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 Human activities have increasingly altered freshwater ecosystems. Land use is a major driver of habitat loss and land use-related input of nutrients and other pollutants from agriculture, forestry and urbanization have deteriorated water quality. Freshwater research has mainly focused on lakes and streams while the effects of anthropogenic stressors on groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are poorly known. Likewise, the effectiveness of ecological restoration in mitigating human disturbance in GDEs remains understudied. In this thesis, I studied the effects of two main anthropogenic stressors – land drainage and groundwater contamination – on boreal spring ecosystems and evaluated the recovery of spring biodiversity and ecosystem functioning after habitat restoration. I applied several structural (macroinvertebrates, bryophytes, leaf-decomposing fungi and groundwater bacteria) and functional (organic matter decomposition and primary productivity) measures to provide a comprehensive insight into these issues. Both stressors modified spring ecosystems. Land drainage reduced the key ecosystem processes. Long-term monitoring of drainage-impacted springs showed a marked biodiversity loss and change of spring-dwelling bryophytes, and no signs of recovery were observed after about 20 years since the intial land drainage. Groundwater contamination, indicated by elevated nitrate and chloride concentrations, altered the structure of spring biota, reduced their taxonomic diversity and suppressed primary productivity in the most severely contaminated springs. Spring restoration improved habitat quality by reducing drainage-induced inflow of surface water, thus re-establishing groundwater-dominated hydrological conditions. Restoration increased abundance of habitat-specialist bryophytes and shifted macroinvertebrate composition towards natural conditions, despite the restoration actions being fairly recent. Anthropogenic activities can thus cause severe structural and functional degradation of spring ecosystems, and their self-recovery potential from these stressors seems low. Habitat restoration bears great promise as a cost-effective approach to mitigate drainage-induced impacts on spring ecosystems, but protection and co-management of groundwater resources are urgently needed to secure the role of springs as biodiversity hotspots in the boreal forest landscape. / Tiivistelmä Ihmistoiminta muuttaa yhä enemmän vesiekosysteemejä. Maankäyttö on johtanut elinympäristöjen häviämiseen, ja siihen liittyvä ravinne- ja haitta-ainekuormitus maa- ja metsätaloudesta sekä kaupunkiympäristöistä on merkittävästi huonontanut veden laatua johtaen maailmanlaajuiseen vesiluonnon monimuotoisuuden heikentymiseen. Vesiekosysteemien tutkimus on keskittynyt pääasiassa järvi- ja jokiympäristöihin, kun ihmistoiminnan vaikutukset pohjavesiriippuvaisiin ekosysteemeihin tunnetaan edelleen huonosti. Samoin kunnostusten merkitys pohjavesiriippuvaisten ekosysteemien tilan parantamiseksi on selvittämättä. Väitöskirjassani tarkastelin kahden keskeisen ihmistoiminnan – metsäojituksen ja pohjaveden laadun heikkenemisen – vaikutuksia lähde-ekosysteemeihin sekä arvioin elinympäristökunnostusten vaikutuksia niiden rakenteeseen ja toimintaan. Sovelsin työssäni rakenteellisia (pohjaeläimet, sammalet, lehtikariketta hajottavat sienet ja pohjavesibakteerit) ja toiminnallisia (eloperäisen aineksen hajoaminen ja perustuotanto) mittareita tuottamaan kattavan käsityksen tutkimuskysymyksiini. Sekä metsäojitukset että pohjaveden laadun heikkeneminen aiheuttavat muutoksia lähteiden rakenteessa ja toiminnassa. Metsäojitukset hidastavat keskeisiä ekosysteemitoimintoja ja johtavat lähdesammallajiston muutokseen ja monimuotoisuuden taantumiseen. Pohjaveden pilaantuminen, jota työssä ilmennettiin kohonneilla nitraatti- ja kloridipitoisuuksilla, heikentää lähdelajiston monimuotoisuutta, muuttaa lajikoostumusta ja johtaa perustuotannon laskuun voimakkaimmin kuormitetuissa lähteissä. Kunnostus parantaa lähde-elinympäristön laatua vähentämällä metsäojien aiheuttamaa pintavesivaikutusta palauttaen pohjavesivaltaisen hydrologisen tilan. Lähdekunnostusten myötä lähdesammaleet runsastuvat ja pohjaeläinyhteisön rakenne palautuu luonnontilaisten lähteiden kaltaiseksi, vaikka kunnostuksista on kulunut vasta muutamia vuosia. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ihmisen toiminta voi aiheuttaa muutoksia lähde-ekosysteemien rakenteessa ja toiminnassa ja lähteiden luontainen palautuminen häiriöstä on hidasta. Lähde-elinympäristöjen kunnostus vaikuttaa lupaavalta suojelutoimenpiteeltä metsäojitusten vaikutusten vähentämisessä, mutta lähteiden säilyttäminen monimuotoisena ja suojelullisesti arvokkaana luontotyyppinä edellyttää pohjavesivarojen hallinnan ja tilan suojelun tehostamista.

Abstract Streams and rivers have been extensively altered by humans. Channelization and land use have changed stream habitats and water quality with adverse effects on biota and ecosystem functions. Impacted streams have been targets for restoration, but there is considerable lack of understanding how streams should be restored in an ecologically effective way. In this doctoral thesis, I studied the impacts of channelization (for timber floating) and agricultural diffuse pollution on stream biota. I also studied the effectiveness of restorations of forestry impacted streams stressed by excessive sand sedimentation from catchment drainage. Finally, I also studied the effects of mosses, fine sediment and enhanced dispersal on stream macroinvertebrate communities and ecosystem functions. I found that channelization did not have effect on diatom, macrophyte, macroinvertebrate and fish assemblages, whereas diffuse pollution had strong effects, with no interactions between the two stressors. I showed that excessive sedimentation from forest drainage was harmful for stream biota but had no effect on leaf decomposition and algal accrual rate. Restoration with boulders reduced sand cover and was more beneficial for in-stream biodiversity, whereas restoration with wood tended to increase hydrological retention of stream channels, thereby altering riparian plant assemblages toward more natural composition. In a mesocosm experiment, I found mosses to have a strong impact on macroinvertebrate communities and ecosystem functions. Mosses increased organic matter retention and reduced algal accrual rate and leaf decomposition. The effect of mosses on macroinvertebrates was stronger than that of sand sedimentation, and mosses mitigated some of the negative effects of sand. Extensive dispersal had a distinct imprint on invertebrate community composition but did not blur the effect of mosses and sand on communities, suggesting strong local-scale environmental control of composition. My thesis emphasizes that priority in stream restoration should be in the mitigation of diffuse pollution rather than restoration of channel morphology, especially in streams where channel alteration has been fairly modest, as in the case of timber floating. Addition of both boulders and large wood likely yields the best biodiversity response in the restoration of forestry impacted streams. Mosses are a key component of boreal lotic ecosystems; therefore, the recovery of mosses may be a prerequisite for the full recovery of biodiversity and ecosystem integrity of boreal streams. / Tiivistelmä Ihmisen toiminta on laajasti muokannut virtavesiä. Uomien kanavointi ja maankäyttö ovat muuttaneet virtavesien elinympäristöjä ja veden laatua, millä on ollut haitallisia vaikutuksia virtavesien luonnon monimuotoisuuteen ja ekosysteemin toimintaan. Huonokuntoisia virtavesiä on kunnostettu paljon, mutta ymmärrys siitä, kuinka virtavesiä tulisi kunnostaa parhaan ekologisen lopputuloksen saavuttamiseksi, on edelleen vajaata. Tutkin tässä väitöskirjassa uittoperkausten ja maatalouden hajakuormituksen merkitystä ja yhteisvaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin. Tutkin myös kunnostusten vaikutusta hiekasta kärsivissä metsätalouden muokkaamissa puroissa, sekä vesisammalten, hiekan ja eliöiden levittäytymisen merkitystä purojen pohjaeläinyhteisöjen ja ekosysteemin toimintojen muovautumisessa. Havaitsin, että uoman perkauksilla ei ollut vaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin, mutta hajakuormituksen vaikutus oli voimakas. Perkauksella ja hajakuormituksella ei ollut yhteisvaikutuksia eliöyhteisöihin. Osoitin, että metsäojituksista aiheutuva ylimääräinen hiekan sedimentaatio on haitallista virtavesien eliöille, mutta sillä ei ollut vaikutusta lehtikarikkeen hajotukseen tai päällyslevien tuotantoon. Kunnostukset joissa käytettiin kiveä vähensivät hiekan peittävyyttä ja olivat hyödyllisempiä uoman eliöstölle kuin kunnostukset, joissa tehtiin puurakennelmia. Puukunnostukset kuitenkin lisäsivät uoman vedenpidätyskykyä ja siten muokkasivat rantavyöhykkeen kasvillisuutta luonnontilaisemmaksi. Havaitsin, että vesisammalilla on voimakas vaikutus pohjaeläinyhteisöjen koostumukseen. Sammalet vaikuttivat ekosysteemin toimintoihin lisäämällä eloperäisen aineksen pidättymistä ja vähentämällä lehtikarikkeen hajotusta ja päällyslevien tuotantoa. Sammalten vaikutus pohjaeläimiin oli voimakkaampi kuin hiekan, ja sammalet kykenivät jopa lieventämään joitakin hiekan negatiivisia vaikutuksia. Eliöiden levittäytymisellä oli selvä vaikutus yhteisöjen koostumukseen, mutta se ei hävittänyt hiekan ja sammalen vaikutusta, mikä viittaa korkeaan ympäristötekijöiden merkitykseen yhteisöjen rakentumisessa. Tutkielmani korostaa, että maatalousjokien tilan parantamisessa hajakuormituksen hallinta tulisi olla ensisijainen kunnostustavoite uoman rakenteen kunnostamisen sijaan. Metsätalouden vaikutuksista kärsivissä puroissa kivi- ja puumateriaalin käyttö samanaikaisesti tuottaa luultavimmin laajimman vaikutuksen purojen monimuotoisuuteen. Sammalilla on merkittävä vaikutus muiden eliöiden yhteisökoostumukseen ja ekosysteemin toimintoihin, joten sammalten palautuminen on tärkeä kunnostustavoite virtavesissä, joissa on luonnostaan paljon sammalkasvustoa.

Abstract Freshwater ecosystems are severely threatened by a variety of anthropogenic stressors. In order to keep track with at least part of the changes, it is important to efficiently assess and monitor freshwater biological diversity. Biological assessment programs are developed to detect human-induced changes in the ecological state of aquatic systems. These programs typically rely on the assumption that environmental conditions are the sole drivers of biological communities occupying a site and, thus, these local communities would correctly inform about environmental conditions. Recently, this background principle of current bioassessment methods has faced some criticism, stemming from the idea that community structuring is a more complex process than just a mere result of local environmental conditions. In this thesis, I studied the natural and anthropogenic drivers of freshwater biodiversity. I was particularly interested if the various biodiversity metrics studied showed any spatial patterns and if so, for which reasons these patterns might occur. To obtain a comprehensive picture of spatial patterns in biodiversity, I studied multiple spatial contexts, biological groups and indices. I found that environmental conditions were not the only drivers of freshwater biodiversity. Instead, different spatial patterns, likely stemming from dispersal processes, were surprisingly powerful drivers of aquatic communities and index values derived from them. The spatial context (i.e. spatial extent and connectivity) of the aquatic study systems likely played a major role in structuring biodiversity. I also found that the distinct biological groups and indices studied were partly related to different predictor variables. The findings of this thesis are of importance to the development of new bioassessment methods. The results of this thesis also suggest that the spatial context of the study setting should be acknowledged when interpreting results based on current bioassessment methods. / Tiivistelmä Makeanveden ekosysteemit ovat hyvin alttiita ihmistoiminnalle. Ekosysteemissä mahdollisesti tapahtuvien muutosten havaitseminen vaatii tehokkaita vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä. Näiden menetelmien toimintaperiaatteen yleisenä tausta-ajatuksena on, että biologiset yhteisöt määräytyvät paikallisten ympäristöolojen mukaan. Tietyn paikan yhteisön oletetaan siis heijastavan kyseisen paikan ympäristön tilaa. Viime aikoina tausta-ajatus paikallisten ympäristöolojen merkityksestä ainoana eliöyhteisöjä muovaavana tekijänä on kuitenkin kohdannut kritiikkiä. Kriitikot painottavat, että biologisten yhteisöjen rakenteeseen vaikuttavat monet muutkin asiat kuin paikalliset ympäristöolosuhteet ja niissä tapahtuvat ihmisperäiset muutokset. Väitöskirjassani tutkin sisävesien luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Olin erityisen kiinnostunut siitä, näkyykö tutkituissa biologisissa parametreissa maantieteellisessä tilassa ilmeneviä spatiaalisia säännönmukaisuuksia. Saadakseni mahdollisimman laaja-alaisen käsityksen luonnon monimuotoisuudessa esiintyvistä spatiaalisista säännönmukaisuuksista, tutkin useaa spatiaalista kontekstia, eliöryhmää ja indeksiä. Tutkimuksessa selvisi, että paikalliset ympäristöolosuhteet eivät ole ainoita luonnon monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset spatiaaliset säännönmukaisuudet, todennäköisesti eliöiden levittäytymiseen liittyvien seikkojen aiheuttamina, olivat yllättävän yleisiä makeiden vesien eliöyhteisöjen rakenteessa ja niihin perustuvien indeksien arvoissa. Tutkimussysteemien spatiaalinen konteksti (alueen laajuus ja paikkojen väliset spatiaaliset suhteet) selvästi vaikutti luonnon monimuotoisuutta kuvastavien indeksien arvojen vaihteluun. Lisäksi selvisi, että eri eliöryhmät ja indeksit olivat useimmiten liitoksissa hyvin erilaisiin selittäviin muuttujiin, osoittaen, että nämä mittarit kuvastavat eri asioita. Väitöskirjassa esitetyt havainnot on tärkeää huomioida vesistöjen ekologisen tilan ja luonnon monimuotoisuuden arviointi- ja seurantamenetelmiä kehitettäessä. Spatiaalisen kontekstin merkitys olisi hyvä huomioida myös nykyisten arviointi- ja seurantamenetelmien tuottamien tulosten tulkinnassa.

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.

Abstract Knowing which factors govern variation in community structure is crucial for assessing and conserving biodiversity. Two main processes structuring biological communities are selection by environmental conditions and dispersal between sites. In this thesis, I studied the potential importance of these two processes in structuring stream metacommunities (i.e. a set of local communities that are connected by the dispersal of individuals). I used altogether four datasets collected from three different drainage basins located in northern Finland. For small species, such as stream diatoms, bryophytes and macroinvertebrates, measuring dispersal directly and for all the species in a community, is very difficult. Thus, I used three kinds of spatial proxies to represent the potential effects of dispersal: (1) the size of species pool, (2) spatial locations of the sample sites and (3) distances between sites. In general, local environmental characteristics explained the variation in community structure better than any of the spatial proxies. The results suggested that stream diatoms, bryophytes and macroinvertebrates should not be dispersal limited at within-basin scale. However, in some cases spatial proxies explained a relatively larger proportion of community variation. One major difficulty when using such proxies is that high and limiting dispersal rates produce similar patterns. Here, I also present and test a novel hierarchical metacommunity approach for differentiating if a significant spatial signal is produced by high or limiting dispersal rates. This approach seemed promising. The results suggested that, at very small spatial scales (i.e. within a stream section) the community composition of stream macroinvertebrates is possibly influenced by high dispersal rates. I also used the so-called deconstructive approach and assigned the whole community into smaller groups of species based on their traits (i.e. feeding mode, dispersal mode and body size). This approach showed, for example, that metacommunity organization of species with actively dispersing terrestrial adults was, in general, more strongly related to environmental variables than the metacommunity organization of more passively dispersing species. I conclude that several approaches are needed for disentangling the importance of dispersal at the metacommunity level. / Tiivistelmä Eliöyhteisöjen rakenteeseen vaikuttavien tekijöiden tunteminen on välttämätöntä luonnon monimuotoisuuden hoidon ja suojelun kannalta. Kaksi merkittävää tekijää yhteisörakenteen säätelyssä ovat ympäristötekijöiden aiheuttama valinta ja levittäytyminen. Tutkin väitöskirjassani näiden kahden tekijän suhteellista merkitystä puroeliöiden metayhteisöjen rakentumiselle. Metayhteisöllä tarkoitetaan joukkoa paikallisia yhteisöjä, joiden välillä yksilöt kykenevät levittäytymään. Käytin neljää aineistoa, jotka oli kerätty yhteensä kolmelta valuma-alueelta Pohjois-Suomesta. Pienille lajeille, kuten piileville, sammalille ja pohjaeläimille, levittäytymisen mittaaminen suoraan ja kaikille yhteisön lajeille vertailukelpoisella tavalla on hyvin vaikeaa. Tässä väitöskirjassa tavoitteeni oli selvittää, kuinka hyvin epäsuoria menetelmiä voidaan käyttää levittäytymisen merkityksen selvittämisessä. Käytin kolmea erilaista niin sanottua spatiaalista muuttujaa kuvaamaan levittäytymisen potentiaalisia vaikutuksia: (1) alueellisen lajipoolin kokoa, (2) tutkimuspaikkojen spatiaalista sijaintia ja (3) paikkojen välisiä etäisyyksiä. Yleisesti ottaen tulokset osoittivat, että paikalliset ympäristötekijät selittivät yhteisörakenteen vaihtelua paremmin kuin mikään spatiaalisista muuttujista. Saadut tulokset viittasivat siihen, että valuma-alueen sisällä purojen piilevien, sammalten ja pohjaeläinten yhteisörakenteen ei pitäisi olla rajoittuneen levittäytymisen muokkaamaa. Joissain tapauksissa jokin levittäytymistä kuvaava muuttuja kuitenkin selitti suhteellisesti suuremman osuuden yhteisörakenteen vaihtelusta. Tämä tulos tuo esille yhden spatiaalisten muuttujien käyttöön liittyvän merkittävän haasteen: samankaltaiseen tulokseen voi johtaa sekä voimakas että rajoittunut levittäytyminen. Väitöskirjassani esittelen ja testaan myös uudenlaista lähestymistapaa, jonka tavoitteena on erottaa, onko merkitsevä spatiaalinen signaali voimakkaan vai rajoittuneen levittäytymisen aiheuttamaa. Tämä uusi menetelmä viittasi siihen, että erittäin pienillä spatiaalisilla mittakaavoilla, kuten saman purojakson sisällä, puropohjaeläinten yhteisörakenne voi olla voimakkaan levittäytymisen muovaamaa. Käytin myös niin kutsuttua dekonstruktiivista lähestymistapaa. Jaoin koko yhteisön pienempiin ryhmiin niiden lajiominaisuuksien perusteella (esim. ravinnonotto, levittäytymistyyppi, vartalon koko). Saadut tulokset antoivat muun muassa viitteitä siitä, että aktiivisesti levittäytyvien eliöiden metayhteisöjen rakentuminen saattaa olla passiivisesti levittäytyviä lajeja riippuvaisempi paikallisista ympäristötekijöistä. Yhteenvetona totean, että metayhteisötasolla levittäytymisen merkityksen selvittämiseksi on käytettävä samanaikaisesti hyvin monenlaisia menetelmiä, sillä jokaisella menetelmällä on puutteensa ja siten eri menetelmiä tarvitaan täydentämään toisiaan.