Alpine Holocene Triple Tree Ring Isotope Records
BORIS DOI
Abstract
The tree-ring archive and its diverse high-resolution proxy records contribute significantly in reconstructing and understanding past climate variability on various temporal and spatial scales. The annually-resolved and calendar-dated tree-ring records are particularly useful in disentangling natural climate variability from the anthropogenic imprint on the global climate and its impact on the climate system. This further allows an improvement of models in view of projecting future climate change. While the majority of tree-ring records is based on samples from living trees, recent finds of Holocene wood remains from glacier forefields, peat bogs and small lakes even allow an annual reconstruction of Holocene climate variability on a multi-millennial scale. Such unique records enable us to improve our understanding of Holocene climate dynamics, as the natural variability of postglacial climate is still not sufficiently known.
In the present thesis, multi-millennial tree-ring records are established in a multi-proxy approach to examine climate variability in the Holocene. For the construction of these novel records, calendar-dated wood material from Swiss glacier forefields (Mont Miné, Unteraar, Tschierva) and subfossil wood from peat bog sites located in Austria and Italy, which have been sampled within the past two decades, are utilized to establish triple isotope records. In addition, modern samples from living trees were collected close to the glacier sites to connect the Holocene records to present-day climate and examine climate-proxy relationships.
In a first step, Holocene wood remains and modern wood samples are separated into 5-year tree-ring blocks to reduce both time and cost during the sample preparation process. Subsequently, α-cellulose is extracted from the individual samples in a modified and standardized Jayme-Wise procedure. The quality of the extraction is tested by calculating the cellulose content in a tree-ring sample, which should be around 40-44 % in theory. However, the determination of cellulose content in thousands of wood samples revealed generally lower values and led to a closer investigation of cellulose content time series. The time series illustrate a species-specific low-frequency trend, and show potential for reconstructing growing season temperature, which further led to the suggestion of cellulose content as a novel supplementary proxy in dendroclimatology.
In a further step, the simultaneous determination of carbon (δ13C), oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H or δD) in 5-year tree-ring cellulose samples was performed on a coupled GC-IRMS system, which is connected to an equilibration chamber and a high-temperature elemental analyzer. The novel measurement setup allows for a high sample throughput and thereby for the establishment of multi-millennial triple isotope tree-ring records.
Modern triple isotope as well as the cellulose content (CC [%]) records are utilized to investigate the site and species-specific sensitivity of the two high-Alpine tree species Larix decidua Mill. (European larch) and Pinus cembra L. (Swiss stone pine), which are present in both modern and Holocene tree samples. Thereby, a species-specific signature is found in CC [%] and δD records, whereas a site sensitivity is found for the δ18O series. Climate-proxy relationships established for the modern proxy data and climate variables extracted from the HISTALP database revealed both species-specific and site-specific correlations with climate variables.
A novel high-resolution insight into Holocene climate variability is illustrated by the established triple isotope records based on Holocene wood remains, where interesting low-frequency variability is found in the three isotope records as well as the cellulose content series. Particularly the δ18O series show potential for a future temperature reconstruction, and is in agreement in the comparison with other proxy records and reconstructions established for the Holocene, especially during the well-known 8.2 ka BP cold event.
For the first time, Early and Mid-Holocene climate is investigated by high-resolution tree-ring records in a combined multi-proxy approach. The individual proxies show high potential for reconstructing past environments in the Holocene and will contribute to a better understanding of Holocene climate variability in the future.
This study was realized in the framework of the project Alpine Holocene Tree Ring Isotope Records in collaboration with (i) Prof. Dr. Markus Leuenberger from the division of Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern, (ii) Prof. Dr. Kurt Nicolussi from the Institute of Geography, University of Innsbruck, and (iii) Prof. Dr. Christian Schlüchter from the Geological Institute, University of Bern, financed by the Swiss National Science Foundation within international collaborations with Germany, Austria and Switzerland (DACH-projects) and supported by the Oeschger Center for Climate Change Research, University of Bern, Bern Switzerland (OCCR).
In the present thesis, multi-millennial tree-ring records are established in a multi-proxy approach to examine climate variability in the Holocene. For the construction of these novel records, calendar-dated wood material from Swiss glacier forefields (Mont Miné, Unteraar, Tschierva) and subfossil wood from peat bog sites located in Austria and Italy, which have been sampled within the past two decades, are utilized to establish triple isotope records. In addition, modern samples from living trees were collected close to the glacier sites to connect the Holocene records to present-day climate and examine climate-proxy relationships.
In a first step, Holocene wood remains and modern wood samples are separated into 5-year tree-ring blocks to reduce both time and cost during the sample preparation process. Subsequently, α-cellulose is extracted from the individual samples in a modified and standardized Jayme-Wise procedure. The quality of the extraction is tested by calculating the cellulose content in a tree-ring sample, which should be around 40-44 % in theory. However, the determination of cellulose content in thousands of wood samples revealed generally lower values and led to a closer investigation of cellulose content time series. The time series illustrate a species-specific low-frequency trend, and show potential for reconstructing growing season temperature, which further led to the suggestion of cellulose content as a novel supplementary proxy in dendroclimatology.
In a further step, the simultaneous determination of carbon (δ13C), oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H or δD) in 5-year tree-ring cellulose samples was performed on a coupled GC-IRMS system, which is connected to an equilibration chamber and a high-temperature elemental analyzer. The novel measurement setup allows for a high sample throughput and thereby for the establishment of multi-millennial triple isotope tree-ring records.
Modern triple isotope as well as the cellulose content (CC [%]) records are utilized to investigate the site and species-specific sensitivity of the two high-Alpine tree species Larix decidua Mill. (European larch) and Pinus cembra L. (Swiss stone pine), which are present in both modern and Holocene tree samples. Thereby, a species-specific signature is found in CC [%] and δD records, whereas a site sensitivity is found for the δ18O series. Climate-proxy relationships established for the modern proxy data and climate variables extracted from the HISTALP database revealed both species-specific and site-specific correlations with climate variables.
A novel high-resolution insight into Holocene climate variability is illustrated by the established triple isotope records based on Holocene wood remains, where interesting low-frequency variability is found in the three isotope records as well as the cellulose content series. Particularly the δ18O series show potential for a future temperature reconstruction, and is in agreement in the comparison with other proxy records and reconstructions established for the Holocene, especially during the well-known 8.2 ka BP cold event.
For the first time, Early and Mid-Holocene climate is investigated by high-resolution tree-ring records in a combined multi-proxy approach. The individual proxies show high potential for reconstructing past environments in the Holocene and will contribute to a better understanding of Holocene climate variability in the future.
This study was realized in the framework of the project Alpine Holocene Tree Ring Isotope Records in collaboration with (i) Prof. Dr. Markus Leuenberger from the division of Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern, (ii) Prof. Dr. Kurt Nicolussi from the Institute of Geography, University of Innsbruck, and (iii) Prof. Dr. Christian Schlüchter from the Geological Institute, University of Bern, financed by the Swiss National Science Foundation within international collaborations with Germany, Austria and Switzerland (DACH-projects) and supported by the Oeschger Center for Climate Change Research, University of Bern, Bern Switzerland (OCCR).
Das Klimaarchiv der Baumjahrringe und seine vielfältigen, hochaufgelösten Proxy-Zeitreihen tragen erheblich zur Rekonstruktion und dem Verständnis vergangener Klimavariabilität in verschiedenster zeitlicher und räumlicher Auflösung bei. Die jährlich aufgelösten und kalenderdatierten Jahrringzeitreihen sind besonders nützlich beim Versuch die natürliche Klimavariabilität vom anthropogenen Einfluss auf das globale Klima und dessen Auswirkung auf das Klimasystem zu unterscheiden. Dies ermöglicht weiterhin eine Verbesserung der Klimamodelle im Hinblick auf die Vorhersage des künftigen Klimawandels. Während die Mehrheit der Jahrringzeitreihen auf Proben von lebenden Bäumen basiert, erlauben neuerliche Funde Holozäner Holzreste aus Gletschervorfeldern, Torfmooren und kleinen Seen sogar eine jährliche Rekonstruktion des Holozänen Klimas über mehrere Jahrtausende. Solche einmaligen Zeitreihen ermöglichen es unser Verständnis der Holozänen Klimadynamik zu verbessern, da die natürliche Variabilität des Postglazialen Klimas immer noch unzureichend verstanden ist.
In der vorliegenden Dissertation werden in einer sogenannten „Multi-Proxy“-Herangehensweise mehrtausendjährige Baumjahrringzeitreihen erstellt, um die Holozäne Klimavariabilität zu untersuchen. Um diese neuen Zeitreihen zu konstruieren, wurde kalenderdatiertes Holzmaterial aus Schweizer Gletschervorfeldern (Mont Miné, Unteraar, Tschierva) und subfossile Hölzer aus Torfmooren in Österreich und Italien währen der letzten zwei Jahrzehnte gesammelt. Diese werden genutzt, um Dreifach-Isotopenreihen zu erstellen. Zusätzlich wurden lebende Bäume an Standorten in der Nähe der genannten Gletscher beprobt, um eine Verbindung der Holozänen Zeitreihen zum heutigen Klima herzustellen und das Verhältnis zwischen Klimavariablen und Proxyzeitreihen zu untersuchen. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Holozänen Holzproben sowie die modernen Bohrkerne in 5-Jahrring-Blöcke zerteilt, um sowohl Zeit als auch Kosten während der Probenvorbereitung zu minimieren. Nachfolgend wurde von diesen Blöcken die sogenannte α-Zellulose nach einem modifizierten und standardisierten Jayme-Wise Verfahren extrahiert. Die Qualität der Extraktion wurde durch die Berechnung des Zellulosegehaltes pro Probe getestet; dieser sollte in der Theorie etwa 40-44 % betragen. Jedoch zeigte die Bestimmung des Zellulosegehaltes in tausenden untersuchten Proben im Allgemeinen tiefere Werte und führte dadurch zu einer genaueren Untersuchung des Zellulosegehaltes in den einzelnen Jahrringzeitreihen. Diese zeigen einen artenspezifischen Langzeittrend sowie Potential für die Rekonstruktion der Temperatur während der Wachstumsphasen der Bäume. Dies wiederum resultierte in dem Vorschlag den Zellulosegehalt künftig als neuartigen, ergänzenden Proxy in der Dendroklimatologie einzusetzen.
In einem weiteren Schritt wurden die Isotopenverhältnisse für die Elemente Kohlenstoff (δ13C), Sauerstoff (δ18O) und Wasserstoff (δ2H oder auch δD) in den fünfjährigen Jahrringzelluloseproben mittels eines gekoppelten GC-IRMS Systems gemessen, welches mit einer Equilibrationskammer sowie einem Hochtemperatur-Elementaranalysegerät verbunden ist. Dieser neuartige Messaufbau erlaubt eine hohe Zahl an Messungen und somit die Erstellung mehrtausendjähriger Dreifach-Isotopenzeitreihen auf der Basis von Baumjahrringen. Sowohl die modernen Isotopenreihen als auch die Zellulosezeitreihen (CC [%]) wurden genutzt, um die standort- und artenspezifische Sensitivität der beiden hochalpinen Baumarten Larix decidua Mill. (Europäische Lärche) und Pinus cembra L. (Zirbe, Arve) zu untersuchen, welche sowohl in den modernen als auch in den Holozänen Holzproben präsent sind. Dadurch zeigten sich artenspezifische Sensitivitäten in den Zellulose- sowie den Wasserstoffzeitreihen, sowie eine standortabhängige Sensitivität in den Sauerstoffzeitreihen. Die Analyse der Verhältnisse zwischen Proxyserien und Klimavariablen, welche aus der HISTALP Datenbank extrahiert wurden, zeigen zudem arten- und standortspezifische Korrelationen. Einen neuartigen Einblick in die Holozäne Klimavariabilität liefern die Dreifach-Isotopenzeitreihen, welche auf den Holozänen Holzfunden basieren. Diese zeigen interessante Langzeittrends für die untersuchten Elemente sowie in den Zellulosezeitreihen. Insbesondere die Sauerstoffzeitreihen haben ein großes Potential für künftige Temperaturrekonstruktionen, und stimmen im Vergleich mit anderen Proxyreihen und Rekonstruktionen weitestgehend überein; dies zeigt sich besonders deutlich im ekannten 8.2 ka BP Kälterückfall.
Zum ersten Mal wurde hier das Klima des Frühen und Mittleren Holozäns sowie des Übergangs ins Späte Holozän mittels hochaufgelösten Baumjahrringzeitreihen in einem Multi-Proxy Verfahren untersucht. Die einzelnen Proxys zeigen dabei ein großes Potential, um künftig die vergangenen Umweltbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und damit maßgeblich zu einem besseren Verständnis des Holozänen Klimas beizutragen.
Diese Dissertation wurde im Rahmen des Projektes Alpine Holocene Tree Ring Isotope Records in Zusammenarbeit mit (i) Prof. Dr. Markus Leuenberger von der Abteilung Klima-und Umweltphysik des Physikalischen Institutes der Universität Bern, (ii) Prof. Dr. Kurt Nicolussi vom Geographischen Institut der Universität Innsbruck sowie (iii) Prof. Dr. Christian Schlüchter vom Geologischen Institut der Universität Bern realisiert. Weiterhin wurde diese durch den Schweizer Nationalfonds, im Fokus internationaler Zusammenarbeit zwischen Deutschland, Österreich und der Schweiz (DACH), finanziert sowie durch das Oeschger-Zentrum für Klimaforschung (OCCR) unterstützt.
In der vorliegenden Dissertation werden in einer sogenannten „Multi-Proxy“-Herangehensweise mehrtausendjährige Baumjahrringzeitreihen erstellt, um die Holozäne Klimavariabilität zu untersuchen. Um diese neuen Zeitreihen zu konstruieren, wurde kalenderdatiertes Holzmaterial aus Schweizer Gletschervorfeldern (Mont Miné, Unteraar, Tschierva) und subfossile Hölzer aus Torfmooren in Österreich und Italien währen der letzten zwei Jahrzehnte gesammelt. Diese werden genutzt, um Dreifach-Isotopenreihen zu erstellen. Zusätzlich wurden lebende Bäume an Standorten in der Nähe der genannten Gletscher beprobt, um eine Verbindung der Holozänen Zeitreihen zum heutigen Klima herzustellen und das Verhältnis zwischen Klimavariablen und Proxyzeitreihen zu untersuchen. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Holozänen Holzproben sowie die modernen Bohrkerne in 5-Jahrring-Blöcke zerteilt, um sowohl Zeit als auch Kosten während der Probenvorbereitung zu minimieren. Nachfolgend wurde von diesen Blöcken die sogenannte α-Zellulose nach einem modifizierten und standardisierten Jayme-Wise Verfahren extrahiert. Die Qualität der Extraktion wurde durch die Berechnung des Zellulosegehaltes pro Probe getestet; dieser sollte in der Theorie etwa 40-44 % betragen. Jedoch zeigte die Bestimmung des Zellulosegehaltes in tausenden untersuchten Proben im Allgemeinen tiefere Werte und führte dadurch zu einer genaueren Untersuchung des Zellulosegehaltes in den einzelnen Jahrringzeitreihen. Diese zeigen einen artenspezifischen Langzeittrend sowie Potential für die Rekonstruktion der Temperatur während der Wachstumsphasen der Bäume. Dies wiederum resultierte in dem Vorschlag den Zellulosegehalt künftig als neuartigen, ergänzenden Proxy in der Dendroklimatologie einzusetzen.
In einem weiteren Schritt wurden die Isotopenverhältnisse für die Elemente Kohlenstoff (δ13C), Sauerstoff (δ18O) und Wasserstoff (δ2H oder auch δD) in den fünfjährigen Jahrringzelluloseproben mittels eines gekoppelten GC-IRMS Systems gemessen, welches mit einer Equilibrationskammer sowie einem Hochtemperatur-Elementaranalysegerät verbunden ist. Dieser neuartige Messaufbau erlaubt eine hohe Zahl an Messungen und somit die Erstellung mehrtausendjähriger Dreifach-Isotopenzeitreihen auf der Basis von Baumjahrringen. Sowohl die modernen Isotopenreihen als auch die Zellulosezeitreihen (CC [%]) wurden genutzt, um die standort- und artenspezifische Sensitivität der beiden hochalpinen Baumarten Larix decidua Mill. (Europäische Lärche) und Pinus cembra L. (Zirbe, Arve) zu untersuchen, welche sowohl in den modernen als auch in den Holozänen Holzproben präsent sind. Dadurch zeigten sich artenspezifische Sensitivitäten in den Zellulose- sowie den Wasserstoffzeitreihen, sowie eine standortabhängige Sensitivität in den Sauerstoffzeitreihen. Die Analyse der Verhältnisse zwischen Proxyserien und Klimavariablen, welche aus der HISTALP Datenbank extrahiert wurden, zeigen zudem arten- und standortspezifische Korrelationen. Einen neuartigen Einblick in die Holozäne Klimavariabilität liefern die Dreifach-Isotopenzeitreihen, welche auf den Holozänen Holzfunden basieren. Diese zeigen interessante Langzeittrends für die untersuchten Elemente sowie in den Zellulosezeitreihen. Insbesondere die Sauerstoffzeitreihen haben ein großes Potential für künftige Temperaturrekonstruktionen, und stimmen im Vergleich mit anderen Proxyreihen und Rekonstruktionen weitestgehend überein; dies zeigt sich besonders deutlich im ekannten 8.2 ka BP Kälterückfall.
Zum ersten Mal wurde hier das Klima des Frühen und Mittleren Holozäns sowie des Übergangs ins Späte Holozän mittels hochaufgelösten Baumjahrringzeitreihen in einem Multi-Proxy Verfahren untersucht. Die einzelnen Proxys zeigen dabei ein großes Potential, um künftig die vergangenen Umweltbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und damit maßgeblich zu einem besseren Verständnis des Holozänen Klimas beizutragen.
Diese Dissertation wurde im Rahmen des Projektes Alpine Holocene Tree Ring Isotope Records in Zusammenarbeit mit (i) Prof. Dr. Markus Leuenberger von der Abteilung Klima-und Umweltphysik des Physikalischen Institutes der Universität Bern, (ii) Prof. Dr. Kurt Nicolussi vom Geographischen Institut der Universität Innsbruck sowie (iii) Prof. Dr. Christian Schlüchter vom Geologischen Institut der Universität Bern realisiert. Weiterhin wurde diese durch den Schweizer Nationalfonds, im Fokus internationaler Zusammenarbeit zwischen Deutschland, Österreich und der Schweiz (DACH), finanziert sowie durch das Oeschger-Zentrum für Klimaforschung (OCCR) unterstützt.
Date of Publication
2017
Theses Type
dissertation
Subject(s)
Language(s)
en
Author(s)
Faculty/Graduate School
Institute
Physikalisches Institut, Abteilung für Klima– und Umweltphysik
Universität Bern, Philosophisch–naturwissenschaftliche Fakultät
Access(Rights)
restricted
Primary OA Publication
false