ADVANCE-10k. Mauri Timonen. Metsäntutkimuslaitos, Rovaniemen tutkimusasema Rovaniemi 1996

Transkriptio

1

2 2 ADVANCE-10k Analysis of Dendrochronological Variability and Associated Natural climates in Eurasia - the last years. METLAN OSUUTTA KOSKEVA TUTKIMUSSUUNNITELMA Mauri Timonen Metsäntutkimuslaitos, Rovaniemen tutkimusasema Rovaniemi Tutkimushanke

3 mm Lustonleveys, m m V uosilustoindeksi Kasvujaksojen vaihtelu Sisällys Alkusanat Viitekehys Aikaperspektiivit Katsaus suomalaiseen ilmastohistoriaan Aikaperspektiivin laajentaminen ADVANCE-10k ja sen tehtäväjako METLAn kysymyksenasettelu Hankkeen toteutus METLAssa Hankkeen vaikuttavuuden arviointia... 8 KIRJALLISUUS... 9 LIITTEET: 1A TUTKIMUKSEN TAVOITTEET 1B ALUSTAVA RAPORTOINTISUUNNITELMA 1C TUTKIMUSALUE, AIKATAULU JA RESURSSIEN KÄYTTÖ VUOTINEN LUSTOSARJA VUOTINEN LUSTOSARJA ETUKANSI. Rovaniemen tutkimusaseman dendrokronologian laboratoriossa laadittu 1911-vuotinen lustosarja ( jkr.). Sarja esitellään yksityiskohtaisemmin liitteessä Yläkuva. Ajoitetuista näytteistä saadaan helpoimmin yhtenäinen sarja laskemalla kalenterivuosittaiset lustokeskiarvot. Nämä standardoimattomat lustosarjat soveltuvat mm. aineiston esitarkasteluun, vuosien välisen vaihtelun tutkimiseen ja ajoitustyöhön. Oheinen 212 näytteen esitutkimusaineisto on aukkoinen ja epätasaisesti jakautunut lustoiän suhteen eri ajanjaksoina. Esimerkiksi 300 luvun ja 400 luvun alkupuolen hyvät kasvut eivät johdu suotuisasta ilmastosta vaan nuorten hyväkasvuisten puiden painottumisesta kyseiselle ajanjaksolle. Keskikuva. Lustosarjan vaihtelu on tasoittunut standardoinnin eli näytteiden yhteismitalliseksi saattamisen jälkeen. Saatua yleistä keskiarvosarjaa ja myös eri tavoin luokiteltuja osasarjoja voidaan soveltaa mm. sään vuotuisten ja pitempiaikaisten vaihteluiden, kasvutrendien, puu- ja metsikkökohtaisten tapahtumien (harvennus- ja lannoitusreaktiot, metsätuhot, metsäpalot, ympäristömuutokset jne.) mallittamiseen. Alakuva. Kun keskimmäinen kuva esitetään värillisinä pintoina, nähdään, kuinka lämpimät ja kylmät jaksot vuorottelevat enemmän tai vähemmän säännönmukaisesti. Se selittää konkreettisesti sen, miksi metsänrajametsät uudistuvat useammin kuin mitä pelkkiin todennäköisyyksiin perustuvat peräkkäisten vuosien lämpösummakertymät edellyttäisivät (asiasta lähemmin: Pohtila 1980). TAKAKANSI vuotisen lustosarjan kasvujaksojen vertailu Sirénin (1961) uudistumisvuosijaksoihin ajalta osoittaa uudistumisen keskittyvän lämpimien kasvujaksojen yhteyteen. Asiasta lähemmin kuvan tekstissä.

4 3 Alkusanat Monitieteiseen kysymyksenasetteluun perustuva ympäristömuutosten tutkimus on yleistynyt maailmalla voimakkaasti. Uusissa kansainvälisissä ympäristöohjelmissa on alettu painottaa pitkien aikasarjojen merkitystä, sillä on huomattu, että menneisyydestä saadaan yllättävän paljon tietoa selitettäessä nykyisiä tai tulevia tapahtumia. Aikaperspektiivi on laajentunut myös METLAssa tehdyissä kasvutrenditutkimuksissa kymmenistä ja sadoista vuosista tuhansiin vuosiin. Syynä ovat ilmaston pitkäaikaiset luontaiset vaihtelut ja niiden erityispiirteet, joiden tunnistaminen ja erottaminen muista puiden kasvuun vaikuttavista tekijöistä on tullut ajankohtaiseksi. Tieto on sitä varmempaa, mitä pitempiä havaintosarjoja on käytettävissä. Parin viime vuoden tapahtumat METLAn lustontutkimusrintamalla osoittavat, että monitieteinen lähestymistapa yhdistettynä kansainvälisen tiedeyhteisön tukeen ja kurinalaiseen laboratoriomuotoiseen tiimityöskentelyyn johtavat innovatiiviseen ja uusia näkökulmia aukovaan tutkimusotteeseen. Rovaniemen tutkimusaseman dendrokronologian laboratorio toimintoineen ja saavutuksineen sekä ADVANCE-10k -hankkeen kysymyksenasettelun kehittyminen ovat tämän ajattelun hedelmiä. ADVANCE-10k -hanke tulee luotaamaan Lapin metsien kehityshistoriaa ja kasvunvaihtelua sananmukaisesti pohjamutia myöten. Se on samalla paljon muutakin kuin pelkästään mielenkiintoinen tutkimus: se on yritys laajentaa ja suunnata METLAn kasvututkimusta kohti 2000-luvun kansainvälistä ympäristö- ja ilmastomuutostutkimusta. Tulevat 3-5 vuotta näyttävät, kuinka pitkälle tämä uudistuvan kasvututkimuksen ajatusmalli on vietävissä. Jos kehitys jatkuu yhtä suotuisana kuin kuluneiden kahden vuoden aikana, ovat tulevaisuuden näkymät todella lupaavat, MMT Aarne Reunalan sanoja uudelleen muotoillakseni: MET- LAn kiehtova tulevaisuus piilee vuosilustoissa! Mauri Timonen

5 ADVANCE-10K -hanke Viitekehys 11 Aikaperspektiivit Erosen (1995) mukaan on suuri määrä ympäristöongelmia, joita ei voida kunnolla ratkaista ilman tietoa aikaisemmasta kehityksestä ja nykyisin kaiken aikaa vaikuttavista geologisista prosesseista. Näkökohta on otettu huomioon uusissa kansainvälisissä ympäristöohjelmissa, joissa on tullut keskeiseksi pitkien aikasarjojen kokoaminen. Korhola (1994) korostaa aikaperspektiivin merkitystä pitkien havaintosarjojen yhteydessä. Perusteluiksi hän esittää seuraavat teesinsä : Ihmisen vaikutus luontoon tunnistetaan parhaiten vain silloin, kun luonnon oma vaihtelurytmiikka tunnetaan riittävän hyvin. Tulevia tapahtumia arvioitaessa on tiedettävä mahdollisimman paljon menneisyydestä. Ilman pitkäaikaisia havaintoja tutkijoilta puuttuu aikaperspektiivi, mikä seikka voi johtaa heidät helposti harhaan. Aikaperspektiivit ovat tulleet tärkeiksi myös METLAssa tehtävässä kasvututkimuksessa. Syynä on tutkimustoiminnan laajentuminen aihepiireihin, joissa tarvitaan luotettavaa ja pitkiin aikasarjoihin perustuvaa vertailutietoa kasvusta. Aihepiireistä mainittakoon suurilmaston ja ihmisen toiminnan vaikutukset (ilmansaasteet, laskeumat, kasvihuoneilmiö jne.) metsien kasvuun ja uudistumiseen. Riittävän pitkä aikaperspektiivi tarvitaan myös luonnon oman vaihtelurytmiikan ja harvinaisten tapahtumien, anomalioiden, tunnistamiseen. Näiden tekijöiden huomioonottaminen on olennaisen tärkeää trenditutkimuksissa ja pieniä kasvumuutoksia käsittelevissä tutkimusaiheissa (esimerkiksi hyönteistuhojen puuntuotannolliset vaikutukset), METLAssa viime aikoina tehdyissä trenditutkimuksissa on ollut tyypillisesti tutkimusasetelmana jonkin puunkasvussa trendimäisesti näkyvän ympäristötekijän tunnistaminen ja sen vaikutusten arvioiminen. Trenditutkimuksia on tehty mm. Euroopan kasvutrendeistä (Spiecker ym. 1996), Suomen kasvutrendeistä (Mielikäinen ja Timonen 1996) ja Kuolan metallisulattojen päästöistä (Nöjd ja Reams 1996). Luotettavan vertailutason määritteleminen on osoittautunut trenditutkimuksissa ongelmalliseksi, sillä useinkaan ei ole käytettävissä tarkoitukseen sopivia aikasarjoja. Tutkija joutuukin tällöin luottamaan ammattitaitoonsa asettaessaan vertailutason harkinnanvaraisesti, mikä ei aina tuota parasta mahdollista lopputulosta. Metsätieteissä on totuttu suhteellisen pitkiin aikajänteisiin. Mikola (1950) ulotti kasvunvaihtelututkimuksensa 1750-luvun puoliväliin. Ilvessalo (1970) tarkasteli Pohjois-Lapin männiköitä koskevassa tutkimuksessaan puiden kasvuja vuoden ajalta. Pisimmästä julkaistusta sarjasta vastaa professori Gustaf Sirén, jonka elävistä puista ja keloista laatima sarja yltää vuoteen 1181 jkr. (Siren 1961). Metsäntutkimuksen aikaperspektiivi kasvoi kuluneena vuonna (1996) tuhansiin vuosiin, kun Rovaniemen tutkimusaseman dendrokronologisen laboratorion kisällityönäytteenä valmistui 1911-vuotinen ( jkr.) metsänrajamännyn lustosarja (liite 2). Samasta, vuonna 1994 kerätystä esitutkimusaineistosta on voitu laatia myös kelluva 7500 vuoden pituinen sarja (liite 3), joka täydentyy ADVANCE-10k -hankkeen myötä. 12 Katsaus suomalaiseen ilmastohistoriaan Vanhimpia Suomesta löydettyjä puufossiileja lienee Vuotson kanavan kaivutöiden ( ) yhteydessä löytynyt lehtikuusen järeä kahdeksanmetrinen runko, jonka iän todettiin ylittävän radiohiiliajoituksen määrityskyvyn ( vuotta). Lehtikuusen löytöpaikan stratigrafia sekä kerrostuman mikro- ja makrofossiilisisältö viittaavat puun kasvaneen viime jääkautta edeltäneellä Eem-

6 ADVANCE-10K -hanke interglasiaalikaudella B.P. 1 (Mäkinen 1982). Jääkautisten moreenikerrostumien alta löydetyt siitepölyt todistavat, että myös tammet ja pähkinäpensaat kasvoivat tuona ajanjaksona yleisinä aina Pohjanmaalla saakka ja että jalojen lehtipuiden osuus metsissä oli muutenkin paljon nykyistä suurempi (Eronen 1991). Syynä puulajien nykyistä huomattavasti laajempaan levinneisyyteen on Eeminterglasiaalikauden ilmasto, joka oli muutaman asteen nykyistä lämpimämpi (Dawson 1992). Viime jääkauden jälkeisten ensimmäisten tuhansien vuosien ilmasto oli myös nykyistä suotuisampi, jonka vuoksi Lappi oli lähes kokonaan mäntymetsien peittämä. Mietittäessä nykyilmaston kehityssuuntia ja niiden vaikutuksia metsien kehitykseen on perusteltua tarkastella hiukan ilmastomuutoksia ja niiden syitä. Ilmastotieteilijöiden nykykäsityksen mukaan suurilmasto on jatkuvassa muutostilassa, jossa kaoottiset tapahtumat kuten isot tulivuorenpurkaukset, suurten meteoriittien törmäykset maahan ja vaikkapa ääritapauksessa maapallon joutuminen tähtienväliseen pölypilveen, ohjailevat tapahtumia (Broecker 1995). Luonnonkatastrofit aiheuttavat usein äkillisen ilmastonmuutoksen, mikä voi johtaa kokonaisten elämänmuotojen tuhoutumiseen. Esimerkiksi dinosaurusten katoaminen noin 65 miljoonaa vuotta sitten saattoi johtua paitsi evoluutiosta myös maahan törmänneen meteoriitin jälkivaikutuksista, jotka tekivät lajin elinolosuhteet mahdottomiksi. Luonnonkatastrofin ei tarvitse aina olla dramaattinen ja yhtäkkinen. Paleontologisten tutkimusten perusteella tiedetään, että suhteellisen pienetkin muutokset säätekijöissä ovat toimineet laukaisevana tekijänä suurilmaston muutoksille (Eronen 1991). Jääkauden kehittyminen ja loppuminen voivat perustua vain muutamien asteiden pysyvään muutokseen vuotuisessa keskilämpötilassa. Ihmisen toiminnasta aiheutuva kasvihuoneilmiö ja sen 1 B.P. tarkoittaa radiohiilivuosia ennen vuotta 1950 myötä muutamalla asteella nouseva keskilämpötila voivat aloittaa vastaavan epävakaan suurten vaihteluiden kehitysvaiheen, joka syntyi nykyistä hieman suotuisammalla Eemkaudella (Seppä 1994). Eem-kauden loputtua alkoi jääkausivaihe, joka kesti ajan B.P. Sen alkuvaiheessa oli pari jäätöntä jaksoa, mutta noin B.P. alkoi pysyvän jään vaihe, joka väistyi vasta jakson lopussa. Grönlannin GRIP-jäätikkökairauksista on selvinnyt, että tuolloin lämpötilan vaihtelut olivat rajuja: peräkkäisinä kymmenvuotisjaksoina talvien keskilämpötilat saattoivat poiketa toisistaan jopa ±10 astetta. Meneillään olevaa holoseenikautta 2 on pidettävä poikkeuksellisen rauhallisena ajanjaksona maapallon ilmastohistoriassa. Jään väistyessä noin vuotta sitten tapahtui yhtäkkinen ja pysyvä käänne: lämpötila nousi lähes 10 astetta ja lämpötilan vuotuinen vaihtelu pieneni murto-osaan entisestään. Syyksi on epäilty Golf-virran suunnanmuutosta nykyiseen asemaansa Norjan rannikon tuntumassa (Broecker 1995). Jään alta paljastuneet alueet valtasi ensimmäisenä koivu. Sen syrjäytti noin vuotta myöhemmin mänty, joka saapui Lappiin atlanttisen kauden alussa vuotta o C 10 Lämpökausi Pieni jääkausi Viileää Vuosituhannet nykyajasta taaksepäin Kuva 1. Holoseenin aikainen lämpötilan yleismaailmallinen kehitys Imbrien ja Imbrien (1979) mukaan (yhtenäinen viiva) ja lämpötilan kehitys Etelä-Suomessa Donnerin (1974) mukaan (katkoviiva). Lähde: Eronen 1981, s Holoseenikausi: viime jääkauden jälkeinen noin vuoden pituinen ajanjakso, nykyhetki mukaan lukien Lämmin

7 ADVANCE-10K -hanke sitten ja levisi pian nykyistä leveinneisyysaluettaan pohjoisemmaksi. Ilmasto lämpeni hitaasti aikaan B.P., jolloin mäntymetsät olivat Lapissa laajimmillaan. Sen jälkeen olosuhteet ovat vähitellen viilenneet aina nykyhetkiin saakka (kuva 1); eroksi vuoden takaiseen tilanteeseen on arvioitu Suomessa 2 3 astetta (Donner 1974). Kuusi tuli Suomeen paljon myöhemmin: se aloitti leviämisensä idästä noin vuotta sitten ja saavutti nykyisen levinneisyysrajansa B.P. 13 Aikaperspektiivien laajentaminen Luonnon muutosprosessit ovat usein hitaita ja edellyttävät esimerkiksi ilmastonvaihtelututkimuksissa satojen tai tuhansien vuosien, tai vieläkin pitempiä aikaperspektiivejä. Kun instrumentaalimittaukset yltävät parhaimmillaankin vain vuoden päähän (lämpötilamittaukset), joudutaan usein toteamaan, ettei kunnollista vertailukohtaa ole käytettävissä. Eräs keino aikaperspektiivien pidentämiseksi on hyödyntää ns. proksitietoja (proxy data). Proksitiedot tarkoittavat lähteitä, jotka kertovat epäsuorasti tutkittavan ilmiön vaihtelusta. Sellaisia ovat esimerkiksi Lapin mäntyjen vuosilustot, jotka kuvaavat varsin hyvin muinaisten kesien kesä heinäkuun lämpöoloja. Bradleyn (1985) mukaan ilmastonvaihteluiden tutkimuksessa käytettäviä proksitiedon lähteitä ovat mm. jääkairaussarjat, järvenpohja- ja maakerrostumat, puulustot, siitepölyt, kasvimakrofossiilit ja myös historialliset muistiinpanot. Niiden aikaskaala ulottuu muutamista sadoista vuosista satoihin miljooniin vuosiin. Lapin pikku järviin ja soihin on tallettunut eri aikakausille ajoittuvia jäänteitä (subfossiileja). Tutkimalla niiden vuosilustoja on mahdollista saada proksitietoa vuosituhansien takaisesta ilmaston vaihteluista. Suomessa alan uranuurtaja on professori Matti Eronen, joka jo 1970-luvulla aloitti Lapissa subfossiilimäntyjen radiohiiliajoitukset. Hänen ja fil.lis Pentti Zetterbergin SILMU-projektissa laatima 7500-vuotinen kronologia kattaa lähes kokonaan metsänrajamännyn viime jääkauden jälkeisen esiintymishistorian (Zetterberg ym. 1995a, 1995b). Uudet ympäristöorientoituneet tutkimusongelmat trendejä koskevine kysymyksenasetteluineen ovat laajentaneet myös METLAn kasvututkijoiden aikaperspektiivejä. Esimerkiksi Kasvun vaihtelu -tutkimushankkeen (3042) osahankkeessa Kasvun pitkäaikainen vaihtelu on tarvittu trendien paljastamiseen satojen vuosien aikajännettä. Tutkimuksellista tarvetta on ollut myös pitempiinkin aikaperspektiiveihin, josta johtuen vuonna 1994 kerättiin männyn metsänrajalta noin 300 kiekkonäytteen subfossiiliaineisto. Tuloksia esitellään liitteissä 2 ja 3. Uudessa EU-projektissa ADVANCE-10k aikaperspektiiviä ollaan laajentamassa koko holoseenikauden ajalle. Seuraavassa kappaleessa tarkastellaan lähemmin, mistä on kyse. 2 ADVANCE-10k ja sen tehtäväjako Kolmivuotinen EU-projekti ADVANCE-10k alkoi virallisesti Yhdeksän maan (Englanti, Suomi, Ruotsi, Norja, Tanska, Saksa, Hollanti, Sveitsi ja Venäjä), kuuden professorin, 17 muun tutkijan yhteishanketta koordinoi Itä-Anglian yliopisto (Englanti) ja sen tieteellisenä johtajana toimii ilmastotieteilijä tri Keith Briffa. Tutkimuksen suomalaisesta osasta vastaavat Helsingin yliopisto (Eronen), Joensuun yliopisto (Zetterberg ja fil.lis. Markus Lindholm) ja METLA (Mauri Timonen). Helsingin yliopisto toimii hankkeessa EU-käsitteistöä soveltaen roolissa contractor. Sen yhteistyökumppaneita associated contractors ovat METLA ja Joensuun yliopisto. METLAa edustavat hankkeessa myös professori Kari Mielikäinen (tieteellinen esimies) ja asemanjohtaja Martti Varmola (hallinnollinen esimies). ADVANCE-10k -projektissa tutkitaan vuosilustojen perusteella holoseenikauden ilmaston

8 ADVANCE-10K -hanke luontaisia vaihteluita pohjoisboreaalisessa havumetsävyöhykkeessä. Kyseessä on monitieteellinen tutkimus, jossa kohtaavat niin metsä- ja ilmastotieteilijöiden kuin geologien ja muidenkin tieteenalojen edustajien tutkimustarpeet. METLAn tehtäväksi projektissa on sovittu Pohjois-Suomea koskevien alueellisten vuoden pituisten lustosarjojen laatiminen. Tämän lisäksi METLAlla on omat metsätieteelliset tutkimusintressinsä, jotka se pyrkii toteuttamaan projektin yhteydessä. ADVANCE-10k:n yleinen kysymyksenasettelu sopii sinällään hyvin myös metsätieteellisiin tarkoituksiin, sillä suurilmaston vaihteluilla on suora yhteytensä Suomen ja erityisesti Lapin metsien kasvuun ja uudistumiseen. Ilmastomuutosten tutkimisen tärkeyttä korostaa myös mahdollisesti voimistuva kasvihuoneilmiö, jonka vaikutus saattaa olla dramaattinen Suomen koko metsätaloudelle (Kellomäki 1996). Metsäntutkimuksen ja METLAn kysymyksenasettelu ADVANCE-10k -hankkeessa perustuu edellä esitettyyn johdantoon, AD- VANCE-10k -hankkeelta saatuun viitekehykseen (Analysis of Dendrochronological Variability ) ja METLAn omiin tavoitteisiin. Tässä tutkimussuunnitelmassa keskitytään METLAN osuuteen projektissa. Toiminta- ja työsuunnitelma kuvataan seuraavilla sivuilla ja liitteessä 1. Raportointisuunnitelma on alustava sekä otsikoiden että tekijöiden osalta. Neuvottelematta on esimerkiksi vielä, millä osuudella Briffa, Eronen, Mielikäinen, Nöjd, Lindholm, Zetterberg ja muut mahdolliset tutkijat osallistuvat julkaisuihin. Henkilökohtaisena tavoitteenani on väitöskirja vuonna METLAn kysymyksenasettelu ADVANCE-10k -projektin pääasiallinen kysymyksenasettelu on ilmastotieteellinen. Tavoitteena on laatia mäntyjen vuosilustoihin perustuvia pitkiä aikasarjoja ja muuntaa ne mm. muinaisia sääoloja kuvaaviksi ilmastotunnuksiksi, esimerkiksi keskilämpötilakäyrästöiksi. Muuntaminen perustuu tietoon, että lämpötila on kasvun minimitekijä metsänrajalla (Mikola 1950, Sirén 1961, Pohtila 1980, Lindholm 1994). Puiden ominaisuus säilyä tuhansia vuosia lahoamattomina kylmien ja vähähappisten järvien mutapohjissa mahdollistaa jopa lähes vuoden pituisten keskilämpötilasarjojen laatimisen. Kun ottaa huomioon, että pisimmät instrumentaalisarjat yltävät vain noin 200 vuoden päähän, on parannus huomattava. METLAn kysymyksenasettelu on metsätieteellinen, mikä tarkoittaa keskittymistä vuosilustoanalyyseihin ja puiden kasvun vaihteluiden selvittämiseen. Keskeisiä kysymyksiä ovat: millainen on Lapin ilmastohistoria? Useiden kymmenien vuosien heikot ja trendiltään alenevat tai nousevat kasvujaksot ovat usein vaikeuttaneet ja jopa harhauttaneetkin päätöksentekoa. Jotta tulevaisuudessa voitaisiin toimia metsätaloudessa entistä varmemmalla pohjalla, on tärkeää tuntea ilmaston mahdollisia käyttäytymismalleja (kuva 2) ja niiden mahdollisia vaikutuksia metsien kehitykseen. miten muuttuva ilmasto vaikuttaa metsien uudistumiseen ja kehitykseen? Lapin mäntymetsien uudistuminen perustuu siihen, että kukkimista edeltävä ja sitä seuraava vuosi ovat ylittävät tietyt kynnysarvot (Pohtila 1980). Keskilämpötilan lasku, vuotuisen vaihtelun äärevöityminen tai muutokset lämpimien kesien ryhmittymisessä heikentäisivät ratkaisevasti uudistumistulosta, josta seuraisi metsien harveneminen ja lopuksi metsänrajan aleneminen. Keskilämpötilan nousu puolestaan todennäköisesti parantaisi uudistamis- ja samalla metsätalouden harjoittamisen olosuhteita, mutta toisaalta tuhojen osuuden ennustetaan kasvavan (Kellomäki 1996). miten ennakoidaan metsien tuleva kehitys? Ihmisen toiminnasta johtuva ympäristön muuttuminen on havaittavissa monin tavoin, mm. ilmakehän kasvaneena CO 2- pitoisuutena. Kasvihuoneilmiön vaikutus-

9 ADVANCE-10K -hanke A B Jaksollinen vaihtelu Äkillinen muutos keskimääräisessä yleisuunnassa Kvasijaksollinen vaihtelu vuoteen. Vuosina kerätään ajallisesti ja alueellisesti tasaisesti jakautunut, noin männyn subfossiilikiekkoa käsittävä tutkimusaineisto, jonka perusteella laaditaan lustosarjat kolmelle Pohjois-Suomen osa-alueelle (liite 1c, kuva 1). C D Aleneva trendi keskimääräisessä yleissuunnassa Vakaat keskimääräiset yleissuunnat (pysyvät olot) Kasvava vaihtelu Aika Kuva 2. Esimerkkejä erilaisista ilmastonvaihteluista ja -muutoksista (Haren mukaan). Lähde: Eronen 1991, s ten ennustetaan nostavan keskilämpötilaa jopa useilla asteilla Suomessa. Lapissa se merkitsisi nykyisten mäntymetsien tihentymistä, kiihtynyttä kasvua sekä polaarisen että alpiinisen metsänrajan ylenemistä. Jos ilmaston lämpiäminen tapahtuu ennusteiden mukaisesti, ollaan ennen pitkää vuoden takaista lämpökautta muistuttavassa tilanteessa. Pohdittavia kysymyksiä ovat myös: millainen oli 1900-luvun ilmasto verrattuna aiempaan ilmastohistoriaan; miten vuosisadan säänvaihteluiden erityispiirteet näkyvät metsien kasvussa ja kasvunvaihtelussa? miten voitaisiin ottaa pitkäaikaiset kasvunvaihtelut nykyistä luotettavammin huomioon käytännön metsätaloudessa? millaisiin metsätaloudellisiin toimenpiteisiin kannattaa tulevaisuudessa ryhtyä? 4 Hankkeen toteutus METLAssa ADVANCE-10k toimii METLAssa itsenäisenä tutkimushankkeena (hankenumero ). EU:lta saatu ECUn rahoitus mahdollistaa lustosarjojen aikajänteen ulottamisen Hankkeen suomalaisten osallistujien työt on koordinoitu siten, että päällekkäisyyttä on mahdollisimman vähän. Erosen työryhmä keskittyy pelkästään metsänrajaseutuihin. METLAn tutkimusalue käsittää Pohjois- Suomen Kemi-Pudasjärvi-Suomussalmi-Hossa -linjaa myöten rajauksella, että metsärajaseuduille mennään vain niiltä osin kuin on tarpeen täydentää METLAn varoin kerättyä vuoden 1994 aineistoa. Täydennystarve voidaan päätellä näyteprofiilikuvien perusteella (esimerkkinä liitteen 2 kuvat 1-3 ja liitteen 3 kuvat 1 ja 2). ADVANCE-10k -projektissa tutkitaan vuosilustoinformaatiota pääasiassa dendrokronologisin menetelmin. Käytännön mittaus-, ajoitus- ja analysointityöt tehdään Rovaniemen tutkimusaseman dendrokronologian laboratoriossa vuosina Koska työ on hidasta, työmäärä suuri ja aikataulu tiukka, on tarpeen palkata työllisyysvaroin riittävä määrä täysipäiväisiä (2-4) tai puolipäiväisiä (4-8) lustotyötekijöitä erilaisiin tehtäviin (liite 1c, taulukko 2). 5 Hankkeen vaikuttavuuden arviointia Lapin ilmaston holoseenin aikaisia vaihteluita sekä metsänuudistumista koskevat tutkimustulokset antavat perustan arvioitaessa metsänuudistamisen riskejä muuttuvassa ilmastossa. Tieto voidaan välittää käytännön metsätalouden tarpeisiin esimerkiksi päätöksentekomalleissa. ADVANCE-10k -projektin tyyppisessä kansainvälisessä monitieteisessä tutkimussuunnittelussa on tarkasteltava tutkimusongelmia monipuolisesti, mikä asettaa myös metsätieteelliset kysymykset totuttua laajempaa taustaa vasten. Tällä perusteella ADVANCE-10k

10 ADVANCE-10K -hanke on paitsi ajankohtainen kasvututkimus myös uutta tutkimusotetta kehittävä innovaatiohanke, jonka koko merkitys selviää vasta vuosien päästä. Uusista näkökulmista on hyötyä esimerkiksi suunniteltaessa METLAn luvun kasvututkimuksen viitekehystä. Projekti toimii suunnannäyttäjänä kehitettäessä Rovaniemen tutkimusaseman dendrokronologian laboratoriota monitieteelliseksi ja kansainväliseksi lustotutkimuksen huippututkimusyksiköksi. Hyvä yhteistyö projektin kansainvälisesti arvostettujen asiantuntijoiden kuten Erosen, Briffan, professorien Mike Bailley, Fritz Schweingruber tai Roy Switsur kanssa edesauttaa METLAn mahdollisuuksia osallistua vaativiin kansainvälisiin tutkimushankkeisiin jatkossakin. ADVANCE-10k -hankkeeseen liittyviä vaikuttavuuksia luettelonomaisesti esitettynä ovat: Hyöty tieteelle: metsäntutkimuksen aikaperspektiivin laajentuminen vuoteen; uutta tietoa Lapin ilmastohistoriasta ja metsien kasvunvaihtelusta viime jääkauden jälkeiseltä ajalta; perustietoa Lapin metsien uudistumisesta; lisäperusteita mahdollisesti voimistuvan kasvihuoneilmiön Lapin metsille aiheuttamien muutosten arviointiin. kotimaisen monitieteellisen yhteistyön voimistuminen ilmasto- ja ympäristömuutosten tutkimuksessa; kansainvälisen monitieteellisen yhteistyön voimistuminen ilmasto- ja ympäristömuutosten tutkimuksessa; Hyöty käytännön metsätaloudelle: tarkentuvaa kasvunvaihtelu- ja uudistumistietoa Lapin metsätalouden suunnittelun tarpeisiin; Hyöty METLAlle monitieteellisen ja kansainvälisen tutkimusyhteistyön oppiminen; erityisasiantuntemuksen kehittyminen ilmasto- ja ympäristömuutosten tutkimuksessa; hankkeesta saatavat kokemukset suuntaavat METLAssa tehtävää 2000-luvun kasvututkimusta; hankkeesta saatavat kokemukset edesauttavat METLAn dendrokronologisten laboratorioiden kehittämistä kansainvälisiksi huippuyksiköiksi: hankkeen erinomainen uutis- ja PR-arvo; muinaisuus koskettaa laajoja kansalaispiirejä. hanke edistää lustotutkimuksen ARTmarkkinointia METLAssa; projektin hyvät yhteydet muihin tutkimuksiin PR-hyöty Suomelle, METLAlle ja hankkeen suomalaisille osallistujille; METLAn ja Rovaniemen tutkimusaseman kansainvälisen PR-arvon kasvaminen. Kirjallisuus: Analysis of Dendrochronological Variability and Associated Natural climates in Eurasia - the last years ( ADVANCE-10k). A research proposal submitted to The Commission of the European Communities, Directorate-General XII for Science Research and Development in the field of Environment and Climate (Area 1.1.2).The Climatic Research Unit, University of East Anglia, Norwich, U.K April Bradley, R Quaternary Paleoclimatology. Unwin Hyman. 472 s. Broecker, W.S Chaotic climate. Scientific American; November Dawson, A. G Ice Age Earth. Late quaternary Geology and Climate. Routledge, London, New York. 293 s. Donner, J Klimatförändringarna efter senaste istid. Societas Scientarium Fennica. Årsbok Vuosikirja 51 B 7:1 10 Eronen, M Jääkausien jäljillä. Ursan julkaisuja 43. Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. Helsinki Muuttuva ilmasto onko menneisyys avain tulevaisuuteen? Yliopisto-lehti 10/1995. Ilvessalo, Y Metsiköiden luontainen kehitys- ja puuntuottokyky Pohjois-Lapin kivennäismailla. Natural development and Yield Capacity of Forest Stands on mineral soils in Northern Lapland. Acta Forestalia Fennica s. Imbrie,J. & Imbrie, K. P Ice Ages. Solving the mystery. 201 s. MacMillan Press. Kellomäki, S Ilmastonmuutoksen vaikutukset Pohjois-Suomen metsiin. Julkaisussa: Hökkä, H., Salminen H. & Varmola, M. (toim.). Pohjoisten metsien kasvu ennen, nyt ja tulevaisuudessa. Metsäntutkimusäivä Rovaniemellä 1996.Metsäntutkimuslaitoksen tiedoantoja 589: Korhola, A Pysyvää on vain muutos. Yliopisto 20/94: Helsingin yliopiston tiedotuslehti. Lindholm, Markus Sää säätää - mänty muistaa. Kesäaikaisten lämpötilojen rekonstruointi männyn vuosilustokalenterin avulla Enontekiön alueella (Midsummer temperatures re-

11 ADVANCE-10K -hanke constructed from tree-rings of pine in Northern Finnish Lapland). Julkaisussa: Uudet menetelmät ja niiden sovellukset kvartääritutkimuksessa. Symposio Mekrijärvellä Acta Universalis Ouluensis. Series A Scientiae Rerum Naturalium 251. Mielikäinen, K. & Timonen, M Growth Trends of Scots pine (Pinus sylvestris, L.) in Unmanaged and Regularly Managed Stands in Southern and Central Finland. Julkaisussa: Spiecker, H., Mielikäinen, K., Köhl, M. & Skovsgaard, J. P. (toim.). Growth Trends of European Forests. European Forest Research Report 5: Mikola, P Puiden kasvunvaihteluista ja niiden merkityksestä kasvututkimuksissa. On variations in tree growth and their significance to growth studies. Communicationes Instituti Forestalis Fenniae 38.5: Mäkinen, K Tiedonanto Vuotson interglasiaalisesta lehtikuusen rungosta. Geologi 34: Nöjd, P. & Reams, G. A Growth variation of Scots pine across a pollution gradient on the Kola Peninsula, Russia. Environmental pollution (painossa). Pohtila, E Climatic fluctuations and forestry in Lapland. Holarctic Ecology 3: Seppä, H Voiko ilmastoon luottaa? Yliopisto 20/94: Helsingin yliopiston tiedotuslehti. Siren, G Skogsgränstallen som indikator för klimatfluktuationerna i norra fennoskandien under historisk tid. Commun. Inst. Forest. Fenn. 54(2), Spiecker, H., Mielikäinen, K., Köhl, M. & Skovsgaard, J. P. (toim.) Growth Trends of European Forests. Studies from 12 Countries. European Forest Research Report s. Zetterberg, P., Eronen, M. ja Briffa, K. 1995a. A year tree-ring record from northern Fennoscandia and its applications to palaeoclimatic studies. Julkaisussa: Heikinheimo, P. (toim.). International Conference on Past, Present and Future Climate, Helsinki, Finland August 1995, extended abstracts. Suomen Akatemian julkaisuja 6/95: Zetterberg, P., Eronen, M. ja Lindholm, M. 1995b. Construction of a 7500-year tree-ring record for Scots pine in northern Fennoscandia and its application to growth variation and palaeoclimatic studies. Julkaisussa: Spiecker, H. & Mielikäinen, K. (toim.). Growth Trends of European Forests - Has Site Productivity changed?. Springer Verlag, pp Painossa.

12 ADVANCE-10K -hanke LIITE 1A: TUTKIMUKSEN TAVOITTEET ADVANCE-10k:n ja METLAn kasvututkimuksen yhteiset tavoitteet Pohjoissuomalaisen männyn kasvua ja kasvunvaihtelua kuvaavien alueittaisten lustosarjojen laatiminen viimeisen vuoden ajalle tavoitteena luoda kolme alueellista vuotta pitkää sarjaa (metsänrajaseudut, Länsi-Lappi, Itä-Lappi). Männyn kasvun vuotuisen ja pitkäaikaisen vaihtelun ominaispiirteiden selvittäminen tutkimalla vaihtelun voimakkuutta, äärevyyttä, jaksollisuutta, trendisyyttä ja muun tyyppisiä analogioita Perusteluina Korholan (1995) teesit : 1. Ihmisen vaikutus luontoon tunnistetaan parhaiten vain silloin, kun luonnon oma vaihtelurytmiikka tunnetaan riittävän hyvin. 2. Tulevia tapahtumia arvioitaessa on tiedettävä mahdollisimman paljon menneisyydestä. 3. Ilman pitkäaikaisia havaintoja tutkijoilta puuttuu aikaperspektiivi, mikä seikka voi johtaa heidät helposti harhaan. Säätekijöiden ja puunkasvun yhteyksiä kuvaavien mallien laatiminen vuosiluston leveyden ennustaminen säätekijöillä (vastefunktiot); holoseenin aikaisten kesä-heinäkuun keskilämpötilojen ennustaminen vuosilustoilla (siirtofunktiot); trendipintamallin kehittäminen Lapin metsien holoseenin aikaisen kasvun ja kesäheinäkuun keskilämpötilojen kuvaamiseksi luvun Lapin metsien kasvunvaihtelun ja menneiden vuosituhansien kasvunvaihtelun erojen selvittäminen Tulokset antavat perustan arvioida ilmaston luontaisen vaihtelun normaaliutta tai epänormaaliutta 1900-luvulla. Tiedolla on merkitystä mm. tutkittaessa kasvihuoneilmiön voimistumista tai metsänuudistumisen yleisiä ilmastollisia perusteita (vertaa Korholan teesi 3). Lapin 2000-luvun metsien hoidon ja käsittelyn perusteiden selvittäminen Tulokset tärkeitä tulevaisuuden metsätalouden toimintastrategioita ajatellen (vertaa Korholan teesi 2). Analogiat aiemmin tapahtuneiden kehitysvaiheiden kanssa antavat mahdollisuuden haarukoida tulevaa ilmastoa ja metsien kasvua. Lapin metsien holoseenikautta koskevien lustoaineistojen järjestäminen tietokannaksi tutkimusta ja käytännön sovelluksia varten ADVANCE-10k -projektin yhtenä tavoitteena on koko pohjois-boreaalisen havumetsävyöhykkeen lustotietokannan kokoaminen ilmastotutkimuksia varten. Lustotietokannat ovat osoittautuneet myös arvokkaiksi metsäntutkimuksen apuvälineiksi. Osa datoista on jo talletettu KINSYS-järjestelmään. ADVANCE-10k:n tutkimusmenetelmien ja Lapin metsiä koskevien keskeisten tulosten kokoaminen yleiskäyttöiseksi, tutkimusta ja käytännön metsätaloutta palvelevaksi digitaaliseksi julkaisuksi. Osa työstä on jo toteutettu KINSYS-järjestelmässä.

13 ADVANCE-10K -hanke LIITE 1B: RAPORTOINTISUUNNITELMA Alustava raportointisuunnitelma (otsikot alustavia; puuttuu yhteistyössä kirjoitettavat julkaisut) 1996: 1. Occurrence of climatic signals and tree-specific losses in the growth of Scots pine during the last 500 years in Finnish Lapland. Ilmastosignaalit ja puukohtaiset kasvuhäiriöt viimeisen 500 vuoden aikana Lapin männyissä. 2. Pointer year analysis indicating climatic signals and tree-specific losses in growth. A method description. Piikkivuosianalyysi ilmastosignaalien ja puukohtaisten kasvuhäiriöiden osoittajana. Menetelmäkuvaus. 3. Description of the tree-ring data bank of Scots pine in Finnish Lapland. Kuvaus Lapin vuosilustoaineistoista. 1997: 1. Summer temperature changes during the last 500 years in Finnish Lapland: a trend surface model of summer mean temperatures based on tree-ring widths of Scots pine. Kasvukauden aikainen lämpötilavaihtelu 500 viime vuoden aikana Lapissa: männyn vuosilustonleveyksiin perustuva kesän keskilämpötilamalli. 2. The KINSYS software and data bank: a windowed interface for graphical and statistical tree-ring data analysis and presentation. A methodological report. KINSYS-ohjelmisto: lustotiedon graafinen ja tilastollinen käsittely sekä käytännön sovellukset. Menetelmäraportti. 1998: 1. Climatic variation and forest growth patterns in Finnish Lapland during the last years. Kasvun ilmastollinen vaihtelu Suomen Lapissa viime vuoden aikana (väitöskirja). 2. Growth patterns, trends and cycles found in the growth of Holosene forests in Finnish Lapland. Some practical conclusions for the needs of forestry. Lapin mäntymetsien kasvu ja vaihtelurytmiikka holoseenikaudella: päätelmiä käytännön metsätalouden tarpeisiin.

14 ADVANCE-10K -hanke LIITE 1C: TUTKIMUSKOHDE, AIKATAULU JA RESURSSIEN KÄYTTÖ Kuva 1. Tutkimusalue Männyn metsänraja Alue 1 Saariselkä Alue 2 Alue 3 Rovaniemi Kemi Pudasjärvi Hossa Taulukko 1. Alustava työsuunnitelma Vuosi Kuukausi Kenttätyöt x x x x x x x x x Mittaukset x x x x x x x x x x x x x x x x x x Aineiston koostaminen x x x x x Lustosarjojen laadinta x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Ilmastomallien laadinta x x x x x x x x x x x x Julkaisujen laadinta x x x x x x x x x x x x x x x x x x Taulukko 2. Alustava henkilöstöresurssisuunnitelma Henkilö Tehtävä Yhteensä Mauri Timonen (METLA) tutkija, analysointi ja raportointi Tauno Luosujärvi (METLA) dendrokronologi, sarjojen laatiminen Kullervo Ruotsalainen (METLA) tietopalvelu, aineistojen dokumentointi Tapio Timonen (METLA) tietotekniikka, tuotanto-ohjelmisto Työvoimaministeriön henkilö 1 lustonäytteiden esikäsittely Työvoimaministeriön henkilö 2 lustonäytteiden esikäsittely Työvoimaministeriön henkilö 3 lustosarjojen koostaminen Työvoimaministeriön henkilö 4 lustosarjojen koostaminen Yhteensä

15 LIITE 2: Metsänrajamännyn 1911-vuotisen lustosarjan esittely Metsänrajamännyn 1911-vuotinen lustosarja

16 LIITE 2: Metsänrajamännyn 1911-vuotisen lustosarjan esittely KUVIEN SISÄLTÖ: Kuva 1. Lustonäytteet uloimman luston kalenterivuoden suhteen. Uloimman luston kalenterivuoden suhteen tulostettu näyteprofiili kertoo mm. aineiston edustavuudesta eri ajanjaksoina. Tilastollisissa analyyseissä voi pitää lähtökohtana noin 30 havainnon minimimäärää kalenterivuotta kohden. Tällä perusteella kuvan lustosarja täyttää kriteerit noin 1350-luvulle saakka. ADVANCE-10 -hankkeessa on tavoitteena laatia vuoden pituisia lustosarjoja. Yhteen sarjaan tarvitaan noin havaintoa. Pilottiaineiston keski-iän (193 v) perusteella voidaan laskea vaatimuksen toteutuvan noin 1250 näytteellä. Koska näytteet eivät kuitenkaan asetu käytännössä ideaalisesti limittäin, tarvitaan niitä huomattavasti enemmän. Kesien aikana suunnitellaan hankittavaksi noin 3000 kiekkonäytettä sekvenssiotannalla, mikä mahdollistaa jo keruun aikana tapahtuvan aineistotäydennyksen puuttuvilta osin. Viimeisen kalenterivuoden suhteen tulostetusta näyteprofiilista voi tulkita myös tapahtumia, esimerkiksi myrskytuhovuodet näkyvät siitä tietyin edellytyksin. Kuva 2. Lustonäytteet sisimmän luston kalenterivuoden suhteen. Kun näytteet lajitellaan sisimmän eli ydintä lähinnän olevan kalenterivuoden suhteen, voi profiilista tietyin edellytyksin tulkita uudistumisvuodet. Kuva 3. Lustonäytteet keruukohteittain. Aineisto on jaettu kolmeen pääalueeseen siten, että 100-alkuiset näytenumerot viittaavat metsänrajaseutuihin, 200-alkuiset Länsi-Lappiin ja 300-alkuiset Itä-Lappiin. Pilottiaineiston vanhimmät, ensimmäiselle vuosisadalle ajoittuvat näytteet ovat peräisin Peltovuomasta. Kuva 4. Lustohavaintojen jakautuminen ja keskiarvoviiva. Kuvassa näkyvien yli lustohavainnon sirottumisesta voi päätellä puun kasvun vaihtelevan rajustikin metsänrajaseuduilla. Kun kasvu on lukuisten tekijöiden yhteisvaikutusten tulosta, suora päättely tämäntyyppisessä asetelmassa johtaa helposti harhaan. Yksittäisten tekijöiden kuten typpilaskeuman tai ilmaston lämpiämisen vaikutuksen erottaminen muusta kasvusta onkin osoittautunut vaikeaksi tehtäväksi ja on ratkaistavissa ainoastaan kehittynein tilastollisin menetelmin. Kuva 5 Yleiskuva kasvunvaihtelusta ja indeksisarja v jkr. Osakuvassa 1 Lustokeskiarvot esitetään viivadiagrammana alkuperäisaineistosta lasketut keskiarvot. Osakuvan 2 Indeksit standardoidussa lustosarjassa on poistettu puiden kasvun erilaisuudesta ja biologisesta iästä aiheutuvat vaikutukset. Indeksit soveltuvat keskiarvosarjoja paremmin mm. ilmastonvaihteluiden ja ympäristömuutosten tutkimiseen. Osakuvissa 3 ja 4 Indeksihavainnot ja Indeksien ikäjakauma esitellään indeksilukuihin liittyviä erityispiirteitä. Osakuvassa 5 Kasvun minimivuodet esitellään vuodet, jolloin puiden kasvu on ol-

17 LIITE 2: Metsänrajamännyn 1911-vuotisen lustosarjan esittely lut poikkeuksellisen heikkoa verrattuna edelliseen tai seuraavaan vuoteen. Mitä korkeampi pylväs, sitä heikompi on kasvu ko. vuonna. Tämä ilmiö, ns. ilmastosignaali esiintyy männyllä ja kuusella laajoilla alueilla Lapissa yhtenäisenä ja lähes kaikilla puilla. Ilmastosignaalin aiheuttaa Lapissa ja erityisesti metsänrajaseuduilla alhainen lämpötila, joka on siellä kasvun minimitekijä. Vuosi 1601 näyttää olleen voimakkain signaalivuosi viimeisen 2000 vuoden aikana. Kuva 6. Vuotuinen kasvunvaihtelu v jkr. Kyseessä sama sarja kuin edellä, mutta aika-akselia on laajennettu vuotuisen vaihtelun havainnollistamiseksi. Kuvan yläreunaan on tulostettu pylväin kasvun minimivuodet keskiarvosarjasta tehdyn analyysin perusteella. Ohuin poikkiviivoin on merkitty pelkästään ilmastosta johtuvat kasvun minimivuodet (ilmastosignaalit). Ne tunnetaan aiempien tutkimusten perusteella. Alimmassa kuvassa kasvun minimivuosia kuvaavat pylväät on muodostettu summaamalla yksittäisten kasvujen minimivuodet ja skaalaamalla ne lopuksi asteikkoon. Aineiston ollessa alueellisesti kattava pisimmät pylväät kuvaavat todennäköisesti kasvun ilmastollisia minimivuosia. Ainoastaan poikkeustapauksissa kyse on muista tekijöistä kuten laajoista alueellisista metsätuhoista. Tämäkin vaihtoehto on useimmissa tapauksissa eliminoitavissa vertailemalla suuralueiden (esim. Pohjois-Norja ja Keski-Lappi) kasvunvaihteluaineistoja keskenään. Kuva 7. Piikkivuodet. Skeleton Plot -tekniikalla analysoidut kasvun minimivuodet eli piikkivuodet ovat erinomainen apuväline mm. ajoittamisessa ja puiden kasvun vaihteluiden erityispiirteiden selvittämisessä. Piikkivuosianalyysit edustavat uudentyyppistä lustoanalyysiä, jota maailmallakin on tässä muodossaan tehty toistaiseksi vain vähän.

18 LIITE 2: Metsänrajamännyn 1911-vuotinen lustosarja, piikkivuosianalyysi ========================================================== Piikkivuositilasto (ROI2000K.SKE) Kasvun minimivuodet ========================================================== Vuosi %-Summa %K-a. %Min %Haj. %Sx NH NT NH/NT %

19 LIITE 2: Metsänrajamännyn 1911-vuotinen lustosarja, piikkivuosianalyysi jne. Selitykset: Vuosi %-Summa %K-a %Min %Max %Haj. %Sx NH NT NS/NT : Piikkivuoden esiintymisvuosi : Skeleton -pylväiden summa : Skeleton -pylväiden keskiarvo : pienin havaittu mimini, % keskiarvosta tai : suurin havaittu maksimi, % keskiarvosta : Skeleton-pylväiden keskihajonta : Skeleton-pylväiden keskivirhe : Kriteerit täyttävien piikkivuosien lukumäärä : Havaintojen kokonaismäärä : Piikkivuosien suht. osuus aineistossa