Metsäekosysteemin rakenne ja toiminta

Ekosysteemin rakenne

Ekosysteemi on tietyn alueen elollisen ja elottoman luonnon muodostama toimiva kokonaisuus. Elotonta luontoa ovat esimerkiksi valo ja lämpö kun taas elolliseen luontoon kuuluvat esimerkiksi alueen kasvit ja eläimet. Ravintoketjulla voidaan kuvata aineen ja energian kulkeutumista ekosysteemin eliöltä toiselle. Tuottajat eli kasvit sitovat auringon energiaa valmistaessaan energiapitoisia sokereita yhteyttämisessä. Ensimmäisen asteen kuluttajat syövät tuottajia ja toisen asteen kuluttajat edelleen ensimmäisen asteen kuluttajia ja näin energia ja aine siirtyvät ravintoketjussa eteenpäin. Lopulta hajottajat palauttavat kuolleen orgaanisen aineksen kasvien käyttöön esimerkiksi ravinteiden muodossa.

Ravintoketjut

Elöiden välisiä suhteita voidaan kuvata esimerkiksi ravintoketjun, ravintoverkon tai ravintopyramidin avulla. Ravintoketju on yksinkertaisin tapa kuvata ekosysteemin toimintaa ja sen avulla havainnollistetaan aineen kulkua ekosysteemissä. Ravintoketjussa eri lajien välille merkitään nuolen avulla, kuka syö ja kenet.

Kuluttaja voi olla joko kasvinsyöjä tai peto. Tässä ravintoketjussa hyppyhäntäinen on kasvinsyöjä ja hämähäkki ja päästäinen ovat petoja.

Tässä hieman toisenlainen esimerkki ravintoketjusta. Kiva ja opettavainen tapa käsitellä ravintoketjuja ja eliöiden välisiä vuorovaikutussuhteita on piirtää lasten kanssa erilaisia ravintoketjuja. Hyvä tapa integroida biologiaa kuvaamataitoon tai toisinpäin. Lähde: www.mhuovinen.net

Ravintoverkot

Lajien väliset suhteet eivät kuitenkaan ole niin yksinkertaisia kuin ravintoketjut antavat ymmärtää. Todellisuudessa ekosysteemin eri ravintoketjut muodostavat ravintoverkkoja, jossa yhdellä lajilla on linkkejä useampaan eri lajiin ekosysteemissä. Ravintoverkko on eliöyhteisön saalistus- ja ravintosuhteita kuvaava ravintoketjujen muodostama kokonaisuus. Jokin laji käyttää ravinnokseen yhtä lajia ja tulee syödyksi jonkin toisen toimesta. Monilla lajeilla on myös useita ravinnonlähteitä. Talitiainen voi esimerkiksi syödä sekä marjoja että hyönteisiä. Näin ekosysteemissä muodostuu monimutkaisia vuorovaikutussuhteita, joita ravintoverkon avulla pyritään havainnollistamaan.

Tässä laatimamme melko yksinkertainen ravintoverkko metsäekosysteemin lajien vuorovaikutussuhteista,

Ravintopyramidit

Ravintopyramidi poikkeaa kahdesta edellisestä siten, että se kuvaa ekosysteemissä eri trofiatasoilla olevan aineen ja energian määrää.  Ensimmäinen eli pyramidin alin taso on tuottajat ja se on trofiatasoista kaikista suurin. 1. asteen kuluttajat eli kasvinsyöjät muodostavat seuraavan tason. Kasvinsyöjiä seuraavilla tasoilla ovat 2. asteen ja sitä korkeamman asteen kuluttajat eli pedot. Kaikista ylimpänä olevista lajeista puhutaan huippupetoina.

Esimerkki  kolmen trofiatason ravintopyramidista. Lähde: seppo.net

Aine ja energia ekosysteemissä

Omavaraiset eliöt (=tuottajat) ottavat maasta ja ilmasta epäorgaanisia aineita esim. hiilidioksidia ja tuottavat auringon energian avulla eloperäisiä eli orgaanisia yhdisteitä esim. sokerit, proteiinit ja rasvat. Toisenvaraiset eliöt käyttävät tuottajien tuottamia aineita energianlähteenä ja samalla ne vapauttavat itselleen tarpeettomat aineet epäorgaanisina tai orgaanisina aineina ympäristöön. Viimeistään eliön kuollessa hajottajat muuttavat orgaaniset aineet takaisin epäorgaanisiksi, jotta kasvit voisivat käyttää niitä. Näin hajottajat varmistavat aineiden kierron luonnossa.

Ekosysteemissä energia puolestaan virtaa koko systeemin läpi. Energia tulee osaksi ekosysteemiä auringon säteilyenergian välityksellä. Tätä säteilyenergiaa hyväksi käyttäen kasvit (tuottajia) tuottavat kemiallista energiaa, joka taas siirtyy ravintoketjussa eteenpäin orgaanisina yhdisteinä. Jokaiselta trofiatasolta vain noin 10 % kyseisen tason energiasta siirtyy seuraavan tason käyttöön ja tästä energiasta taas 10 % seuraavan tason käyttöön. Jokaisella trofiatasolla merkittävä osuus energiasta "karkaa" haihtumalla ilmaan lämpösäteilyn muodossa.Ylimmän trofiatason käytössä on siis vain murto-osa tuottajien koko energiasta. Ekosysteemi tarvitseekin toimiakseen jatkuvasti uutta energiaa auringosta. 

Aine siis kiertää ekosysteemissä kun taas energia virtaa ekosysteemin läpi.

Ekosysteemin monimuotoisuus ja muutokset ekosysteemissä

Kuvassa mäntykangas, joka edustaa monimuotoisuudeltaan köyhähköä ekosysteemiä. Lajimäärä on vähäisempi kuin monimuotoisemmissa ekosysteemeissä. Lähde: www.ollkorhonen.com

Kasvien merkitys ekosysteemissä on tärkeä. Ne tuottavat happea ja sokeria sekä toimivat ravintona kasvinsyöjille eli 1.asteen kuluttajille. Kasvinsyöjätkin ovat tärkeitä, sillä niiden avulla aine ja energia siirtyvät ravintoketjussa eteenpäin petojen käyttöön. Petojen tehtävä on pitää kasvinsyöjäpopulaatiot maltillisen kokoisina. Jos petoja ei olisi, niin kasvinsyöjät lisääntyisivät räjähdysmäisesti ja pian niille tulisi pulaa ravinnosta ja pahimmassa tapauksessa kasvit syötäisiin kokonaan. Lisäämällä alueelle petoja tilanne saataisiin vähitellen korjatuksi ja pikku hiljaa kasvipopulaatiot elpyisivät ennalleen.  On siis tärkeää, että ekosysteemistä löytyy sekä niin tuottajia, kasvinsyöjiä kuin petojakin. Myös hajottajilla on erittäin tärkeä tehtävä ekosysteemissä. Hajottajat siirtävät kuolleen aineksen takaisin tuottajien käyttöön hajottamalla kuolleita eliöitä sellaiseen muotoon, että ne ovat tuottajien käytettävissä. Ilman hajottajia aine ei kiertäisi ekosysteemissä. Jokainen trofiataso on siis tärkeä. Laboratorio-oloissa on saatu luotua ekosysteemi, joka koostuu ainoastaan tuottajista ja hajottajista, mutta luonnossa toimiva ekosysteemi edellyttää sitä, että kaikki trofiatasot ovat edustettuna.

 Koska lajien väliset vuorovaikutussuhteet ovat hyvin monimutkaisia saattaa yhdenkin lajin häviäiminen ekosysteemistä muuttaa sen toimintaa radikaalisti. Usein yhden lajin hävitessä jokin toinen laji valtaa sen ekolokeron, mutta aina näin ei käy ja silloin ekosysteemin toiminta muuttuu. Myös uuden lajin saapuminen alueelle (esim. tulokaslajit) saattaa muuttaa ekosysteemin toimintaa ratkaisevasti. Lajit voivat hävitä alueilta tai toisaalta levitä alueille esimerkiksi ilmastonmuutoksen seurauksena. Muuttuva ilmasto ja esimerkiksi muutuvat lämpötilat mahdollistavat lajien leviämisen uusille alueille, jossa ne voivat aiheuttaa häiriöitä alueen alkuperäiselle lajistolle. Toisaalta muuttuva ilmasto voi myös kaventaa jonkin lajin levinneisyysaluetta. Hyvä esimerkki tästä on jääkarhu, jonka elinala pienenee koko ajan sitä mukaa kun lämpötilat nousevat ja napajäätiköt sulavat. Vastaavalla tavalla metsäekosysteemi voi muuttua sopimattomaksi jollekin metsän lajille ilmastonmuutoksen myötä.

Lajien häviäimisen tai lisääntymisen lisäksi metsäekosysteemin tasapainoa voi häiritä moni muukin tekijä. Esimerkiksi ihmisen toiminta tai erilaiset luonnonkatastrofit voivat järkyttää metsän luonnollista toimintaa ja aiheuttaa muutoksia ekosysteemin toimintaan. Myös ilmastonmuutos voi häiritä ekosysteemin toimintaa. Repokalliossa ihmisen toiminta on läsnä melko voimakkaasti ulkoilun muodossa ja läheisten valtateiden liikennepäästöinä ja herkimmät lajit ovat alueella ehkä ihmisen toiminnasta jo kärsineet tai tulevat tulevina vuosina kärsimään. 

Ihmisten on kuitenkin mahdollista vaalia luonnon monimuotoisuutta monin eri tavoin. Monimuotoisuutta lisää esimerkiksi eri luontotyyppien suojeleminen ja säilyttäminen (esim. lehdot, letot, vanhat metsät). Metsien monimuotoisuutta lisää myös lahopuun määrä. Lahopuun määrää metsissä voi lisätä jättämällä kaatuneet puut lahomaan maahan sen sijaan, että ne korjataan pois.

Lähteet:  
https://sites.google.com/site/vanamotiimi/aineen-ja-energian-kulku-ekosysteemissae
http://virtuoosi.pkky.fi/metsaverkko/metsaekologia/ekologia2.htm

Repokallion selkärangattomat

Kaikkien ryhmien havainnot yhteenlaskettuna

Keräsimme selkärangattomia haavin avulla. Selkärangattomia tarkasteltiin mikroskoopin avulla ja määrityksessä käytettiin apuna määrityskaavaa. Eniten Repokalliosta löytyi hämähäkkejä (26) ja vähiten muurahaisia (1) ja verkkosiipiäisiä (1). Petoja löytyi enemmän kuin kasvinsyöjiä. Kasvimassa oli eläinmassaa huomattavasti suurempi.

Repokalliosta löytämämme hämähäkki. Sen erottaa hyönteisistä sen 4 jalkaparia (hyönteisillä vain 6) ja kaksiosainen ruumis (hyönteisillä kolmiosainen). Kuvassa näkyvät hyvin myös hämähäkin vahvat leuat.

Tässä kuvassa on loispistiäinen, joka kuuluu hyönteisiin. Voit nähdä sen selvästi erottuvat, läpikuultavat lenninsiivet.

 

Repokallion kasvinsyöjiä ovat sääsket, kaskaat, luteet (osa myös petoja), kärpäset, kotilot ja perhosentoukat. Ne toimivat ekosysteemin tuottajina eli tuottavat yhteyttämällä happea ja sokeria sekä toimivat ravintona pedoille. Petoja havaituista selkärangattomista ovat kovakuoriainen, hämähäkki, loispistiäinen, sääski ja muurahainen. Niiden tehtävä on
säädellä ekosysteemin populaation kokoa. Hajottajia puolestaan ovat hyppyhäntäiset ja verkkosiipiset. Ne siirtävät ravinteita takaisin tuottajien käyttöön eikä aine kiertäisi ekosysteemissä ilman niitä.

Kuvassa kaskas, joka kuuluu kasvinsyöjiin.

Tässä on hyppyhäntäinen. Se toimii ekosysteemissä hajottajana eli palauttaa ravinteet takaisin tuottajien käyttöön.

Repokallion kasvit

Kasviruutuanalyysin tulokset

Sormipaisukarpeiden kasviruutu Repokalliossa

Repokallion kasvillisuuden pohjakerros koostuu erilaisista sammaleista. Yleisimmät sammallajit alueella ovat kasviruutututkimuksemme mukaan karhunsammal (peittävyyskeskiarvo 27,5 %) ja seinäsammal (peittävyysprosentti 30 %). Meidän ryhmämme kasviruudussa suurin peittyvyys oli karhunsammaleella, joka peitti ruutumme pohjakerroksesta noin 60 %. Ryhmien kasviruutujen välillä esiintyi kuitenkin eroavaisuuksia sammallajien peittävyydessä. Kynsisammalta ja kerrossammalta esiintyi esimerkiksi vain kahden ryhmän kasviruudussa. Kerrossammaleen keskimääräinen peittävyysprosentti oli kohtuullisen suuri vaikka sitä esiintyi ainoastaan kahden ryhmän ruudussa.

                                  

Repokallion kenttäkerros koostuu pääasiassa varvuista. Mustikka ja puolukka ovat alueen selkeät valtakasvit. Puolukkaa esiintyi tasaisesti jokaisen ryhmän kasviruuduissa. Mustikkaa esiintyi myös jokaisen ryhmän ruudussa, mutta sen peittävyys vaihteli huomattavasti enemmän ryhmien välillä. Kevätpiipon, metsätähden, maitikan ja kanervan peittävyyskeskiarvo on aiempiin kasveihin verrattuna huomattavasti alhaisempi. Puolestaan metsälauhaa esiintyi jokaisen ryhmän ruudussa, mutta sen kollektiivinen peittävyys oli kuitenkin alhainen.

Alueen valinnalla ja sen olosuhteilla on suuri merkitys kasviruudun pohja- ja kenttäkerrosten koostumukseen.

Seinäsammal

Ryhmämme nimikkojäkälä eli sormipaisukarve

Puolukka

Mitkä tekijät vaikuttavat kasvien esiintymiseen ja levinneisyyteen?

Merkittävin tekijä, joka vaikuttaa kasvien esiintymiseen ja levinneisyyteen on ilmasto - erityisesti lämpötila, auringon valo, varjo ja kosteus.  Kasvit sopeutuvat elämään erilaisissa valo-olosuhteissa. Toiset kasvit viihtyvät paremmin auringossa ja toiset varjoisimmissa olosuhteissa. Varjossa kasvavat vaativat yleensä kosteamman kasvualustan ja pyrkivät usein kasvamaan korkeutta. Varjossa elävien kasvien kukinta on yleensä vaatimattomampaa, mutta ne kasvavat kuitenkin suhteellisen rehevästi. Sammaleet viihtyvät esimerkiksi varjoisilla alueilla ja puolukka auringossa ja kuivalla alueella. 

Repokallion tutkimusalueemme sijaitsi kuivassa kangasmetsässä. Maa on alueella karuhkoa, joten kasvit jäävät yleensä pienikokoisiksi. 

Puustonmittaus

Puuston pinta-alaa mittasimme käyttämällä relaskooppia. Repokallion metsän puuston keskimääräinen pinta-ala on 13,8 m3.

Kuvassa Riika ja relaskooppi

Repokalliossa jokainen ryhmä mittasi yksittäisen puun korkeuden, ympärysmitan ja tilavuuden. Ryhmien tulosten keskiarvoa vääristää se, että ryhmät todennäköisesti mittasivat tietonsa eri puista. Puun korkeuden keskiarvoksi muodostui 17,2 metriä. Tämä mittaustulos saatiin käyttämällä kaatomenetelmää. Puiden keskimääräinen läpimitta oli 24,66 cm ja tilavuus on 0,44.

Repokallion maaperä

Tutkimme Repokallion maaperää erilaisilla kokeilla ja määritimme muun muassa maalajin sekä muutamia sen ominaisuuksia.

Maaperän happamuus

Mittasimme Repokallion maaperän eri kerrosten pH-pitoisuutta pH-mittarilla. Koeputkien näytteet vasemmalta oikealle: pohjamaa, rikastumiskerros, huuhtoutumiskerros, humuskerros sekä karikekerros.

Maaperä on happamampaa lähellä maanpintaa.

Taulukkossa on esitetty jokaisen ryhmän laskemien pH-arvojen keskiarvo, mikä lisää tuloksen luotettavuutta. Kuten taulukosta käy ilmi, Repokallion maaperä on hapanta ja happamuus lisääntyy maan pintaa kohti mentäessä. Tämä ilmiö on selitettävissä muun muassa sillä, että Repokalliolla valtapuuna on mänty. Havupuiden neulasten tippuessa maahan ja sekoittuessa sateveteen, ne synnyttävät humushappoa, joka lisää maaperän happamuutta. Myös liikenteen rikki- ja typpipäästöt lisäävät maaperän happamuutta. Tutkimamme alueen lähellä on runsaasti liikennettä, joten myös se liikenteen aiheuttamat päästöt voivat osaltaan olla syynä maaperän happamuuteen.

Maaperän liiallinen happamuus vaikeuttaa alueen kasvien ravinteiden ottoa maasta. Happamassa maassa magnesiumin, kalsiumin ja kaliumin määrä vähenee, jolloin kasvien ravinteet huuhtoutuvat helpommin pois. Myös haitalliset raskasmetallit lisääntyvät happamassa maaperässä. Esimerkiksi alumiini, joka on kasveille myrkyllinen, liukenee helpommin happamassa maassa.

Maan huokoisuus eli ilmavuus

Tutkimme happamuuden lisäksi myös Repokalliolta otetun maaperänäytteen huokoisuutta eli ilmavuutta.

 Tutkimusalueemme maaperän huokoisuus on 24 %. Tuloksen perusteella maa on huokoista. Mitä suurempi maa-aineksen raekoko on, sitä huokoisempaa se on. Maan ilmavuus on tärkeää esimerkiksi alueen kasveille, sillä vesi ja ravinteet jäävät maa-aineksen rakoihin, jolloin ne ovat paremmin kasvien juurten saatavilla.

      Maan vedenpidätyskyky

Mittasimme maa-aineksen vedenpidätyskykyä kostutetun suodatinpaperin avulla. Kaadoimme maa-aineksen ja suodatinpussin läpi 20 ml vettä ja loppujen lopuksi läpi valuneen veden määrä oli 16 ml. Tämän tuloksen perusteella maanäytteen pidätysprosentiksi tuli 20. Tulosten perusteella voimme päätellä maan vedenpidätyskyvyn olevan huono. Maa pidättää vettä sitä paremmin, mitä pienempi on sen raekoko. Kuten aikaisemmassa tutkimuksessa kävi ilmi, tutkimamme maa-aines on huokoista ja sen raekoko on suuri. Maaperän huono vedenpidätyskyky hankaloittaa alueen kasvien veden ja ravinteiden saantia maasta. Heikko vedenpidätyskyky vaikuttaa myönteisesti alueen pohjavesitilanteeseen, sillä maa-aines sitoo itseensä vettä huonosti, jolloin vesi pääsee valumaan maaveden alapuolelle ja kertyy sinne pohjavedeksi.

       Maalaji ja maannos

Seuloimme ottamaamme maaperänäytettä ja pyrimme selvittämään tutkimusalueemme maalajin. 

Seulomisessa käyttämiämme välineitä.

Maaperänäytteemme pohjamaan aloituspaino oli 313 grammaa.

Seulomisessa siivilöimme pohjamaata erikokoisten siivilöiden avulla ja mittasimme, kuinka suuri osa sitä jäi minkäkin kokoiseen seulaan.

Maaperänäytteestä jäi isoimpaan seulaan soraa ja kiviä.

Pohjamaasta erottunutta hienointa ainesta eli hietaa, joka läpäisi pienimmänkin seulan.

Saamiemme tulosten perusteella tutkimusalueemme maaperä on moreenia, sillä se sisälsi maa-ainesta aina hienosta hiedasta karkeaan soraan.

Moreeni on kivennäismaalaji ja se on syntynyt jääkaudella mannerjään irrottaessa kallioperästä ainesta ja kuljettaessa sitä mukanaan. Kulkeutuessaan maa-aines kului ja muuttui hienommaksi. Lopulta jään sulaessa maa-aines jäi kallioperän päälle ja sekoittui jo ennen jääkautta kallioperässä olleisiin maa-aineksiin.

Repokallion maannos on podsolia, joka on tyypillistä Suomen kylmänlauhkealle havumetsävyöhykkeelle.

Repokallion valo- ja lämpöolosuhteet

Jokainen ryhmä mittasi lämpötilan digitaalisella lämpömittarilla muutamasta eri pisteestä tutkimusaueellamme. Jokainen pienryhmä laski keskiarvon omista mittauksistaan ja näistä keskiarvoista laskettiin vielä koko ryhmän keskiarvo, joka oli 17,36 astetta. Lämpötilat vaihtelivat tutkimusalueen eri osissa ja tuloksen luotettavuutta lisää se, että kaikkien ryhmien saamista tuloksista laskettiin keskiarvo. Yhden ryhmän saama alhainen tulos (13 astetta) hieman kummastuttaa, mutta se voisi selittyä esimerkiksi sillä, että ryhmä on ottanut kaikki mittauksensa varjoisissa paikoissa, joissa lämpötila on aurinkoisia paikkoja alhaisempi.

Pienryhmien mittaamat lämpötilojen keskiarvot. Koko ryhmän keskiarvoksi saatiin 17,36 astetta.

Valoisuusprosenttia mittasimme arvioimalla latvuspeittävyyttä. Tutkimusvälineenä käytimme tyhjää vessapaperirullaa. Rullan avulla piti katsoa suoraan ylöspäin satunnaisessa kohdassa tutkimusaluetta ja arvioida, kuinka monta prosenttia rullan päästä näkyvästä alueesta on latvojen peitossa.

Latvuspeittävyyden arviointia vessapaperirullan avulla.

Jokainen ryhmä antoi oman arvionsa ja jälleen ryhmien tuloksista laskettiin koko ryhmän yhteinen keskiarvo, joka oli 60 %.

Ryhmien keskiarvoksi valoisuusprosentille tuli 60 %

Eri ryhmien mittausten välillä oli melko suuriakin eroja. Yksi ryhmä sai valoisuusprosentiksi 35 %, kun toisen ryhmän arvio oli 85 %. Jokaisen ryhmän saama tulos perustuu pelkästään silmämääräisesti tehtyyn arviointiin, mikä voi osaltaan selittää suurta vaihtelua eri ryhmien tulosten välillä. Kaikkien ryhmien tuloksista laskettiin kuitenkin keskiarvo, joka on luotettavampi kuin yhdenkään ryhmän yksittäinen arvio peittävyydestä. Vaihteluita voi osaltaan selittää myös puuston epätasainen jakautuminen tutkimusalueella: jossakin toisessa kohdassa peittävyys on paljon suurempi kuin jossakin toisessa kohdassa.

Yleiskuvaus Repokallion tutkimusalueesta

Repokallion kaupunkimetsäinen virkistysalue sijaitsee Joensuun Hukanhaudassa, Imatrantien ja Ilomantsintien risteyksen tuntumassa. Tämän takia liikenteen melu kuuluu alueelle melko hyvin.  Alueella on paljon luontopolkuja sekä pururata.

Tutkimusalueemme metsätyyppi on kuiva kangasmetsä, jonka valtapuulaji on mänty.