Abstract Understanding of natural and human induced changes to freshwater biodiversity patterns is critical for efficiently conserving and managing these highly impacted ecosystems. In this doctoral thesis, I study the natural spatial and temporal variability of littoral macroinvertebrate communities, as well as aquatic biodiversity responses (of bryophytes, macroinvertebrates and diatoms) to human impact on forested headwater streams. I also study the temporal variability of natural and human-impacted stream communities. I show that littoral macroinvertebrate communities are most variable between individual samples and to some extent between littorals, and that the diversity patterns of rare and common littoral macroinvertebrates vary at different spatial scales. Temporal (interannual) variability is of minor importance, particularly for the core species of the community. For rare species, however, the temporal component was generally more important than spatial turnover. For headwater streams, I show that most taxonomic groups responded negatively to human impact on the adjacent riparian forest. Nevertheless, pristine riparian forest is not a sufficient surrogate for stream biodiversity as also streams with relatively disturbed riparian forests supported diverse benthic communities. A rapid classification method based on the physical structure of the stream channel and its riparian forest is able to identify the reference-state communities, as well as the most severely altered communities, but a reliable identification of the intermediately-disturbed sites would need more precise information about the key stressors of stream communities. I found that fine sediments originating from forest drainage were the main factor causing reduction of stream biodiversity. I also found that forestry impacted streams varied temporally more than pristine streams, emphasizing the importance of interannual sampling of impacted streams for a reliable status assessment. / Tiivistelmä Luonnollisen ja ihmisen aiheuttaman biodiversiteettivaihtelun ymmärtäminen hoito- ja suojelutoimissa on tärkeää pienvesien monimuotoisuuden turvaamiseksi. Tarkastelen väitöskirjassani järvien rantavyöhykkeen pohjaeläinten ajallista ja paikallista vaihtelua sekä latvapurojen eliöyhteisöjen (pohjaeläimet, sammalet, piilevät) vasteita ihmisen aiheuttamaan fysikaaliseen muutokseen rantametsässä ja purouomassa. Tarkastelen myös ajallisen vaihtelun eroja luonnontilaisten ja ihmisvaikutteisten latvapurojen eliöyhteisöjen välillä. Osoitan, että järven rantavyöhykkeen pohjaeläinyhteisöt vaihtelevat eniten yksittäisten näytteiden välillä ja pienessä määrin eri rantojen välillä, mutta ajallinen vaihtelu ei heikennä tulosten luotettavuutta muiden kuin harvinaisten lajien osalta yhteen vuoteen rajoittuvassa näytteenotossa. Purotutkimuksissa osoitan, että useiden vesieliöryhmien lajirunsaus muuttuu ihmisen aiheuttaman rantametsän muutoksen seurauksena, mutta luonnontilaista rantametsää ei silti voida pitää yksiselitteisesti myös puron suojelutason mittarina, koska se ei välttämättä turvaa eliöiden lajistollista eheyttä suhteessa alkuperäiseen alueelliseen lajistoon. Rantametsän ja uoman fysikaalisiin rakennepiirteisiin perustuvaa nopeaa luokittelumenetelmää voidaan käyttää eliöyhteisöltään monimuotoisimpien ja metsätalouden voimakkaimmin rasittamien purojen tunnistamisessa. Eliöyhteisöltään lievemmin muutettujen purojen luotettavaan erotteluun luokittelun pitäisi kuitenkin sisältää tarkempaa tietoa metsäojitusten aiheuttamasta liettymisestä, joka on tulosteni perusteella haitallisin metsätaloudesta johtuva puroyhteisöjä rasittava tekijä. Havaitsin myös metsätalouden rasittamien purojen tilanarvioinnin toistettavuuden olevan luonnontilaisia puroja heikompaa, joten metsätalouden rasittamien purojen pidempiaikainen seuraaminen tuntuu välttämättömältä luotettavien tilanarvioiden tuottamiseksi.

Abstract The effect of biodiversity loss and change on the functioning of ecosystems is one of the key questions in ecological research. For stream ecosystems, compelling evidence indicates that species diversity may enhance ecosystem functions. However, ecosystem functions are often regulated by the same environmental factors that also shape diversity; thus, a major challenge for ecologists is to separate the effects of biodiversity loss on the ecosystem functions from the direct effects of human induced disturbance. In this doctoral thesis, I studied how decomposer communities and ecosystem functions respond to human disturbances (nutrient enrichment, acidification) and a natural stressor (naturally low water pH). I also studied how human disturbances and natural stressors affect the phylogenetic structure of stream fungal communities. I showed that human disturbance had a strong impact on species dominance patterns by reducing species evenness. Species dominance patterns also explained the variation in decomposition rates. Changes in abiotic variables also had a direct effect on leaf decomposition rates. In the naturally acidic sites, human impact (land drainage) further decreased water pH and increased metal concentrations, thereby reducing leaf decomposition rates, whereas high nutrient concentrations enhanced leaf decomposition. Naturally low pH had no effect on decomposition rates. Decomposer community similarity was higher in drainage-impacted sites, but only in naturally acidic, not in circumneutral, streams. Human induced disturbance also modified the phylogenetic similarity of fungal decomposer communities, with communities in disturbed sites consisting of more closely related species when compared to those in circumneutral reference sites. Leaf litter decomposition showed greater temporal variation in human disturbed sites than in reference sites, whereas fungal community variability was similar in disturbed and reference sites. Thus, temporally replicated monitoring may be needed for a reliable assessment of human disturbance in streams. My thesis emphasizes that using both functional and taxonomic measures allows a more comprehensive assessment of biological responses to human disturbance. / Tiivistelmä Biodiversiteetin väheneminen ja siitä seuraava ekosysteemin toiminnan heikkeneminen on eräs keskeisimmistä ekologisista kysymyksistä. Ekosysteemin toiminnot ovat kuitenkin monesti yhteydessä ympäristöolosuhteisiin, joten on vaikea erottaa vähentyneen biodiversiteetin ja ympäristöolojen suhteellista merkitystä ekosysteemien toimintoihin. Tässä väitöskirjatyössäni tutkin, kuinka virtavesien hajottajayhteisöt ja ekosysteemin toiminnot (lehtikarikkeen hajotus) muuttuvat valuma-alueen ihmistoimintojen myötä. Tutkin myös, kuinka luontainen stressi (matala pH) vaikuttaa yhteisöihin ja ekosysteemin toimintoihin. Tarkastelen myös akvaattisten sienten fylogeneettistä rakennetta ihmistoiminnan muuttamissa vesiympäristöissä. Osoitan tutkimuksissani, että ihmistoiminnoilla on vaikutuksia hajottajayhteisöiden kokonaisrunsauden jakautumiseen lajien kesken. Muutamien runsaiden lajien dominoimissa yhteisöissä lehtikarikkeen hajoaminen on tehokkaampaa kuin yhteisöissä, joissa lajien runsauserot ovat pienempiä. Myös ympäristöoloilla on vaikutus lehtikarikkeen hajotukseen. Luontaisesti happamissa puroissa metsäojituksen seurauksena lisääntynyt veden metallipitoisuus ja alhainen pH vähentävät hajotuksen määrää. Toisaalta joen korkea ravinnepitoisuus lisää hajotusta. Lehtikarikkeen hajotus vaihtelee enemmän vuosien välillä ihmistoimintojen muuttamissa virtavesissä kuin luonnontilaisissa vesissä. Toisaalta sieniyhteisöt pysyvät koostumukseltaan samankaltaisina vuosien välillä ihmistoiminnan muuttamissa paikoissa ja referenssipaikoissa. Tämä työ osoittaa, että toiminnallisten ja yhteisöihin perustuvien indikaattorien yhteiskäyttö antaa kokonaisvaltaisimman kuvan ihmistoimintojen vaikutuksesta virtavesien ekosysteemeihin.

Abstract As human activities are increasingly affecting natural communities, many communities are impacted by multiple stressors and their interactions. Understanding how natural and anthropogenic stressors act individually and in concert is essential for managing and conserving natural ecosystems efficiently. In this thesis I studied how geology-related natural acidity, land drainage and their interaction affect biological communities and leaf decomposition in boreal headwater streams. I further assessed the concordance of communities along natural and anthropogenic stressor gradients. As model organisms, I used benthic diatoms, bryophytes, invertebrates and leaf-decomposing fungi. I showed that geology-related natural acidity constitutes a strong environmental filter for stream communities, reducing species richness and changing community composition. Community concordance was also generally strongest along the natural acidity gradient. However, natural acidity mostly did not homogenize communities nor did it affect leaf decomposition by fungi. Effects of peatland drainage differed between the two stream types, being mainly sedimentation in the circumneutral streams and increasing metal concentrations in the acid streams. Overall, changes in community composition were better able than pure species richness to track single stressor impacts. Furthermore, fungal assemblages were more homogeneous and decomposition rates slower in drained acidic sites than in any other stream type. Thus the drainage-induced shift in water chemistry in the acidic streams seems to constitute an even stronger environmental filter than sedimentation. Conservation planning needs to give special attention to these vulnerable, naturally stressful ecosystems. / Tiivistelmä Ihmistoiminnan vaikuttaessa yhä enemmän luonnon elinympäristöihin eliöyhteisöihin kohdistuu usein samanaikaisesti monenlaisia paineita. Ekosysteemien tehokas hoitaminen ja suojelu edellyttävät tarkkaa tietoa siitä, miten luonnollinen stressi ja ihmistoiminta yhdessä ja erikseen vaikuttavat ekosysteemeihin. Väitöskirjassani tutkin, kuinka geologiasta johtuva luonnollinen happamuus ja metsäojitus vaikuttavat boreaalisten purojen eliöyhteisöihin ja lehtikarikkeen hajotukseen. Tarkastelin myös eliöryhmien yhdenmukaisuutta ihmistoimintagradientilla ja luonnollisella stressigradientilla. Malliorganismeinani olivat piilevät, vesisammalet, pohjaeläimet ja hajottajasienet. Väitöskirjassani osoitan, että geologiasta johtuva puroveden happamuus toimii merkittävänä ympäristösuodattimena purojen eliöyhteisöille vähentäen lajirunsautta ja muokaten lajistoa. Myös eliöryhmien lajistovaihtelu oli yhdenmukaisinta luonnollisella happamuusgradientilla. Toisaalta luonnollinen happamuus ei vaikuttanut merkittävästi lehtikarikkeen hajotukseen tai purojen väliseen sieniyhteisöjen monimuotoisuuteen. Metsäojituksen fysikaalis-kemiallinen vaikutus erosi purotyypeittäin: pH-neutraaleissa puroissa ojitus pääosin lisäsi pohjan hiekoittumista, kun taas happamissa puroissa veden metallipitoisuudet kasvoivat entisestään. Yleisesti ottaen sekä luonnollisen happamuuden että metsäojituksen vaikutukset näkyivät parhaiten muutoksina eliöyhteisöjen lajikoostumuksessa. Lisäksi ojitetuissa happamissa puroissa hajottajasieniyhteisöjen lajistot olivat keskenään samankaltaisempia ja lehtikarikkeen hajotus hitaampaa kuin muissa purotyypeissä. Metsäojituksen aikaansaama muutos luonnollisesti happamien purojen vesikemiassa näyttää siis olevan jopa merkittävämpi ympäristösuodatin kuin pohjan hiekoittuminen. Luonnollisesti stressattujen elinympäristöjen herkkyys maankäytön muutoksille tulisikin huomioida ympäristön hoidon suunnittelussa nykyistä paremmin.

Abstract Although flow regime is a key element in determining the structure and function of lotic ecosystems, little is known about the variation of natural flow regimes and its relation to biological communities in highly seasonal northern boreal rivers. Temperature and precipitation patterns at northern latitudes are predicted to change drastically in the future causing severe effects on stream ecosystems. Interactions between climate change impacts and land use might further create unpredictable environmental stress. In this thesis, I first assessed the relationship of natural flow regimes of northern boreal rivers with taxonomic and functional structure of stream macroinvertebrates. Second, I combined hydrological, climate and biological models to study how climate change will alter northern flow and thermal regimes, how macroinvertebrates will respond to these changes and where these changes are going to be most pronounced. Third, I experimentally studied how different stream organisms are responding to flow change, sedimentation and their possible interaction. The role of hydrology in structuring macroinvertebrate assemblages was evident. Streams were predicted to lose much of the flow seasonality in the future, causing drastic changes that even exceeded the effect of future warming on macroinvertebrates. Especially communities within small seasonal streams were predicted to change, highlighting the importance of focusing conservation actions on these systems. Different organism groups exhibited highly variable responses to different stressors. For instance, aquatic fungi, which have been used less in climate change research, responded more strongly to flow change than traditionally used macroinvertebrates. The interactive effects of flow and sand were all antagonistic (i.e. less than the sum of the individual effects), which could be reassuring for management, although it means that both stressors may need to be removed to produce true ecological recovery. The results support the use of hydrological models in ecological studies for predicting current and future hydrological conditions at a site. However, as extreme events have been predicted to become more frequent, instead of modeling change in average conditions, future predictive models should be able to capture extreme fluctuations to gain more realistic view of climate change effects on stream ecosystems. / Tiivistelmä Joen virtaamaolosuhteet ja niiden vaihtelu ovat tärkeimpiä jokiekosysteemien rakenteeseen ja toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Tästä huolimatta pohjoisen havumetsävyöhykkeen jokien luonnollisia virtaamaolosuhteita ja niiden yhteyttä virtavesieliöihin on tutkittu vähän. Ilmastonmuutoksen on ennustettu aiheuttavan voimakkaita muutoksia pohjoisten alueiden ilman lämpötilassa ja sadannassa, ja nämä muutokset tulevat mitä todennäköisimmin aiheuttamaan vakavia seurauksia myös jokiekosysteemeissä. Ilmastonmuutoksen ympäristövaikutukset voivat lisäksi aiheuttaa jo olemassa olevien ihmistoiminnasta aiheutuvien ympäristövaikutusten kanssa haitallisia ja vaikeasti ennustettavia yhdysvaikutuksia. Väitöskirjassani arvioin ensin pohjoisten virtavesien luonnollisten virtaamaolosuhteiden suhdetta pohjaeläinyhteisöjen taksonomiseen ja toiminnalliseen rakenteeseen. Tämän jälkeen tarkastelin yhdistämällä erilaisia ilmastonmuutoksen skenaarioita hydrologisen ja biologisen mallin kanssa, miten ilmastonmuutos saattaa tulevaisuudessa vaikuttaa jokien virtaamaolosuhteisiin ja niissä eläviin pohjaeläinyhteisöihin. Lisäksi arvioin missä ja minkälaisissa jokityypeissä ilmastonmuutoksen vaikutukset tulevat esiin kaikkein voimakkaimmin. Lopuksi tutkin kokeellisesti, miten virtaamavaihtelu ja hienojakoinen sedimentti ja näiden mahdolliset yhdysvaikutukset vaikuttavat eri virtavesieliöihin. Tulokset osoittivat, että vuodenajasta riippuvat virtaamavaihtelut vähenevät ilmastonmuutoksen myötä, minkä seurauksena pohjaeläinyhteisöissä tapahtuu voimakkaita muutoksia. Erityisesti pienten jokien pohjaeläinyhteisöjen monimuotoisuus ja koostumus muuttuivat verrattaessa tämän päivän lajistoa tulevaisuuden ennustettuun lajistoon. Eri virtavesieliöryhmät vastasivat hyvin eri tavalla virtaamavaihtelun ja hiekoittumisen aiheuttamaan elinympäristön muutokseen. Esimerkiksi akvaattiset sienet, joita on aikaisemmin harvoin käytetty ilmastonmuutostutkimuksissa, vastasivat voimakkaammin virtaamamuutoksiin kuin tutkimuksissa perinteisesti käytetyt pohjaeläimet. Kaikki kokeessa havaitut yhdysvaikutukset olivat kuitenkin pienempiä kuin yksittäisten vaikutusten summa. Tulos on huojentava vesiensuojelun kannalta, mutta tarkoittaa toisaalta myös sitä, ettei yksittäisten ihmisvaikutusten poistaminen välttämättä takaa vesistön ekologisen tilan parantumista, jos elinympäristöön vaikuttaa yhtaikaisesti useampi tekijä. Väitöskirjani tulokset tukevat hydrologisten mallien hyödyntämistä ekologisessa tutkimuksessa. Ilmastonmuutoksen myötä eri ääri-ilmiöiden, kuten rankkasateiden, on ennustettu tulevan entistä yleisimmiksi. Ääri-ilmiöiden vaikutukset ekologisiin vasteisiin tunnetaan kuitenkin heikosti. Mallien kehittämisessä olisi tämän vuoksi jatkossa tärkeää keskittyä ääri-ilmiöihin ja niiden aiheuttamiin biologisiin muutoksiin, jotta voisimme nykyistä realistisemmin arvioida ilmastonmuutoksen vaikutuksia sisävesiekosysteemeissä.