The Use of Biomarker and Stable Isotope Analyses in Palaeopedology / Reconstruction of Middle and Late Quaternary Environmental and Climate History, with examples from Mt. Kilimanjaro, NE Siberia and NE Argentina

Titelangaben

Zech, Michael:
The Use of Biomarker and Stable Isotope Analyses in Palaeopedology / Reconstruction of Middle and Late Quaternary Environmental and Climate History, with examples from Mt. Kilimanjaro, NE Siberia and NE Argentina.
Bayreuth , 2006
( Dissertation, 2007 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Palaeosols are important terrestrial archives for the reconstruction of the Quaternary landscape and climate history. In order to derive reliable information from these archives about sedimentation, vegetation and climate history, various methods and proxies are traditionally applied, e.g. texture analysis, numeric dating methods and mineral analysis. The aim of this dissertation is to evaluate the potential of biomarker and stable isotope analyzes. Specifically, I focused on plant leaf wax-derived n-alkanes, amino acid enantiomers, stable carbon and nitrogen isotopes (d13C and d15N) in bulk soil organic matter (SOM) and on compound-specific isotope analysis (CSIA) of n-alkanes. The respective methods were partly optimized and then applied in multi-proxy analytical approaches to three selected palaeosol records, representing different ecological environments. In all three study areas, long-chain n-alkane ratios, nC31/nC27 and (nC31+nC29)/nC27, respectively, proved to be straightforward biomarker proxies for the reconstruction of the terrestrial palaeovegetation at plant community level (especially grasses and herbs versus trees). Short- and mid-chain n-alkanes (nC17–nC19 and nC20–nC25, respectively) were successfully used for detecting algal- and aquatic macrophyte-derived organic matter (OM) in the sediment core Arg. D4. Amino acid enantiomers as nitrogen (N) biomarkers allowed a further characterization of the SOM in the Tumara Palaeosol Sequence: On the one hand, the depth functions of D/L-aspartic acid (Asp) and D/L-lysine (Lys) could be roughly described by exponential fits, reflecting SOM aging. On the other hand, brown interglacial/-stadial palaeosols generally revealed higher D/L-ratios than dark gray glacial palaeosols. This finding suggests that D/L-aspartic acid and D/L-lysine may serve as palaeotemperature proxies. In the Arg. D4 record, d13C varied in a wide range (from -30.1‰ to -17.4‰), indicating C3-C4 vegetation changes and hence allowing a reconstruction of the palaeovegetation. However, the natural abundance of 13C was no straightforward proxy for the interpretation of the palaeosol sequences on Mt. Kilimanjaro and in the Tumara Valley. There, the interpretation of smaller d13C variations – assumed to be independent of C3-C4 vegetation changes – needed multi-proxy analytical approaches for disentangling the various possibly influencing environmental factors: On Mt. Kilimanjaro, d13C is higher in palaeosols, which developed under ericaceous vegetation (~ -25‰) compared to those developed under tropical montane forests (~ -27‰), suggesting that such vegetation changes are responsible for the observed d13C pattern. In the Tumara Palaeosol Sequence, d13C correlates negatively with total organic carbon (TOC) and TOC/N. As both parameters may serve as proxies for SOM decomposition, it is assumed that degradation processes have contributed significantly to this d13C record. Furthermore, also changing water stress conditions for the plants could have played a crucial role for d13C in the Tumara Palaeosol Sequence. In contrast to d13C, d15N in the Tumara Palaeosol Sequence does not correlate with any of the other SOM characterizing parameters (TOC, TOC/N and d13C). Although other processes than SOM decomposition like (i) denitrification, (ii) N fixation, (iii) N losses by frequent fire events, and (iv) changes in the atmospheric 15N deposition are discussed as factors contributing to an open N cycle, d15N in the Tumara Palaeosol Sequence seems not to be a straightforward proxy. The compound-specific d13C analysis (CSIA) of n-alkanes was optimized and applied to selected samples from the Arg. D4 record. The highly significant correlations of the compound-specific isotope results with bulk d13C corroborate the reliability of the d13C vegetation proxy. Furthermore, the increasing d13C amplitudes from nC27 to nC33 validate the origin of these biomarker molecules, with nC27 and nC29 mainly deriving from C3 trees and shrubs and nC31 and nC33 mainly deriving from C3 or C4 grasses and herbs. Eventually, the multi-proxy analytical approaches (including the innovative biomarker and stable isotope analyzes) enabled detailed reconstructions of the Middle and Late Quaternary palaeoenvironmental changes in the three study areas: Accordingly, the deep black palaeosols on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro reflect periods of climatic deterioration during the Last Glacial Maximum (LGM) and the Late Glacial, which coincided with a descent of the ericaceous vegetation belt. The palaeopedologic findings from the Tumara Palaeosol Sequence suggest that the dark gray and brown stratigraphic units of this record describe alternating glacial and interglacial/-stadial periods during the last ~240 ka. The stratigraphic units of the Arg. D4 record were correlated with climatic events on the Bolivian Altiplano and discussed in terms of an intensified palaeo-South American Summer Monsoon (SASM).

Abstract in weiterer Sprache

Paläoböden sind wichtige terrestrische Archive zur Rekonstruktion der quartären Landschafts- und Klimageschichte. Dazu werden sie konventionellerweise z.B. mittels Texturanalyse, Elementaranalyse, Tonmineralanalyse, Mikromorphologie und numerischen Datierungen untersucht. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es zu prüfen, ob innovative Methoden wie die Biomarker- und Stabilisotopen-Analytik wesentliche zusätzliche Informationen für die Interpretation von Paläoböden liefern können. In meiner Arbeit konzentrierte ich mich insbesondere auf pflanzenwachsbürtige Alkane, Aminosäure-Enantiomere, stabile Kohlenstoff- und Stickstoffisotope in der Feinerde (d13Corg und d15N) und auf die substanzspezifische Isotopenanalyse von Alkanen. Mit diesen Methoden untersuchte ich Paläoböden aus drei verschiedenen Klimazonen. In allen drei Untersuchungsgebieten erwiesen sich die Quotienten langkettiger Alkane (nC31/nC27 und (nC31+nC29)/nC27) als geeignete Biomarker Proxies, die insbesondere eine deutliche Unterscheidung von Grass- und Gehölzgesellschaften ermöglichten. In der „borealen“ Paläoboden-Sequenz untersuchte ich Aminosäure Enantiomere als Stickstoff- (N-)Biomarker. Es zeigte sich, dass die D/L-Verhältnisse der Asparaginsäure und des Lysins annähernd exponentiell mit zunehmender Tiefe weiter werden, was auf den Alterungsprozess der organischen Bodensubstanz zurückzuführen ist. Zum anderen waren die D/L-Verhältnisse in den als „warmzeitlich“ interpretierten braunen Paläoböden stets weiter (temperaturbedingten beschleunigten Razemisierung) als in den „kaltzeitlichen“ Paläoböden. Im „subtropischen“ Bohrkern Arg. D4 variierte d13Corg eindeutig zwischen den für C3-und C4-Pflanzen typischen Werten (~ -27‰ und ~ -14‰). Aus paläobotanischer Sicht ist dies ein klarer Beleg für den Wechsel von Gehölz- (und evtl. C3-Gras-)fluren und Grassavannen (und evtl. CAM-Pflanzen). Dagegen dürften Änderungen des Photosyntheseweges in den hochgelegenen (> 2000 m ü. NN) Paläoboden-Sequenzen am Kilimandscharo und in NO-Sibirien keine wesentliche Rolle für die dort gemessenen kleineren Schwankungen in der natürlichen Isotopenhäufigkeit gespielt haben. Die geringfügig positiveren d13Corg -Werte in den unter Ericaceaen-Vegetation (im Vergleich zur Bergregenwaldvegetation) entstandenen schwarzen Paläoböden am Kilimandscharo belegen die Tieferwanderung des Ericaceaen-Gürtels während kalter Klimate. In der NO-sibirischen Paläoboden-Sequenz korreliert d13Corg negativ mit dem Gesamtkohlenstoff (TOC) und mit dem TOC/N-Verhältnis (R=-0,70 bzw. R=-0,71). Da letztere die unterschiedlich starke Degradation der organischen Bodensubstanz widerspiegeln, liegt es nahe, auch die Variationen der d13Corg-Werte mit unterschiedlich starker Humusdegradation zu erklären. Nicht auszuschließen ist, dass die geringfügigen Schwankungen der d13Corg-Werte in diesen Paläoböden auch durch Wasserstress im Zusammenhang mit Trockenperioden beeinflusst sind. Im Gegensatz zu d13Corg korreliert d15N in der NO-sibirischen Paläoboden-Sequenz mit keinem anderen organischen Parameter (TOC, TOC/N and d13Corg). Eine eindeutige paläoökologische Interpretation der d15N-Befunde war nicht möglich, obwohl ich jene Prozesse, die maßgeblich die natürliche Isotopenhäufigkeit beeinflussen können, in Betracht zog. Dazu zählen: N-Mineralisation, Denitrifikation, N-Fixierung, N-Verluste durch Feuerereignisse und atmosphärische N-Deposition. Die substanzspezifische Stabilkohlenstoff-Analytik für n-Alkane wurde optimiert und auf ausgewählte Proben des Arg. D4-Bohrkerns angewandt. Die d13C-Werte der pflanzenbürtigen Alkane korrelierten hochsignifikant mit d13Corg. Dies bestätigt, dass d13Corg in dieser „subtropischen“ Paläoboden-Sediment-Abfolge sich bestens für die Rekonstruktion der Paläovegetation eignet. Darüber hinaus verifizieren die von nC27 bis nC33 zunehmenden d13C Amplituden die Herkunft dieser Biomarker Moleküle; während nC27 und nC29 hauptsächlich von C3-Bäumen und Sträuchern stammen, haben nC31 und nC33 ihren Ursprung hauptsächlich in C3- oder C4-Gräsern und Kräutern. In Verbindung mit den Ergebnissen weiterer analytischer Methoden tragen die Biomarker- und Stabilkohlenstoff-Isotopenergebnisse wesentlich zur Rekonstruktion und zum besseren Verständnis der mittel- und spätquartären Landschaftsgeschichte in den drei Untersuchungsgebieten bei: Die tiefschwarzen Paäoböden an den Südhängen des Kilimandscharo spiegeln Phasen der Klimaverschlechterung während des letzten globalen Temperaturminimums (LGM) und des Spätglazials wider. Die Ergebnisse aus NO Sibirien lassen vermuten, dass die Abfolge dunkelgrauer und brauner Paläoböden in der Tumara-Paläoboden-Sequenz den Wechsel von Glazialen und Interglazialen/-stadialen während der letzten ~ 240 ka widerspiegelt. Die stratigraphischen Einheiten des NO-argentinischen Bohrkerns Arg. D4 lassen sich mit Klimaereignissen auf dem Bolivianischen Altiplano und mit Phasen eines verstärkten Paläo-Südamerikanischem Sommermonsun erklären.