaihtelee alueellisesti ja ajallisesti, ja miten topografia, maaperä ja kasvillisuus selittävät tätä vaihtelua boreaalisen vyöhykkeen eri osissa ja erilaisissa ympäristöissä. Tutkimusalue kattaa kahdeksan vaihtelevan kokoista aluetta (3,5–37 km2) boreaalisella vyöhykkeellä ympäri Suomea. Jokaisella tutkimusalueella on 44–96 tutkimuspistettä, joilta maaperän kosteus on mitattu 15 minuutin välein heinäkuun 2020 ajan. Mittauksista laskettiin vastemuuttujiksi kunkin tutkimuspisteen kosteuden keskiarvo ja keskihajonta, joista keskiarvo kuvaa maaperän kosteuden alueellista vaihtelua ja keskihajonta ajallista vaihtelua. Vastemuuttujia selittäviksi ympäristömuuttujiksi valittiin topografian osalta korkeus, kosteusindeksi SWI (SAGA wetness index), topografinen sijainti-indeksi TPI (Topographic position index) ja säteily, kasvillisuuden osalta latvuspeitto ja kasvupaikkaluokka, sekä maaperän osalta maaperäluokka. Ympäristömuuttujien vaikutusta maaperän kosteuden alueellisiin ja ajallisiin vaihteluihin selvitettiin yleistetyllä additiivisella mallilla (Generalized additive model, GAM), joka sovitettiin jokaiselle tutkimusalueelle ja molemmille vastemuuttujille erikseen. Mallien selityskykyä tutkittiin korjatulla R2-arvolla bootstrap-menetelmällä, yksittäisten ympäristömuuttujien suhteellista merkitystä mallissa tutkittiin muuttujia satunnaistamalla, ja ympäristömuuttujien vaikutuksen suuntaa tutkittiin vastekäyrien avulla. Maaperän kosteus vaihteli huomattavasti alueellisesti ja ajallisesti tutkimusalueiden sisällä ja vertailtaessa alueita toisiinsa. Maaperän kosteus oli yleensä korkea soisilla tutkimusalueilla, ja kosteus vaihteli alueellisesti eniten useimmiten topografisesti heterogeenisilla alueilla. Kosteus vaihteli ajallisesti usein eniten keskimäärin kuivilla alueilla, ja ajallisesti vähiten keskimäärin kosteilla alueilla. Usein maaperän kosteuden keskiarvon ollessa suuri, keskihajonta olikin pieni ja päinvastoin. Topografiset tekijät vaikuttivat maaperän kosteuden keskiarvoon ja keskihajontaan enemmän pohjoisilla kuin eteläisillä alueilla, kun taas latvuspeiton rooli korostui eteläisillä alueilla kosteuden keskiarvoa selitettäessä. Maaperä vaikutti kosteuteen enemmän pohjoisessa kuin etelässä. SWI selitti sekä kosteuden keskiarvoa että keskihajontaa muuttujista selvästi parhaiten. Myös latvuspeitto ja säteily selittivät kosteuden keskiarvoa hyvin osalla tutkimusalueista. Kosteuden keskihajontaa selittivät SWI:n lisäksi parhaiten kasvupaikka- ja maaperäluokka. Korkeus ja TPI selittivät kosteuden keskiarvoa ja keskihajontaa verraten vähän . SWI:n vaikutus oli tutkimusalueilla usein kosteutta lisäävä ja kosteuden vaihtelua pienentävä, mutta muiden ympäristömuuttujien vaikutusten suunnat vaihtelivat paljon alueiden välillä. Tämä tutkimus osoittaa, että maaperän kosteuden alueellista ja ajallista vaihtelua säätelevät boreaalisen vyöhykkeen eri ympäristöissä pääasiassa eri tekijät, ja samatkin ympäristötekijät vaikuttavat maaperän kosteuteen hyvin eri tavoin alueiden välillä. Tutkimusta on jatkettava, jotta maaperän kosteuden vaihteluihin vaikuttavista tekijöistä boreaalisella vyöhykkeellä saadaan parempi yleiskuva, ja jotta ilmastonmuutoksen aiheuttamiin muutoksiin ympäristössä pystytään varautumaan paremmin.Soil moisture plays a key role in ecosystems. Soil moisture varies spatially and temporally, and the variations are influenced by many different factors. On a large scale, climate has a large effect on soil moisture, but more locally, especially topography, soil and vegetation become important factors. In addition, mean soil moisture content affects whether soil moisture variations are greatest when soil is dry or moist. Climate change will significantly affect soil moisture around the world, and effects will also be visible in the boreal forest. Therefore, it is important to study soil moisture more comprehensively in boreal environment. The purpose of this thesis is to find out how soil moisture varies spatially and temporally, and how topography, soil and vegetation explain this variation in different parts of the boreal forest and in different environments. Study area covers eight areas of varying size (3,5–37 km2) in the boreal forest around Finland. Each study area has 44–96 study points from which soil moisture has been measured every 15 minutes during July 2020. Mean and standard deviation of soil moisture (response variables) of each research point were calculated from the measurements, of which the mean describes the spatial variation of soil moisture and the standard deviation the temporal variation. The response variables were explained by environmental variables. Variables explaining topography’s effect were altitude, SAGA wetness index (SWI), topographic position index (TPI) and radiation. Vegetation was explained by canopy cover and site fertility class, and soil was explained by soil class. The effect of environmental variables on spatial and temporal variations of soil moisture was analysed using a generalized additive model (GAM), which was fitted for each study area and for both response variables separately. Explanatory power of the models was examined with an adjusted R2 value using the bootstrap method. Relative importance of the individual environmental variables in the model was examined by randomizing the variables, and the direction of the effect of the environmental variables was examined using response curves. Soil moisture varied considerably spatially and temporally within the study areas and between the areas. Soil moisture was generally high in study areas with a lot of peatlands, and moisture varied most spatially usually in topographically heterogeneous areas. Often, the temporal variation of moisture was highest on dryer study areas and lowest on moister areas. Indeed, it was found that when the mean soil moisture was high, the standard deviation was often small and vice versa. Topographic factors influenced to the mean and standard deviation of soil moisture more in the northern than in the southern regions, while the role of canopy cover was emphasized in the southern regions when explaining the mean moisture. Soil influenced to the moisture more in the northern than in the southern areas. From all variables, SWI clearly explained the best both the mean and standard deviation of moisture. Canopy cover and radiation also explained well the mean moisture in a part of the study areas. In addition to SWI, the standard deviation of moisture was best explained by site fertility class and soil class. Altitude and TPI rarely explained the mean and standard deviation of moisture well. SWI often increased moisture and decreased moisture’s temporal variability in the study areas, but the directions of the effects of other environmental variables varied a lot between areas. This study shows that the large spatial and temporal variability of soil moisture in different environments of the boreal forest is dominated by different factors, and even the same environmental factors affect soil moisture in very different ways between areas. Research must be continued to get a better general picture of the factors affecting soil moisture variations in the boreal forest, and to be able to prepare better for the environmental changes caused by climate change