Aquatic macrophyte-derived biomarkers as palaeolimnological proxies on the Tibetan Plateau

Biomarker von Wasserpflanzen als Klimaindikatoren auf dem tibetischen Hochplateau

  • The Tibetan Plateau is the largest elevated landmass in the world and profoundly influences atmospheric circulation patterns such as the Asian monsoon system. Therefore this area has been increasingly in focus of palaeoenvironmental studies. This thesis evaluates the applicability of organic biomarkers for palaeolimnological purposes on the Tibetan Plateau with a focus on aquatic macrophyte-derived biomarkers. Submerged aquatic macrophytes have to be considered to significantly influence the sediment organic matter due to their high abundance in many Tibetan lakes. They can show highly 13C-enriched biomass because of their carbon metabolism and it is therefore crucial for the interpretation of δ13C values in sediment cores to understand to which extent aquatic macrophytes contribute to the isotopic signal of the sediments in Tibetan lakes and in which way variations can be explained in a palaeolimnological context. Additionally, the high abundance of macrophytes makes them interesting as potential recorders of lake water δD. HydrogenThe Tibetan Plateau is the largest elevated landmass in the world and profoundly influences atmospheric circulation patterns such as the Asian monsoon system. Therefore this area has been increasingly in focus of palaeoenvironmental studies. This thesis evaluates the applicability of organic biomarkers for palaeolimnological purposes on the Tibetan Plateau with a focus on aquatic macrophyte-derived biomarkers. Submerged aquatic macrophytes have to be considered to significantly influence the sediment organic matter due to their high abundance in many Tibetan lakes. They can show highly 13C-enriched biomass because of their carbon metabolism and it is therefore crucial for the interpretation of δ13C values in sediment cores to understand to which extent aquatic macrophytes contribute to the isotopic signal of the sediments in Tibetan lakes and in which way variations can be explained in a palaeolimnological context. Additionally, the high abundance of macrophytes makes them interesting as potential recorders of lake water δD. Hydrogen isotope analysis of biomarkers is a rapidly evolving field to reconstruct past hydrological conditions and therefore of special relevance on the Tibetan Plateau due to the direct linkage between variations of monsoon intensity and changes in regional precipitation / evaporation balances. A set of surface sediment and aquatic macrophyte samples from the central and eastern Tibetan Plateau was analysed for composition as well as carbon and hydrogen isotopes of n-alkanes. It was shown how variable δ13C values of bulk organic matter and leaf lipids can be in submerged macrophytes even of a single species and how strongly these parameters are affected by them in corresponding sediments. The estimated contribution of the macrophytes by means of a binary isotopic model was calculated to be up to 60% (mean: 40%) to total organic carbon and up to 100% (mean: 66%) to mid-chain n-alkanes. Hydrogen isotopes of n-alkanes turned out to record δD of meteoric water of the summer precipitation. The apparent enrichment factor between water and n-alkanes was in range of previously reported ones (≈-130‰) at the most humid sites, but smaller (average: -86‰) at sites with a negative moisture budget. This indicates an influence of evaporation and evapotranspiration on δD of source water for aquatic and terrestrial plants. The offset between δD of mid- and long-chain n-alkanes was close to zero in most of the samples, suggesting that lake water as well as soil and leaf water are affected to a similar extent by those effects. To apply biomarkers in a palaeolimnological context, the aliphatic biomarker fraction of a sediment core from Lake Koucha (34.0° N; 97.2° E; eastern Tibetan Plateau) was analysed for concentrations, δ13C and δD values of compounds. Before ca. 8 cal ka BP, the lake was dominated by aquatic macrophyte-derived mid-chain n-alkanes, while after 6 cal ka BP high concentrations of a C20 highly branched isoprenoid compound indicate a predominance of phytoplankton. Those two principally different states of the lake were linked by a transition period with high abundances of microbial biomarkers. δ13C values were relatively constant for long-chain n-alkanes, while mid-chain n-alkanes showed variations between -23.5 to -12.6‰. Highest values were observed for the assumed period of maximum macrophyte growth during the late glacial and for the phytoplankton maximum during the middle and late Holocene. Therefore, the enriched values were interpreted to be caused by carbon limitation which in turn was induced by high macrophyte and primary productivity, respectively. Hydrogen isotope signatures of mid-chain n-alkanes have been shown to be able to track a previously deduced episode of reduced moisture availability between ca. 10 and 7 cal ka BP, indicated by a 20‰ shift towards higher δD values. Indications for cooler episodes at 6.0, 3.1 and 1.8 cal ka BP were gained from drops of biomarker concentrations, especially microbial-derived hopanoids, and from coincidental shifts towards lower δ13C values. Those episodes correspond well with cool events reported from other locations on the Tibetan Plateau as well as in the Northern Hemisphere. To conclude, the study of recent sediments and plants improved the understanding of factors affecting the composition and isotopic signatures of aliphatic biomarkers in sediments. Concentrations and isotopic signatures of the biomarkers in Lake Koucha could be interpreted in a palaeolimnological context and contribute to the knowledge about the history of the lake. Aquatic macrophyte-derived mid-chain n-alkanes were especially useful, due to their high abundance in many Tibetan Lakes and their ability to record major changes of lake productivity and palaeo-hydrological conditions. Therefore, they have the potential to contribute to a fuller understanding of past climate variability in this key region for atmospheric circulation systems.show moreshow less
  • Das tibetische Hochplateau ist die größte gehobene Landmasse der Erde und beeinflusst maßgeblich atmosphärische Zirkulationsmuster wie den Asiatischen Monsun. Um die Auswirkungen zukünftiger Schwankungen der Monsundynamik auf das regionale Klima besser einschätzen zu können, ist es wichtig, ein fundiertes Verständnis vergangener Klimaänderungen zu entwickeln. Daher ist das Tibetplateau in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus paläoklimatischer Studien gerückt. Die große Anzahl an Seen in der Region bietet ein unerschöpfliches Klimaarchiv und viele Studien haben sich bereits mit Seesedimenten zur Klimarekonstruktion befasst. Dabei wurde in erster Linie auf biologische, sedimentologische und geochemische Parameter zurückgegriffen, wohingegen organische Biomarker bisher recht selten benutzt wurden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit dieser potentiellen Klimaindikatoren auf dem Tibetplateau. Hierbei wurde ein Schwerpunkt auf die Analyse kutikularer Blattwachse von Wasserpflanzen gelegt, da diese wegen ihresDas tibetische Hochplateau ist die größte gehobene Landmasse der Erde und beeinflusst maßgeblich atmosphärische Zirkulationsmuster wie den Asiatischen Monsun. Um die Auswirkungen zukünftiger Schwankungen der Monsundynamik auf das regionale Klima besser einschätzen zu können, ist es wichtig, ein fundiertes Verständnis vergangener Klimaänderungen zu entwickeln. Daher ist das Tibetplateau in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus paläoklimatischer Studien gerückt. Die große Anzahl an Seen in der Region bietet ein unerschöpfliches Klimaarchiv und viele Studien haben sich bereits mit Seesedimenten zur Klimarekonstruktion befasst. Dabei wurde in erster Linie auf biologische, sedimentologische und geochemische Parameter zurückgegriffen, wohingegen organische Biomarker bisher recht selten benutzt wurden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit dieser potentiellen Klimaindikatoren auf dem Tibetplateau. Hierbei wurde ein Schwerpunkt auf die Analyse kutikularer Blattwachse von Wasserpflanzen gelegt, da diese wegen ihres starken Auftretens in tibetischen Seen einen erheblichen Beitrag zur organischen Substanz im Sediment leisten. Um den Einfluss von Wasserpflanzen auf das Sediment über einen weiten klimatischen Gradienten zu untersuchen, wurden Oberflächensedimente und Wasserpflanzen vom zentralen und östlichen Tibetplateau auf ihre Biomarkerzusammensetzung sowie auf ihre Kohlen- und Wasserstoffisotopensignatur untersucht. Dadurch wurde das Verständnis über beeinflussende Faktoren auf diese Parameter in Sedimenten vertieft. In einem Sedimentbohrkern des Koucha-Sees (östliches Tibetplateau) konnten diese Parameter dann im Hinblick auf Änderungen der Produktivität im See sowie der hydrologischen und klimatischen Bedingungen der letzten 15000 Jahre interpretiert werden. Es zeigte sich, dass der See bis 8000 Jahre vor Heute stark mit Wasserpflanzen bewachsen war, während die letzten 6000 Jahre Algen dominierten. Mit Hilfe von Wasserstoffisotopen wurden eine Zunahme des Monsuns und steigende Niederschläge zwischen 15000 und 10000 Jahren vor Heute sowie eine relativ trockene Periode zwischen 10000 und 7000 Jahren vor Heute rekonstruiert. Durch Kombination von Biomarkerkonzentrationen sowie deren Kohlenstoffisotopensignal wurden außerdem kurzzeitige Kälteperioden um ca. 6000, 3100 und 1800 Jahren vor Heute nachgewiesen, die vorher bereits in anderen Klimaarchiven in Tibet sowie auf der nördlichen Hemisphäre belegt wurden. Mit Hilfe von organischen Biomarkern konnte so ein detailliertes Bild über die Entwicklung des Koucha-Sees seit dem letzten Glazial gewonnen werden. Organische Biomarker haben sich somit als geeignet erwiesen, einen Beitrag zur Klimarekonstruktion auf dem Tibetplateau zu leisten.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author details:Bernhard Aichner
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-42095
Supervisor(s):Ulrike Herzschuh
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Completion year:2009
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2010/02/25
Release date:2010/05/17
Tag:Biomarker; Isotope; Klima; Paläolimnologie; Tibet; Wasserpflanzen
Tibetan Plateau; biomarker; climate; isotopes; macrophytes; palaeolimnology
RVK - Regensburg classification:TK 01025
RVK - Regensburg classification:TK 1040
RVK - Regensburg classification:TQ 01040
RVK - Regensburg classification:TK 1025
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
License (German):License LogoUrheberrechtsschutz