In situ measurements of soil nitrogen dynamics is a potential method for evaluating the health of constructed wetlands following oil sands mining. The objective of this study is to measure and compare the soil nitrogen availability of a reclaimed fen (Sandhill fen) with a nutrient-rich reference fen (Poplar fen) and a nutrient-poor reference fen (Pauciflora fen) in the Athabasca oil sands region of northern Alberta. Total Nitrogen (TN), Nitrate (NO3-) and Ammonium (NH4+) supply rates were determined along wetland hillslope transects using Western Ag Innovations Plant Root Simulator (PRSTM) probes at all three sites in 2014. Net N mineralization, net nitrification and net ammonification were determined simultaneously using the buried polyethylene bag sampling method. Overall, TN supply rates were greatest at the poor fen and least at the constructed Sandhill fen. In contrast, mineralization was greatest at the rich fen but again least at the Sandhill fen. Mineralization at the Sandhill fen was controlled evenly by ammonification and nitrification, whereas the two natural sites were controlled by ammonification. Relatively low N supply rates and mineralization at the Sandhill fen were likely due to lower soil organic matter and limited soil moisture in these newly constructed substrates. Spatial differences along the hillslopes also varied among sites. The Sandhill fen had higher TN supply rates at the upslope positions but no significant differences in net N mineralization rates along the hillslopes. The rich fen also had higher TN supply rates at the upslope but greatest mineralization rates downslope. These results highlight the importance of N storage and transport processes and offer insight into the N status of a constructed fen. / Thesis / Master of Science (MSc)

<p>Abstrakt: Jag har undersökt hur älvreglering påverkar mängden knott (Tvåvingar: <i>Simuliidae</i>) längs flera norrlandsälvar och vilka konsekvenser denna påverkan får för den landlevande fågelfaunan. Studien visar att utbyggnad av älvar har en negativ effekt på mängden knott. Det fanns sju gånger högre tätheter av knott längs "orörda älvar" jämfört med utbyggda älvar.</p><p>Skillnaden i antal knott mellan älvtyperna var mycket större för knotthanar än för knotthonor, vilket förklaras av att honorna är rörligare eftersom de flyger och letar efter blod. Knott lever av blod från ett flertal däggdjur och fåglar och visar en stor variation i värd-specificitet mellan olika arter. Jag fann en högre frekvens av haemosporida blod parasiter (<i>Leucocytozoon</i>) i fåglar längs "orörda" Vindelälven jämfört med den reglerade Umeälven. Detta mönster stämmer väl överens med tätheten fågelparasiterande knott som är lägre längs Umeälven. Knott attackerade främst värdar som var stora och vanliga. Fågelsamhällets sammansättning skiljde sig mellan orörda och utbyggda älvdalar. Tätheten av icke insektsätande fåglar tenderade att minska, efter häcksäsongen, längs orörda älvar medan den ökade längs utbyggda älvar. Den insektsätande fågeln svartvit flugsnappare (<i>Ficedula hypoleuca Pallas</i>) uppvisade större häckningsframgång längs orörda älvar jämfört med utbyggda älvar. Detta är förmodligen en effekt av den större mängden insekter som finns längs orörda älvar.</p> / <p>The effects of river regulation on blackfly (Diptera: <i>Simuliidae</i>) abundances and consequences for the avifauna in terrestrial environments were studied along multiple rivers in northern Sweden. I found that impoundment of rivers has detrimental effect to blackfly abundances. The densities of large-river breeding blackfly species were several-fold higher along free-flowing than along regulated rivers. The difference in abundances was much larger in males than blood-seeking females. Blackflies attacked a variety of mammalian and avian hosts and showed different levels of host-specificity between species. I found higher prevalence of haemosporidian blood parasites (<i>Leucocytozoon</i>) in birds along the free-flowing Vindel River in comparison to the regulated Ume River, where the lower densities of ornithophilic blackflies were reduced. Blood-seeking blackflies predominantly attacked large and/abundant hosts.</p><p>Assemblages of birds differed between valleys of regulated and free-flowing rivers. Densities of noninsectivorous birds tended to decrease along free-flowing rivers in the post-breeding season, but increased along regulated rivers at the same time. Insectivorous European pied flycatcher (<i>Ficedula hypoleuca Pallas</i>) showed greater fledging success along free-flowing than regulated rivers, which probably reflects the higher insect abundances found along freeflowing rivers.</p>

Abstrakt: Jag har undersökt hur älvreglering påverkar mängden knott (Tvåvingar: Simuliidae) längs flera norrlandsälvar och vilka konsekvenser denna påverkan får för den landlevande fågelfaunan. Studien visar att utbyggnad av älvar har en negativ effekt på mängden knott. Det fanns sju gånger högre tätheter av knott längs "orörda älvar" jämfört med utbyggda älvar. Skillnaden i antal knott mellan älvtyperna var mycket större för knotthanar än för knotthonor, vilket förklaras av att honorna är rörligare eftersom de flyger och letar efter blod. Knott lever av blod från ett flertal däggdjur och fåglar och visar en stor variation i värd-specificitet mellan olika arter. Jag fann en högre frekvens av haemosporida blod parasiter (Leucocytozoon) i fåglar längs "orörda" Vindelälven jämfört med den reglerade Umeälven. Detta mönster stämmer väl överens med tätheten fågelparasiterande knott som är lägre längs Umeälven. Knott attackerade främst värdar som var stora och vanliga. Fågelsamhällets sammansättning skiljde sig mellan orörda och utbyggda älvdalar. Tätheten av icke insektsätande fåglar tenderade att minska, efter häcksäsongen, längs orörda älvar medan den ökade längs utbyggda älvar. Den insektsätande fågeln svartvit flugsnappare (Ficedula hypoleuca Pallas) uppvisade större häckningsframgång längs orörda älvar jämfört med utbyggda älvar. Detta är förmodligen en effekt av den större mängden insekter som finns längs orörda älvar. / The effects of river regulation on blackfly (Diptera: Simuliidae) abundances and consequences for the avifauna in terrestrial environments were studied along multiple rivers in northern Sweden. I found that impoundment of rivers has detrimental effect to blackfly abundances. The densities of large-river breeding blackfly species were several-fold higher along free-flowing than along regulated rivers. The difference in abundances was much larger in males than blood-seeking females. Blackflies attacked a variety of mammalian and avian hosts and showed different levels of host-specificity between species. I found higher prevalence of haemosporidian blood parasites (Leucocytozoon) in birds along the free-flowing Vindel River in comparison to the regulated Ume River, where the lower densities of ornithophilic blackflies were reduced. Blood-seeking blackflies predominantly attacked large and/abundant hosts. Assemblages of birds differed between valleys of regulated and free-flowing rivers. Densities of noninsectivorous birds tended to decrease along free-flowing rivers in the post-breeding season, but increased along regulated rivers at the same time. Insectivorous European pied flycatcher (Ficedula hypoleuca Pallas) showed greater fledging success along free-flowing than regulated rivers, which probably reflects the higher insect abundances found along freeflowing rivers.

Abstract Rivers create unique habitat for aquatic life and provide ecosystem services for humans. Thus, degradation of river water quality is a serious, global problem. Water quality is the outcome of anthropogenic and natural landscape factors and the interaction of these two. To improve water quality, robust and quick methods are needed to study the complex, spatio-temporally dependent relation between water quality and environment conditions across extensive areas. This thesis aimed to study the relationship between water quality (total phosphorus and nitrogen, pH, water colour and dissolved oxygen) and environmental factors in boreal rivers combining grid-based data and statistical methods. The study comprised of 34 Finnish rivers with their catchments. First, the effect of natural and human-induced environmental factors on water quality was studied. Then, (a) the ability of the characteristics of different spatial scales around the river channel and under different discharge conditions to predict water quality was explored and (b) the suitability of the applied statistical methods (generalized linear and additive models, partitioning methods, non-metric multidimensional scaling) in water quality studies was evaluated. As expected, the results highlighted the impact of agricultural activities on water quality as nutrients and pH increased, together with the cover of agricultural activities. However, when studied as a group, natural factors explained water quality better than land use/cover. Lakes were strongly related to decreased nutrients and water colour. The effect of fine-grained soils on nutrients and pH was positive. In the scale studies, nutrients and water colour were best explained by the characteristics of the entire catchment but pH was mostly predicted by the characteristics of the 50 m riparian zone. The connection between water quality and environment was strongest during high-flow discharge periods. The results encourage the use of the applied methods, showing that the combination of grid-based data and advanced statistical methods provide an efficient first-filter estimate of water quality-environment relations. Spatial-based statistical modelling provides a crucial framework for river, water resources and land use management. The applied methods can also be seen as essential tools when predicting the impacts of global change on water quality. / Tiivistelmä Joet luovat vesielämälle ainutlaatuisen elinympäristön ja tarjoavat ihmisille ekosysteemipalveluja. Jokien vedenlaadun huononeminen onkin vakava, maailmanlaajuinen uhka. Vedenlaatua määrittävät luonnolliset ja ihmisen muokkaamat ympäristötekijät sekä näiden yhteisvaikutus. Vedenlaadun kohentamiseksi tarvitaan luotettavia ja nopeita menetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia monimutkaista, alueellisesti ja ajallisesti riippuvaa yhteyttä vedenlaadun ja ympäristöolojen välillä laajoilla alueilla. Tässä väitöskirjassa oli tavoitteena tutkia vedenlaadun (kokonaisfosfori ja -typpi, pH, väriluku ja liukoinen happi) ja ympäristön yhteyttä boreaalisella vyöhykkeellä käyttäen paikkatietoaineistoja ja tilastollisia menetelmiä. Tutkimusalueena oli 34 suomalaista jokea valuma-alueineen. Ensinnäkin tutkittiin luonnollisten ympäristötekijöiden ja ihmistoiminnan vaikutusta vedenlaatuun. Tavoitteena oli myös selvittää, miten joen ympärillä olevien erikokoisten vyöhykkeiden ominaisuudet ja vaihtelevat virtaamaolosuhteet selittävät vedenlaatua. Lopuksi arvioitiin käytettyjen tilastollisten menetelmien (yleistetyt lineaariset ja additiiviset mallit, hajonnan ositusmenetelmät, ordinaatioanalyysi) soveltuvuutta vedenlaatututkimuksissa. Tuloksissa korostui odotetusti valuma-alueen maatalouden vaikutus vedenlaatuun. Ravinteiden määrä ja pH-luku kasvoivat maatalouden lisääntyessä. Muuttujien ryhmittäisessä tarkastelussa ympäristön luonnolliset ominaisuudet selittivät vedenlaatua maankäyttöä/-peittoa paremmin. Järvisyyden lisääntyminen oli yhteydessä ravinteisuuden ja väriluvun laskuun. Hienorakeiset maalajit olivat yhteydessä ravinteisuuden ja pH-luvun nousuun. Mittakaavatarkastelussa ravinteisuutta ja värilukua ennustivat parhaiten koko valuma-alueen ominaisuudet, mutta pH-lukua selittivät parhaiten ominaisuudet 50 m:n vyöhykkeellä joen ympärillä. Ympäristön ja vedenlaadun yhteys oli voimakkaimmillaan, kun jokien virtaamat olivat korkeimmillaan. Tämä väitöskirja osoittaa, että paikkatietoaineistojen ja sovellettujen tilastollisten menetelmien yhteiskäyttö tuottaa tehokkaita malleja vedenlaadun ja ympäristön välisestä yhteydestä. Spatiaalis-tilastollinen mallinnus tarjoaa tärkeän viitekehityksen jokien ja vesistöjen käytön sekä maankäytön suunnitteluun. Lähestymistapa voidaan nähdä myös tärkeänä välineenä ennustettaessa globaalimuutoksen vaikutusta vedenlaatuun.

Abstract Eutrophication and global warming are increasingly causing deterioration of aquatic ecosystems, and boreal freshwaters are especially vulnerable to these changes. Anthropogenic pressures and landscape characteristics influencing the functioning and structure of ecosystems vary with spatial scale (grain size i.e. study unit and extent i.e. study area). This emphasises that the understanding of spatial scale is a vital element when studying species distribution patterns. Moreover, spatial scale is often neglected in ecological assessments, in which the degree of ecological integrity of an ecosystem is assessed using selected biological groups. One of these groups is aquatic macrophytes. The aims of this thesis were (i) to study the distribution and richness of aquatic macrophytes in the boreal region in Finland at multiple scales and (ii) to evaluate the performance of ecological assessment metrics selected for Finnish lake macrophytes. The spatial extent at which aquatic macrophytes were studied had an important influence on the patterns found. Climatic factors associated with latitudinal and altitudinal gradient determined macrophytes at broad extent, although the patterns changed at finer regional extent. Moreover, this strong effect of climate could lead to the widening of distribution ranges of helophytes in boreal catchments during the 21st century due to the climate change. Many of these species have already widened their range limits during the previous century and increasing temperatures may create new niches for vegetation to colonize. Lake macrophyte richness, turnover and quality metrics showed a clear relationship with nutrient concentration in waters at landscape and regional extent. Helophytes and metrics were positively or inversely negatively related to nutrients, whereas species turnover and other life-form groups had a unimodal or non-significant response to nutrient availability. In addition, land use (agricultural and urban areas and forestry ditch drainage) influenced macrophytes directly through shore morphology changes and indirectly through water quality. Macrophytes were also explained at various scales by area and depth, which were related to habitat heterogeneity, and aquatic plants responded to water ionic and electrical characteristics (pH, alkalinity and conductivity). Ecological quality metrics of macrophytes appeared to be scale dependent, since land use adjacent to the lake shoreline had a higher influence on the metrics compared to land use of the whole catchment. However, the scale-related pattern in the effect of land use was not congruent between metrics, as the Trophic Index showed poorer performance compared to the proportion of type-specific species and Percent Model Affinity. This was presumably due to lack of helophytes in the species pool used and to reference values which were defined across lake types in the Trophic Index. Uneven performance of the metrics derived from different biological groups suggests that an approach integrating multiple lines of evidence on ecological status appears most feasible for assessment of the overall lake status. / Tiivistelmä Vesistöjen rehevöityminen ja ilmastonmuutos heikentävät vesiekosysteemien laatua, ja boreaaliset sisävedet ovat erityisen alttiita näiden uhkatekijöiden aiheuttamille muutoksille. Ihmistoiminnan aiheuttamien muutoksien ja luontaisten maisematekijöiden merkitys vesiekosysteemien toimintaan ja rakenteeseen vaihtelee mittakaavan (tutkimusyksikön ja -alueen) mukaan. Kuitenkin spatiaalisen mittakaavan merkitys on usein unohdettu ekologisissa arvioinneissa, joissa selvitetään ekosysteemin luonnontilaisuutta eri biologisilla lajiryhmillä. Vesikasvit ovat yksi usein käytetty biologinen ryhmä järvien ekologissa arvioinneissa. Tämän tutkimuksen tarkoitus on (i) tutkia vesikasvien levinneisyyttä ja runsautta Suomessa useissa mittakaavoissa, ja (ii) arvioida ekologisten luokittelumuuttujien toimivuutta järvien vesikasveilla eri mittakaavoissa. Mittakaava, jossa vesikasveja tutkittiin, vaikutti merkittävästi saatuihin tuloksiin. Leveysasteeseen ja korkeuteen liittyvä gradientti määritti vesikasvien levinneisyyttä alueellisessa mittakaavassa. Lisäksi ilmaston voimakas vaikutus vesikasveihin voi johtaa niiden levinneisyysrajojen laajenemiseen, koska ilmastonmuutos saattaa luoda edullisemmat kasvuolosuhteet kasvillisuudelle tällä vuosisadalla. Monet vesikasvilajit ovat jo levinneet pohjoisemmaksi 1900-luvulla, ja lämpötilojen nousu voi lisätä ekolokeroita vesikasvien levittäytymiselle. Vesikasvien runsaus, lajimäärä ja luokittelumuuttujat olivat selkeästi yhteydessä vesien ravinteisuuteen maisemallisessa ja alueellisessa mittakaavassa. Ilmaversoisilla vesikasveilla ja luokittelumuuttujilla oli positiivinen tai käänteisesti negatiivinen suhde ravinteisiin, kun taas lajimäärä ja muut vesikasvien kasvumuodot olivat unimodaalisessa tai merkityksettömässä yhteydessä ravinteisuuteen. Lisäksi maankäyttö, erityisesti maatalous, kaupunkiasutus ja metsäojitus, vaikutti vesikasveihin suoraan rantavyöhykkeen morfologisin muutoksin tai epäsuorasti ravinteisuuden kautta. Vesikasvien levinneisyyttä ja runsautta selitti myös pinta-ala ja syvyys, jotka liittyivät elinympäristön heterogeenisyyteen, sekä veden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, kuten pH, alkaliniteetti ja sähkönjohtokyky. Ekologiset luokittelumuuttujat olivat riippuvaisia mittakaavasta, koska rantavyöhykkeen läheisellä maankäytöllä oli suurempi merkitys muuttujille kuin koko valuma-alueen maankäytöllä. Kuitenkin mittakaavan merkitys vaihteli eri muuttujien välillä, kun referenssi-indeksi osoitti heikompaa vastetta maankäyttöön eri mittakaavoissa kuin tyyppilajien suhteellinen osuus ja prosenttinen mallin samankaltaisuus. Tämä luultavasti johtui siitä, että referenssi-indeksissä ilmaversoiset vesikasvit puuttuivat tutkittavista lajeista ja referenssiarvot olivat yhteiset riippumatta järvityypistä. Eri biologisiin ryhmiin perustuva luokittelujärjestelmä ilmensi hyvin vaihtelevasti ekologista laatua, minkä vuoksi eri muuttujia yhdistävä menetelmä, joka arvioi vesimuodostuman kokonaistilaa, on toteuttamiskelpoisin lähestymistapa boreaalisissa järvissä.