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.

Abstract There are various after-use options on the cut-away peatlands, depending on the characteristics of the soil. If the soil is devoid of rock, cultivation of reed canary grass is a profitable after-use option. The aim of this study was to determine how characteristics of peat, peatland surroundings and fertilizers influence the element uptake of reed canary grass. In the present investigation the peat production areas of Luesuo, Piipsanneva and Jouttenisenneva were selected as study areas. A comprehensive sampling programme was carried out in each of the study areas. In addition, two experimental areas for cultivation of reed canary grass were established in Luesuo and Hankilanneva between 2004 and 2005. The results obtained indicate that all study areas were suitable for cultivating reed canary grass, but fertilizers must be added to make up nutrient deficiencies. The study areas were very clean from heavy metals. The results also suggest that the characteristics of peat or surroundings of peatland do not influence the nutrient level of peat significantly, considering the cultivation of reed canary grass. The large geochemical provinces have a smaller impact on nutrient and heavy metal levels in the peat on the peat cut-away areas compared to smaller geochemical units. Heavy metal content in the peat and in the mineral soil under the peat seems to correlate. Reed canary grass does not uptake heavy metals from the cultivation media effectively. Liming slag was better for liming in cultivation of reed canary grass than ash. Although ash has large amounts usable nutrients, especially potassium, it did not raise the heavy metal content in peat to harmful levels, it can therefore be used in the cultivation of reed canary grass. Stock fertilized fur animal manure compost produced almost as much biomass as optimized artificial fertilizers. After the correction of nutrient deficiencies, compost is suitable for the cultivation of reed canary grass in peatlands. Because the total nutrient levels are high in compost, its fertilizer effect lasts longer than in artificial fertilizers, where nutrients are all in a dissolved form. Already in the first growing season the cultivation of reed canary grass changed the cut-away peatland from a carbon source to a carbon sink. In this respect, the reed canary grass cultivation can be used to produce bioenergy to replace fossil fuels in accordance with the goals of Kyoto Protocol. / Tiivistelmä Turvetuotannosta vapautuneella suopohjalla toteutetaan erilaisia jälkikäyttötapoja riippuen suopohjan ominaisuuksista. Jos suopohja on kohtuullisen kivetöntä, ruokohelpiviljely on kannattavaa. Viljelty ruokohelpi poltetaan turpeen tai hakkeen seassa. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää miten pohjaturpeen ja suopohjan ympäristöalueiden ominaisuudet sekä viljelyyn käytetyt lannoite- ja kalkitusaineet vaikuttavat ruokohelpin käyttämiin ravinteisiin. Ruokohelpiviljelyn lannoituskustannukset ovat suuret, joten suopohjan luontainen ravinnetila kannattaa huomioida lannoitusta suunniteltaessa. Suopohjan ravinnetila saadaan selville laatimalla alueelle viljavuusanalyysi. Kyseisen analyysin yhteydessä on hyödyllistä tehdä myös raskasmetallianalyysit, jotta viljelykäyttöön tulevan suopohjan puhtaudesta voidaan varmistua. Tutkimuksen kohdealueiksi valittiin Luesuon, Piipsannevan ja Jouttenisennevan turvetuotantoalueet. Lisäksi tutkimusta varten perustettiin ruokohelpin viljelykoealueet Luesuolle ja Hankilannevalle vuosina 2004 ja 2005. Tutkimusalueilla suoritettiin kattava näytteenotto. Näytteistä analysoitiin tärkeimmät kasviravinteet sekä joukko raskasmetalleja. Tulosten perusteella tutkimusalueille laadittiin viljavuusluokittelu. Tutkimusalueet soveltuvat hyvin ruokohelpiviljelyyn, mutta ravinnepuutokset tulee korjata lannoituksella käytettäen suopohjille suositeltua lannoitusta. Tutkimusalueet osoittautuivat puhtaiksi raskasmetalleista. Tutkimuksen kohteina olleiden suopohjien liukoisen kaliumin ja fosforin pitoisuudet olivat hyvin alhaisia, eivätkä turpeen tai ympäristön ominaisuudet vaikuttaneet niiden pitoisuuksiin ruokohelpiviljelyn kannalta merkittävästi. Liukoisen magnesiumin ja kalsiumin pitoisuudet sen sijaan vaihtelivat tutkituilla suopohjilla kohtuullisen paljon riippuen turpeen ominaisuuksista. Geokemiallisella provinssilla ei todettu olevan niin suurta merkitystä suopohjien lopputurpeiden alkuainepitoisuuksiin kuin pienemmillä geokemiallisilla yksiköillä. Tutkittujen suopohjien turpeen ja sen alla olevan kivennäismaan raskasmetallipitoisuudet korreloivat keskenään. Tutkimustulosten mukaan kasvualustan raskasmetallit eivät siirry tehokkaasti ruokohelpiin. Poikkeuksena olivat sinkin ja molybdeenin pitoisuudet, joita ruokohelpissä esiintyi korkeampina pitoisuuksina kuin kasvualustassa. Haitallisten raskasmetallien pitoisuudet olivat huomattavasti alhaisempia ruokohelpissä kuin kasvualustassa. Ruokohelpi sisälsi raskasmetalleja erittäin pieninä pitoisuuksina, joten viimeisen kasvukuukauden muutokset olivat vaikeasti tulkittavissa. Näyttää kuitenkin siltä, että ruokohelpi siirtää ainakin osan kuparista, sinkistä ja molybdeenistä juuristoonsa talven ajaksi. Suoritettujen lannoituskokeiden perusteella teräskuona soveltuu voimalaitostuhkaa paremmin turvekentän kalkitukseen ruokohelpiviljelyssä. Voimalaitostuhka sisältää kuitenkin huomattavia määriä hyödynnettäviä ravinteita, etenkin kaliumia. Tutkimuksessa havaittiin, ettei voimalaitostuhka lisännyt edes ylisuurina annoksina kasvualustan raskasmetallipitoisuuksia haitallisesti, joten sitä voidaan käyttää ruokohelpiviljelyssä. Varastolannoitetulla kompostilla saavutettiin lähes yhtä hyvä ruokohelpisato kuin optimoidulla mineraalilannoitteella. Näin ollen turkislantakompostia voidaan ravinnekorjausten jälkeen käyttää mainiosti ruokohelpiviljelyyn. Kompostin ravinnevaikutus on myös suurten kokonaisravinnepitoisuuksien vuoksi pidempi kuin mineraalilannoitteilla. Fosforin varastolannoitus turkislantakompostilla onnistui ensimmäisen kasvukauden perusteella hyvin. Tutkimuksessa todettiin, että jo ensimmäisenä kasvukautena ruokohelpiviljelyllä saadaan muutettua hiililähteenä toimiva entinen turvetuotantoalue hiilinieluksi. Ruokohelpiviljelyllä tuotetulla bioenergialla voidaan lisäksi korvata fossiilisia polttoaineita Kioton ympäristösopimuksen tavoitteiden mukaisesti.