Publication Date:
2021-02-04
Description:
Pollen are widespread and abundant microspores that are resistant against decay. Their frequent appearance in climate archives gives the opportunity to study vegetation cover changes and past environmental characteristics. Morphology-based pollen analysis focus on the taxonomic identification of pollen grains extracted out of sediment cores or other archives. The prime advantage of this approach is a worldwide applicability enabling temperature and precipitation reconstructions through quantitative methods. Stable isotope analysis is another approach using pollen in climate studies. Due to the immediate physiological responses of plants to environmental change, isotope values of pollen potentially provide high-resolution palaeoclimate information. Because this method for studying environmental changes is still in the need of a general assessment of its spectrum of applicability and limitations, this thesis focusses mainly on preliminary investigations of species-specific pollen-isotope variability and applicability in environmental studies. A case study of climate and vegetation reconstruction on the north-eastern Qinghai-Tibetan Plateau using classical morphology-based palynology is included in this dissertation as a first research topic. Pollen assemblages extracted out of the Daotang Pond record reveal environmental changes over the last 1200 years.The Medieval Warm Period occurred on the Qinghai-Tibetan Plateau between CE 850 and 1400. This climate anomaly was accompanied by regular East Asian Summer Monsoon penetrations and moisture input from the eastern lowland. Dry spells with diminished precipitation during the Medieval Warm Period are detectable out of the deposited pollen assemblages, but they have not been as severe as reported from other regions on the Qinghai-Tibetan Plateau. This is most likely caused by a humid micro-climate in the vicinity of the Qinghai Lake drainage basin. Features of the Little Ice Age (CE 1450 to 1950) can also be traced by analysing the pollen assemblages of the samples. Although the Little Ice Age is characterized by a weakened East Asian Summer Monsoon, the pollen record does not display a particularly dry environment during this time period, probably due to generally lower temperatures and diminished evapotranspiration. However, long distance transport of pollen is known to falsify pollen assemblages and its impact on the reconstruction of past environmental conditions cannot be ruled out. Additionally, the Qinghai-Tibetan Plateau is a pastoral region and its vegetation composition has been affected by grazing herds, diminishing the climate information which can be drawn from a quantitative morphology-based pollen analysis. The second part of this dissertation focusses on comprehensive investigations about species-specific isotope variability of modern pollen to promote the application of isotope analysis of fossil pollen in palaeoclimate reconstructions. Modern pollen of nine abundant tree species were sampled during the consecutive vegetation periods of 2015 and 2016 in seven national and nature parks in central and northern Europe. The investigation of various non-climate impact factors on the pollen-isotopes helps to assess sampling strategies in future studies and supports the interpretation of fossil pollen-isotope values. The results suggest that each species has specific δ13C and δ18O patterns and ranges within their pollen-isotope values and their spectra reveal gradients between maritime and continental study sites. The altitudinal effect, an increase in the isotope values with elevation, can be traced within the δ13C but not within the δ18O values of Picea abies pollen. The δ13Cpollen and δ18Opollen values of broad-leaved species flowering before leaf proliferation (January to March) were significantly lower than the isotope values of broad-leaved trees flowering later in spring (April to May). Pollen-isotope values of early flowering species are believed to reflect environmental conditions of the previous autumn and winter, whereas the isotope values of spring-flowering species reflect conditions of the ongoing season after the reoccurrence of growth. These findings indicate, that seasonal weather reconstructions using pollen-isotope values of different species are feasible. Pollen-isotope values of all species varied within the sampling sites. They even varied significantly between different flower positions on a tree and also within single branches. The circumferential variability within trees was up to 3.5‰ for δ13Cpollen and 2.1‰ for δ18Opollen. Species-specific pollen-isotope variation between the two consecutive years was on average 1.0‰ for δ13C and 1.6‰ for δ18O and oxygen pollen-isotopes even changed significantly during the last stages of pollen maturation. Regarding palaeoclimate investigations, these results emphasize the need for a taxonomic separation of fossil pollen and the analysis of a sufficient amount of pollen material to avoid interpretation errors due to outliers caused by flowering positions or an unusual origin of the pollen. A chemical purification protocol of modern and fossil pollen samples needs to be established to advance reproducibility of the analytical results when fossil pollen-isotopes are used to reconstruct climate conditions. Therefore, the impact of four chemicals on the δ13C and δ18O values of modern pollen sampled from eight abundant tree species were assessed and evaluated. The results suggested species-specific alterations of the pollen-isotope values. Potassium hydroxide, hydrofluoric acid and sodium hypochlorite alter the carbon and oxygen isotope values of pollen to an assessable degree and therefore their usage to purify pollen samples can be rated as unproblematic in future palaeoclimate studies. The application of sulfuric acid on the other hand should generally be avoided, because the chemical alters the δ13Cpollen and δ18Opollen values with a highly variable offset. The outcome of the comprehensive research on pollen-isotope variability and influencing factors is a contribution towards a regular usage of stable isotope analysis of pollen in palaeoecological investigations. Open research questions on the topic of amplifying pollenisotope analysis in palaeoclimate research remain. An actual application of the method requires additional analytical tests, in particular an improved separation technique to extract fossil pollen using a minimal amount of chemicals. Also, the determination of important climatological impact factors defining the carbon and oxygen isotope values of pollen is necessary. The possibility to use multiple approaches of fossil pollen to reconstruct climate conditions of the past is valuable and worthy of further intensive investigations. Pollen sind weit verbreitete, zahlreich vorhandene und sehr resistente Mikrosporen. Ihr häufiges Auftreten in Klimaarchiven bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Vegetationsdecke und vergangene Umweltmerkmale zu untersuchen. Morphologie-basierte Pollenanalysen konzentrieren sich auf die taxonomische Identifizierung von Pollenkörnern, die aus Sedimentbohrkernen oder anderen Archiven extrahiert wurden. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist eine weltweite Anwendbarkeit, die verlässliche Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen durch etablierte quantitative Methoden ermöglicht. Die Analyse stabiler Isotope ist ein weiterer Ansatz, bei dem Pollen in Klimastudien verwendet werden können. Aufgrund der unmittelbaren physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Umweltveränderungen können Isotopenwerte von Pollen hochauflösende Paläoklimainformationen liefern. Da diese neuere Methode zur Untersuchung von Umweltveränderungen noch einer generellen Einschätzung ihres Anwendungsspektrums und ihrer Grenzen bedarf, konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf Voruntersuchungen zur artspezifischen Pollenisotopenvariabilität und Anwendbarkeit in Umweltstudien. Eine Fallstudie zur Klima- und Vegetationsrekonstruktion auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau unter Verwendung der klassischen Morphologie-basierten Palynologie ist als erstes Forschungsthema in dieser Dissertation enthalten. Die wechselnde Zusammensetzung der Pollentypen, die aus den Proben des Daotang Ponds extrahiert wurden, zeigen die Umweltveränderungen der letzten 1200 Jahre auf dem nord-östlichen Qinghai-Tibetischen Plateau. Die mittelalterliche Warmzeit fand in der Region zwischen 850 und 1400 n. Chr. statt. Diese Klimaanomalie ist am Daotang Pond gekennzeichnet von regelmäßigen Einbrüchen des ostasiatischen Sommermonsuns und Feuchtigkeitseinträgen aus dem östlichen Tiefland. Trockenperioden mit vermindertem Niederschlag während des mittelalterlichen Klimaoptimums sind aus den abgelagerten Pollenansammlungen nachweisbar, aber sie waren nicht so schwerwiegend wie in anderen Regionen auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau, was vermutlich auf ein bestehendes feuchtes Mikroklima durch den nahegelegenen Qinghai See zurückzuführen ist. Die Kleine Eiszeit (1450 bis 1950 n. Chr.) kannauch durch die Morphologie-basierte Analyse der Pollenansammlungen in den Daotang Proben zurückverfolgt werden. Obwohl die Kleine Eiszeit durch einen abgeschwächten ostasiatischen Sommermonsun gekennzeichnet ist, zeigt der Pollenflug in diesem Zeitraum keine besonders trockene Umgebung. Vermutlich war in der Region aufgrund allgemein niedrigerer Temperaturen auch die Evapotranspiration deutlich vermindert. Es ist jedoch bekannt, dass der Langstreckentransport von Pollen die Pollenansammlungen verfälscht, und sein Einfluss auf die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen kann nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus ist das Qinghai-Tibetische Plateau eine Hirtenregion und die Vegetationszusammensetzung wurde stark durch weidende Herden beeinträchtigt, wodurch die Klimainformationen, die aus einer quantitativen Morphologie-basierten Pollenanalyse gewonnen werden können, vermindert sind. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf umfassende Untersuchungen zur artspezifischen Isotopenvariabilität moderner Pollen, um die Anwendung der Isotopenanalyse fossiler Pollen bei Paläoklima-Rekonstruktionen zu fördern. In sieben National und Naturparks in Mittel- und Nordeuropa wurden während zwei aufeinanderfolgender Vegetationsperioden 2015 und 2016 moderne Pollen von neun weit verbreiteten Baumarten beprobt. Die Untersuchung verschiedener nicht-klimatischer Einflussfaktoren auf die Pollenisotope hilft bei der Beurteilung von Beprobungsstrategien in zukünftigen Studien und unterstützt die Interpretation der Isotopenwerte fossiler Pollen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass jede Art spezifische 13C- und 18O-Muster und Spannweiten innerhalb ihrer Pollenisotopenwerte aufweist und ihre Spektren zeigen Gradienten zwischen maritimen und kontinentalen Untersuchungsgebieten. Der Höheneffekt, eine Zunahme der Isotopenwerte mit der Höhe über NN, kann innerhalb der δ13C-, aber nicht innerhalb der δ18O-Werte von Picea abies Pollen nachgewiesen werden. Die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte von Laubbaumarten, die vor dem Blattaustrieb blühten (Januar bis März), waren signifikant niedriger als die Isotopenwerte von Laubbäumen, die später im Frühjahr blühen (April bis Mai). Man geht davon aus, dass die Pollenisotopenwerte früh blühender Arten die Umweltbedingungen des vorangegangenen Herbstes und Winters widerspiegeln, während die Isotopenwerte anderer Arten die Bedingungen der laufenden Saison nach dem Wiederauftreten des Wachstums aufzeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass saisonale Wetterrekonstruktionen mit den Pollenisotopenwerten verschiedener Arten durchführbar sind. Die Pollenisotopenwerte aller Arten variierten innerhalb der Sammelorte, und sie variierten auch signifikant zwischen verschiedenen Blütenpositionen an einem Baum und sogar innerhalb eines einzelnen Zweiges. Die zirkumferentielle Variabilität betrug bis zu 3.5‰ für δ13Cpollen und 2.1‰ für δ18Opollen. Die artenspezifische Pollenisotopenvariation zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Jahren betrug durchschnittlich 1.0‰ für δ13C und 1.6‰ für δ18O und die Sauerstoffisotopenwerte änderten sich sogar signifikant während der letzten Stadien der Pollenreifung in der Blüte. Im Hinblick auf paläoklimatische Untersuchungen unterstreichen diese Ergebnisse die Notwendigkeit einer taxonomischen Trennung fossiler Pollen und der Analyse einer ausreichenden Menge an Pollenmaterial, um Interpretationsfehler als Folge von Ausreißern aufgrund der Blühposition oder einer ungewöhnlichen Herkunft der Pollen zu vermeiden. Ein standardisiertes chemisches Aufbereitungsprotokoll für moderne und fossile Pollenproben ist notwendig um die Reproduzierbarkeit der analytischen Ergebnisse zu verbessern, wenn fossile Pollenisotope zur Rekonstruktion der Klimabedingungen verwendet werden. Daher wurden die Auswirkungen von vier Chemikalien auf die δ13C- und δ18O-Werte moderner Pollenproben von acht häufig vorkommenden Baumarten untersucht und bewertet. Die Ergebnisse deuteten auf artspezifische und substanzspezifische Veränderungen der Pollenisotopenwerte hin. Kaliumhydroxid, Flusssäure und Natriumhypochlorit verändern die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen in einem abschätzbaren Maße, sodass ihre Verwendung zur Aufbereitung von Pollenproben in zukünftigen Paläoklimastudien als unproblematisch eingestuft werden kann. Der Einsatz von Schwefelsäure hingegen sollte generell vermieden werden, da die Chemikalie die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte mit einem sehr variablen Offset verändert. Das Ergebnis der umfangreichen Forschung zur Pollen-Isotopenvariabilität und zu deren Einflussfaktoren ist ein Beitrag zu der zukünftigen etablierten Anwendung der stabilen Isotopenanalyse von Pollen in paläoökologischen Untersuchungen. Offene Forschungsfragen zur Pollenisotopenanalyse in der Paläoklimaforschung bleiben bestehen. Eine tatsächliche Anwendung der Methode erfordert zusätzliche analytische Tests, insbesondere eine verbesserte Trenntechnik zur Extraktion fossiler Pollen mit einem minimalen Chemikalieneinsatz. Auch die Bestimmung wichtiger klimatologischer Einflussfaktoren, die die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen definieren, ist notwendig. Die Möglichkeit, mehrere Methoden zur Analyse fossiler Pollen für eine Rekonstruktion von Klimabedingungen anwenden zu können, ist wertvoll. Daher verdient das Vorranbringen der Pollenisotopie-Methode weitere intensive Untersuchungen.
Description:
Pollen sind weit verbreitete, zahlreich vorhandene und sehr resistente Mikrosporen. Ihr häufiges Auftreten in Klimaarchiven bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Vegetationsdecke und vergangene Umweltmerkmale zu untersuchen. Morphologie-basierte Pollenanalysen konzentrieren sich auf die taxonomische Identifizierung von Pollenkörnern, die aus Sedimentbohrkernen oder anderen Archiven extrahiert wurden. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist eine weltweite Anwendbarkeit, die verlässliche Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen durch etablierte quantitative Methoden ermöglicht. Die Analyse stabiler Isotope ist ein weiterer Ansatz, bei dem Pollen in Klimastudien verwendet werden können. Aufgrund der unmittelbaren physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Umweltveränderungen können Isotopenwerte von Pollen hochauflösende Paläoklimainformationen liefern. Da diese neuere Methode zur Untersuchung von Umweltveränderungen noch einer generellen Einschätzung ihres Anwendungsspektrums und ihrer Grenzen bedarf, konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf Voruntersuchungen zur artspezifischen Pollenisotopenvariabilität und Anwendbarkeit in Umweltstudien. Eine Fallstudie zur Klima- und Vegetationsrekonstruktion auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau unter Verwendung der klassischen Morphologie-basierten Palynologie ist als erstes Forschungsthema in dieser Dissertation enthalten. Die wechselnde Zusammensetzung der Pollentypen, die aus den Proben des Daotang Ponds extrahiert wurden, zeigen die Umweltveränderungen der letzten 1200 Jahre auf dem nord-östlichen Qinghai-Tibetischen Plateau. Die mittelalterliche Warmzeit fand in der Region zwischen 850 und 1400 n. Chr. statt. Diese Klimaanomalie ist am Daotang Pond gekennzeichnet von regelmäßigen Einbrüchen des ostasiatischen Sommermonsuns und Feuchtigkeitseinträgen aus dem östlichen Tiefland. Trockenperioden mit vermindertem Niederschlag während des mittelalterlichen Klimaoptimums sind aus den abgelagerten Pollenansammlungen nachweisbar, aber sie waren nicht so schwerwiegend wie in anderen Regionen auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau, was vermutlich auf ein bestehendes feuchtes Mikroklima durch den nahegelegenen Qinghai See zurückzuführen ist. Die Kleine Eiszeit (1450 bis 1950 n. Chr.) kannauch durch die Morphologie-basierte Analyse der Pollenansammlungen in den Daotang Proben zurückverfolgt werden. Obwohl die Kleine Eiszeit durch einen abgeschwächten ostasiatischen Sommermonsun gekennzeichnet ist, zeigt der Pollenflug in diesem Zeitraum keine besonders trockene Umgebung. Vermutlich war in der Region aufgrund allgemein niedrigerer Temperaturen auch die Evapotranspiration deutlich vermindert. Es ist jedoch bekannt, dass der Langstreckentransport von Pollen die Pollenansammlungen verfälscht, und sein Einfluss auf die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen kann nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus ist das Qinghai-Tibetische Plateau eine Hirtenregion und die Vegetationszusammensetzung wurde stark durch weidende Herden beeinträchtigt, wodurch die Klimainformationen, die aus einer quantitativen Morphologie-basierten Pollenanalyse gewonnen werden können, vermindert sind. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf umfassende Untersuchungen zur artspezifischen Isotopenvariabilität moderner Pollen, um die Anwendung der Isotopenanalyse fossiler Pollen bei Paläoklima-Rekonstruktionen zu fördern. In sieben National und Naturparks in Mittel- und Nordeuropa wurden während zwei aufeinanderfolgender Vegetationsperioden 2015 und 2016 moderne Pollen von neun weit verbreiteten Baumarten beprobt. Die Untersuchung verschiedener nicht-klimatischer Einflussfaktoren auf die Pollenisotope hilft bei der Beurteilung von Beprobungsstrategien in zukünftigen Studien und unterstützt die Interpretation der Isotopenwerte fossiler Pollen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass jede Art spezifische 13C- und 18O-Muster und Spannweiten innerhalb ihrer Pollenisotopenwerte aufweist und ihre Spektren zeigen Gradienten zwischen maritimen und kontinentalen Untersuchungsgebieten. Der Höheneffekt, eine Zunahme der Isotopenwerte mit der Höhe über NN, kann innerhalb der δ13C-, aber nicht innerhalb der δ18O-Werte von Picea abies Pollen nachgewiesen werden. Die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte von Laubbaumarten, die vor dem Blattaustrieb blühten (Januar bis März), waren signifikant niedriger als die Isotopenwerte von Laubbäumen, die später im Frühjahr blühen (April bis Mai). Man geht davon aus, dass die Pollenisotopenwerte früh blühender Arten die Umweltbedingungen des vorangegangenen Herbstes und Winters widerspiegeln, während die Isotopenwerte anderer Arten die Bedingungen der laufenden Saison nach dem Wiederauftreten des Wachstums aufzeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass saisonale Wetterrekonstruktionen mit den Pollenisotopenwerten verschiedener Arten durchführbar sind. Die Pollenisotopenwerte aller Arten variierten innerhalb der Sammelorte, und sie variierten auch signifikant zwischen verschiedenen Blütenpositionen an einem Baum und sogar innerhalb eines einzelnen Zweiges. Die zirkumferentielle Variabilität betrug bis zu 3.5‰ für δ13Cpollen und 2.1‰ für δ18Opollen. Die artenspezifische Pollenisotopenvariation zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Jahren betrug durchschnittlich 1.0‰ für δ13C und 1.6‰ für δ18O und die Sauerstoffisotopenwerte änderten sich sogar signifikant während der letzten Stadien der Pollenreifung in der Blüte. Im Hinblick auf paläoklimatische Untersuchungen unterstreichen diese Ergebnisse die Notwendigkeit einer taxonomischen Trennung fossiler Pollen und der Analyse einer ausreichenden Menge an Pollenmaterial, um Interpretationsfehler als Folge von Ausreißern aufgrund der Blühposition oder einer ungewöhnlichen Herkunft der Pollen zu vermeiden. Ein standardisiertes chemisches Aufbereitungsprotokoll für moderne und fossile Pollenproben ist notwendig um die Reproduzierbarkeit der analytischen Ergebnisse zu verbessern, wenn fossile Pollenisotope zur Rekonstruktion der Klimabedingungen verwendet werden. Daher wurden die Auswirkungen von vier Chemikalien auf die δ13C- und δ18O-Werte moderner Pollenproben von acht häufig vorkommenden Baumarten untersucht und bewertet. Die Ergebnisse deuteten auf artspezifische und substanzspezifische Veränderungen der Pollenisotopenwerte hin. Kaliumhydroxid, Flusssäure und Natriumhypochlorit verändern die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen in einem abschätzbaren Maße, sodass ihre Verwendung zur Aufbereitung von Pollenproben in zukünftigen Paläoklimastudien als unproblematisch eingestuft werden kann. Der Einsatz von Schwefelsäure hingegen sollte generell vermieden werden, da die Chemikalie die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte mit einem sehr variablen Offset verändert. Das Ergebnis der umfangreichen Forschung zur Pollen-Isotopenvariabilität und zu deren Einflussfaktoren ist ein Beitrag zu der zukünftigen etablierten Anwendung der stabilen Isotopenanalyse von Pollen in paläoökologischen Untersuchungen. Offene Forschungsfragen zur Pollenisotopenanalyse in der Paläoklimaforschung bleiben bestehen. Eine tatsächliche Anwendung der Methode erfordert zusätzliche analytische Tests, insbesondere eine verbesserte Trenntechnik zur Extraktion fossiler Pollen mit einem minimalen Chemikalieneinsatz. Auch die Bestimmung wichtiger klimatologischer Einflussfaktoren, die die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen definieren, ist notwendig. Die Möglichkeit, mehrere Methoden zur Analyse fossiler Pollen für eine Rekonstruktion von Klimabedingungen anwenden zu können, ist wertvoll. Daher verdient das Vorranbringen der Pollenisotopie-Methode weitere intensive Untersuchungen.
Language:
English
Type:
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
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