Abstract In northern regions such as Finland, snowpack represents a major water resource for aquatic and terrestrial ecosystems and different human uses, and snowmelt usually controls peak annual river discharge. To understand potential impacts of climate change, this thesis explored the effects of changes in surface air temperature (SAT) and precipitation patterns on snowpack accumulation and snowmelt processes in Finland. Two initial studies provided national and spatial pictures of long-term variability and changes in observed SAT and precipitation in Finland and their relationships with the atmospheric circulation patterns (ACPs) of the Northern Hemisphere (NH). On national scale, mean annual SAT and annual precipitation increased significantly in Finland during the past century. Seasonal analysis revealed increases in spring (MAM) and summer (JJA) SAT and in winter (DJF) and summer precipitation. SAT and precipitation were most significantly correlated with the Arctic Oscillation (AO), East Atlantic/West Russia (EA/WR), East Atlantic (EA) and Scandinavia (SCA) patterns. However, there were spatial differences within Finland as regards climate trends and relationships with ACPs. A study examining the dependence of snow resources on winter climate in Finland revealed a decline in snow water equivalent (SWE) and shortening of continuous snow cover duration (CSCD) in Finland during 1909-2008. This was mainly due to reductions in snowfall owing to winter warming and decreased precipitation in southern areas, but only to decreases in winter precipitation at higher latitudes. In southern Finland SWE and CSCD were associated with ACP affecting winter SAT (AO), and in central and northern parts with ACPs influencing winter precipitation (EA, EA/WR and AO). Analysis of snowmelt hydrology in Finland indicated that snowmelt flux has a much greater influence than rainfall on simulated peak snowpack outflow in Finland, which has decreased and shifted towards earlier in the year. / Tiivistelmä Pohjoisilla alueilla kuten Suomessa lumi edustaa merkittävää vesivarantoa mikä vaikuttaa vesi- ja maaekosysteemeihin sekä yhdyskuntien vesienkäyttöön. Lisäksi lumen sulanta aiheuttaa suurimmat vuosittaiset tulvahuiput. Tämä väitöstutkimus keskittyy ilmanlämpötilan ja sadannan muutoksien aiheuttamiin vaikutuksiin lumen kertymisessä ja lumen sulannan prosesseissa Suomessa, jotta ilmaston muutoksen aiheuttamia mahdollisia muutoksia voidaan paremmin ymmärtää. Väitöskirjan kaksi tutkimusta antavat kansallisen ja spatiaalisesti kattavan kuvan pitkäaikaisvaihtelusta ja muutoksista ilmanlämpötilassa ja sadannassa Suomessa ja niiden yhteyden ilmastojärjestelmiin (ACP) pohjoisella pallonpuoliskolla. Kansallisella tasolla, vuosittainen keski-ilmanlämpötila ja vuosisadanta lisääntyivät merkittävästä Suomessa viimeisen vuosisadan aikana. Kausittainen analyysi paljasti kevät ja kesä ilmanlämpötilojen sekä talvi ja kesä-sadantojen lisääntyneen. Ilmanlämpötila ja sadanta korreloi merkittävimmin Arktisen (AO), Itä Atlantti/Länsi Venäjä (EA/WR), Itä-Atlantti (EA) ja Skandinaavisen (SCA) oskillaatioiden kanssa. Eri puolilla Suomea tuloksissa oli spatiaalista eroa liittyen ilmasto trendeihin ja yhteyksiin ilmakehän kiertoliikkeisiin. Tässä tutkimuksessa selvitettiin lisäksi lumivarojen riippuvuutta talviajan ilmastosta Suomessa. Vuosien 1909-2008 aineiston perusteella lumenvesiarvossa (SWE) havaittiin laskua sekä pysyvän lumipeitteen kestossa (CSCD) lyhenemistä. Etelässä tämä todettiin pääosin olevan seurausta talviajan lumisateiden vähentymisestä, jota vuorostaan selitti ilman lämpeneminen ja kokonaissademäärän pienentyminen. Pohjoisilla leveysasteilla ainoastaan talviaikaisen kokonaissademäärän pienentyminen selitti vähentyneitä lumivaroja. Tutkimuksessa Etelä-Suomen aineiston osalta tulokset SWE ja CSCD:ssa voitiin yhdistää muutoksiin talviseen SAT:hen (AO) vaikuttavissa ilmastojärjestelmissä (ACP). Keski- ja pohjoisosissa Suomea ilmastojärjestelmät (EA, EA/WR ja AO) vaikuttivat ainoastaan talviaikaiseen sadantaan. Aineiston perusteella voitiin myös todeta, että Suomessa kevätaikaisesta lumensulannasta johtuvaan valuntahuippuun vaikuttaa enemmän välitön lumen sulanta kuin sulannan aikana esiintynyt vesisade. Lumen sulannan huippuarvo havaittiin myös laskeneen sekä sen ajoittuminen aikaistuneen.

Abstract Grazing by reindeer (Rangifer tarandus L.) affects vegetation and soil microbial processes in tundra ecosystems. It is considered that grazing can induce two alternative vegetation states that differ in plant species composition and the rate of nutrient cycling. I hypothesised that these alternative vegetation states differ in ecosystem responses to climate warming. I tested the hypothesis using a factorial warming and fertilisation experiment on long-term lightly grazed (LG) and heavily grazed (HG) tundra. The reindeer grazing induced vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids increased microbial activities for SOM decomposition. The grazer-induced shifts in vegetation and microbial activities in combination with the fertilisation via urine and faeces had important consequences on soil N availability and soil C quality that determined the ecosystem-level consequences of climate warming. Due to higher soil N availability, warming increased plant productivity (GEP) on HG but not on LG tundra, where N limitation prevented the warming-increased plant production. The varying effects of warming on GEP at different grazing intensities determined the effects of warming on ecosystem net C sink, which was unaffected by warming on HG but decreased on LG tundra. Reindeer grazing reduced the soil C quality, as soils under LG stored a higher proportion of carbohydrates vulnerable to microbial decomposition than soils under HG. According to laboratory soil incubations, the grazer-induced reduction in soil C quality mitigated the responses of soil microbial activity to prolonged warming. Warming caused a stronger decrease in concentrations of phenolics, an important means of plant defence against biotic and abiotic stresses, in Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum under HG than LG. Grazing history by reindeer, with the associated vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids, can significantly alter the ecosystem-level consequences of climate warming. Overall, this thesis highlights that the effects of reindeer grazing on soil properties, soil N availability and C quality, are important determinants of the ecosystem responses to climate warming. Therefore, future research on climate warming should take into account herbivores and aim towards a more holistic approach that includes both aboveground and belowground components of the ecosystem. / Tiivistelmä Tundralla porolaidunnus vaikuttaa kasvillisuuteen ja maaperän mikrobien toimintaan. Porolaidunnus voi aikaansaada kaksi vaihtoehtoista kasvillisuuden tilaa, jotka eroavat toisistaan paitsi kasvilajiston myös ravinnekierron suhteen. Esitin hypoteesin, jonka mukaan ilmaston lämpenemisen vaikutukset eroavat tundratyypeillä, jotka edustavat vaihtoehtoisia kasvillisuustiloja. Testasin hypoteesia faktoriaalisen lämmitys- ja lannoituskokeen avulla tundra-alueilla, joilla poron laidunnuspaine on ollut pitkäaikaisesti joko kevyttä tai voimakasta. Poron aiheuttama kasvillisuusmuutos varpuvaltaisesta heinävaltaiseksi lisäsi maaperän mikrobien hajotusaktiivisuutta. Poron aiheuttamat erot kasvillisuudessa ja mikrobiaktiivisuuksissa yhdessä virtsan ja papanoiden lannoittavan vaikutuksen kanssa muuttivat maaperän typen saatavuutta sekä hiilen laatua. Erot maaperän ominaisuuksissa puolestaan ohjasivat ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason vaikutuksia. Lämmitys kasvatti ekosysteemituotantoa ravinteikkaalla voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta ei kevyesti laidunnetulla tundralla, joka oli typpirajoitteinen. Lämmityksen erilaiset vaikutukset ekosysteemituotantoon eri laidunpaineissa määrittivät lämmityksen vaikutuksen ekosysteemin hiilinieluun, joka pysyi muuttumattomana voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta pieneni kevyesti laidunnetulla tundralla. Porolaidunnus alensi maaperän hiilen laatua, ja kevyesti laidunnetulla tundralla maaperässä oli enemmän mikrobien hajotukselle alttiita hiilihydraatteja kuin voimakkaasti laidunnetulla tundralla. Laboratoriossa suoritetun inkubaatiokokeen perusteella maaperän hiilen alhaisempi laatu lievensi mikrobien hajotusaktiivisuuden vastetta pitkäaikaiseen lämmitykseen. Lämmitys vähensi pohjanvariksenmarjan fenoliyhdisteiden, jotka ovat tärkeä osa kasvien puolustusta bioottisia ja abioottisia stressitekijöitä vastaan, pitoisuuksia enemmän voimakkaasti kuin kevyesti laidunnetulla tundralla. Poron laidunnushistoria yhdessä kasvillisuusmuutoksen kanssa voi merkittävästi vaikuttaa ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason seurauksiin. Tämän väitöstyön tulokset osoittavat, että poron vaikutukset maaperän typpeen ja hiileen määrittävät lämpenemisen vaikutukset ekosysteemissä. Tulevaisuudessa ilmastonmuutostutkimuksen pitäisikin kokonaisvaltaisemmin huomioida sekä herbivorian että ekosysteemin eri osien merkitys.

Abstract Climate change and global warming are currently widely discussed topics, both of which potentially impact all the nations and industries. Carbon dioxide (CO2) and other green house gases (GHG) are seen as a major challenge. This doctoral dissertation aims to conduct techno-economic calculations on the possibilities of reducing the industrial use of fossil raw materials in Northern Finland. This doctoral dissertation analyses industrial CO2 emissions from five complementary perspectives: identifying significant potential industrial plants, analysing the replacement of fossil raw materials with wood biomass, considering combining different industrial sectors, the potential of biogas as industrial raw material, and estimating the economic significance of moisture in wood fuel. The study started by analysing all the relevant 262 regional environmental permits to find the significant industrial users of synthesis gas in the studied region. Processes used by each identified case were analysed carefully to identify the most potential change possibilities. Economic calculations were conducted for these cases using true production volumes. The aim was to reach solutions that were economically sound. Five industrial sites were identified as potential cases for replacing raw materials of synthesis gas or hydrogen with renewable alternatives. These sites include the Rautaruukki steel mill, Eka Chemicals’ hydrochloric acid plant, Kemira’s formic acid plant, Kemira’s hydrogen peroxide producing plant, and Talvivaara mining’s hydrogen plant. The main implications of this dissertation include providing tips for industrial managers, regional decision makers and legislators. Managers of companies with high energy consumption and/or high usage of fossil raw materials in their products can benefit from the results of this dissertation the most. Managers should conduct similar calculations, as in this study, by using exact figures relevant to their processes and raw materials. This doctoral dissertation also suggests finding new solutions for replacing fossil raw materials by combining two different industrial sectors, e.g. steel and chemical industries. Regional decision makers may utilise the calculations presented in this doctoral dissertation when developing regional strategies. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja globaali lämpeneminen ovat tällä hetkellä laajasti keskusteltuja aiheita, ja ne vaikuttavat kaikkiin maihin ja kaikkiin teollisuuden aloihin. Hiilidioksidi (CO2) ja muut kasvihuonekaasut nähdään suurena haasteena. Tämä väitöskirja pyrkii teknistaloudellisten laskelmien avulla tutkimaan mahdollisuuksia vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä Pohjois-Suomen alueella. Tämä väitöskirja analysoi teollisia CO2-päästöjä viidestä toisiaan täydentävästä näkökulmasta: identifioimalla merkittäviä teollisia tuotantolaitoksia, analysoimalla fossiilisten raaka-aineiden korvaamista puubiomassalla, tutkimalla erilaisten teollisten tuotantolaitosten yhdistämistä, tutkimalla biokaasun käyttöä mahdollisena teollisuuden raaka-aineena ja arvioimalla kosteuden taloudellista merkitystä puupolttoaineessa. Tutkimus alkoi analysoimalla kaikki alueen identifioidut 262 ympäristölupaa, jotta merkittävät synteesikaasun käyttäjät tulisivat esille. Jokaisen löydetyn tapauksen tuotantoprosessit analysoitiin huolellisesti, jotta potentiaalisimmat muutosmahdollisuudet huomioitaisiin. Teknistaloudellisia laskelmia tehtiin näille tapauksille käyttämällä todellisia tuotantolukuja. Tarkoituksena oli löytää taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja. Viisi teollista tuotantolaitosta identifioitiin tapauksiksi, joissa synteesikaasun tai vedyn raaka-aine voitaisiin korvata uusiutuvilla raaka-ainevaihtoehdoilla. Nämä tuotantolaitokset olivat Rautaruukin terästehdas, Eka Chemicalsin kloorivetyhapon tuotantolaitos, Kemiran muurahaishappotehdas, Kemiran vetyperoksiditehdas ja Talvivaaran kaivoksen vedyn tuotantolaitos. Tärkeimmät implikaatiot tästä väitöskirjatyöstä sisältävät pohdittavia ajatuksia teollisille toimijoille, alueellisille päätösten tekijöille ja lainsäätäjille. Korkean energian kulutuksen ja/tai suurten fossiilisten raaka-ainekäyttöjen yhtiöissä päätöksentekijät voivat hyödyntää parhaiten tämän väitöskirjan tuloksia. Päätöksentekijät voisivat käyttää esimerkkeinä tämän väitöskirjan laskelmia tehdessään omia analyyseja, jolloin heidän tulisi käyttää tarkkoja lukuja yritystensä prosesseista ja raaka-ainekäytöistä. Tämä väitöskirja ehdottaa myös etsimään uusia ratkaisuja fossiilisten raaka-aineiden korvaamisessa yhdistämällä tuotannollisesti erilaisia teollisia sektoreita esimerkiksi teräksen ja kemian tuotteiden valmistuksen. Alueelliset päätösten tekijät voivat hyödyntää väitöskirjassa esitettyjä laskelmia alueellisten strategioiden kehitystyössä.