The resilience of understorey vegetation and soil to increasing nitrogen and disturbances in boreal forests and the subarctic ecosystem

Abstract Climate change and its warming effects on vegetation and soils are a widely recognized phenomenon. In addition to warming, the understorey vegetation in northern environments has been subjected to several environmental changes, such as increasing nitrogen (N) and other disturbances. This thesis examines the effects of N-fertilization and disturbances on the vegetation biomass and abundance, plant community composition and plant, soil and microbial N and C pools. Seedling establishment of the most common dwarf shrubs (deciduous Vaccinium myrtillus, evergreens V. vitis-idaea and Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum) was investigated after artificial disturbance treatments (vegetation and soil removal). These studies were conducted in the boreal and subarctic ecosystems and in the forest-tundra ecotone in northern Finland. N-fertilization and disturbances enhanced the amount of graminoids in plant communities, and the recovery ability of graminoids was enhanced after N-fertilization, which homogenized the vegetation and resulted in a new stable state in the plant community. The recovery ability of evergreen dwarf shrubs was low after disturbances. Disturbances created habitats for seed germination, but the seedling establishment of dwarf shrubs studied was still limited by seed availability. N-fertilization had no effect on microbial biomass. Instead, microbial biomass decreased with disturbance treatment in the boreal forest. However, the concentration of N increased in above-ground vegetation, both after N-fertilization and disturbance without any indication of N immobilization, suggesting that plant species captured the available N effectively for their recovery. The study shows that the likely outcome of N enrichment, when combined with disturbances, is the enhanced growth of graminoids. The seedling establishment does not compensate for the reduction of the vegetative recovery of evergreen dwarf shrubs, which makes evergreen dwarf shrubs sensitive to environmental changes. As the understorey is more resilient to perturbations in the boreal forest than in the subarctic ecosystem, these results emphasize the sensitivity of the vegetation to simultaneous environmental changes in the northernmost ecosystems. Moreover, microbial properties are more resilient to environmental changes than is above-ground vegetation.Tiivistelmä Ilmaston muutos ja siitä aiheutuvan lämpenemisen vaikutus kasvillisuuteen ja maaperään on laajasti tunnustettu ilmiö. Lämpenemisen lisäksi pohjoisten alueiden aluskasvillisuuteen kohdistuu useita muutospaineita, kuten lisääntynyt typpipitoisuuden nousu ja kasvillisuutta muokkaavat häiriöt. Tässä tutkimuksessa mitattiin lisääntyneen typpipitoisuuden ja häiriöiden vaikutus kasvillisuuden biomassaan ja runsauteen sekä yhteisörakenteeseen, sekä kasvilajeihin, maaperään ja mikrobibiomassaan sitoutuneen typen ja hiilen määrään. Lisäksi tutkittiin yleisimpien varpukasvien (lehtensä pudottava mustikka, ikivihreät puolukka ja variksenmarja) siemenellistä lisääntymistä kokeellisen häiriön (kasvillisuuden tai maaperän poisto) jälkeen. Tutkimukset tehtiin boreaalisessa ja subarctisessa ekosysteemeissä sekä metsänrajaympäristössä Pohjois-Suomessa. Typpilannoitus ja häiriöt lisäsivät heinien määrää kasviyhteisöissä. Lisäksi typpilannoitus edisti heinien kasvullista palautumiskykyä häiriön jälkeen, joka johti kasvillisuuden homogenisoitumiseen ja kasviyhteisön uuteen tasapainotilaan. Häiriöt heikensivät ikivihreiden varpujen kasvullista palautumista häiriön jälkeen. Häiriö loi sopivia elinympäristöjä siementen itämiselle, mutta tutkittujen lajien siementen määrä rajoitti siemenellistä lisääntymistä. Typpilannoitus ei vaikuttanut mikrobibiomassaan, mutta häiriö vähensi mikrobibiomassaa boreaalisessa ekosysteemissä. Kuitenkin kasvien typen pitoisuudet lisääntyivät sekä lannoituksen että häiriön jälkeen ilman viitteitä typen sitoutumisesta mikrobibiomassaan. Tämä viittaa siihen, että kasvit käyttävät maaperän typen tehokkaasti häiriön jälkeiseen palautumiseen. Väitöskirjan mukaan typen lisääntyminen häiriöiden yhteydessä edistää heinien esiintymistä. Koska ikivihreiden varpujen siemenellinen lisääntyminen ei kompensoi häiriöstä kasvulliselle palautumiselle aiheutuvaa haittaa, ovat ikivihreät varvut erityisen herkkiä häiriöille. Aluskasvillisuus on vastustuskykyisempi ympäristön muutoksille boreaalisessa kuin subarktisessa ekosysteemissä, mikä korostaa pohjoisimpien alueiden herkkyyttä yhtäaikaisille ympäristön muutoksille. Maaperän olosuhteet ovat kasvillisuutta kestävämpiä ympäristön muutoksille