Diatoms are unicellular, eukaryotic microalgae that form two valves made of silica. After death, these frustules accumulate at the bottom of lake basins. The persistant diatom valves mirror valuable information about water parameters through the lifetime of the organism. The high diversity and the specific ecological requirements allow diatoms to grow in almost all kind of waters and the assemblages accurately identify the limnology. That makes diatoms excellent bioindicators for palaeolimnological reconstructions. In this doctoral thesis, diatoms are used as a tool to study two different lake systems, in different time periods and different hemispheres. The first object is an ancient mega-lake phase of the Lake Palaeo-Makgadikgadi in the Makgadikgadi-Okavango-Zambezi Basin (MOZB) in northern Botswana. The MOZB is a structural depression consisting of five sub-basins, which feature palaeo-lacustrine structures indicative for past humid conditions that resulted in huge lakes (c. 37,000 km2) in the nowadays semi-arid Middle Kalahari. Environmental and climatic implications and fluctuations of the Late Quaternary highstands are controversial and poorly constrained. In this work, a 30 cm thick lacustrine deposit close to the western palaeo-shoreline of the Makgadikgadi Basin was analyzed to obtain a high-resolution diatom record to infer first palaeolimnological parameters such as salinity, pH and trophic level. 60 diatom samples (0.5 cm steps) and 30 samples (each 1 cm) for oxygen isotope analysis (δ18O) were analyzed for a high-resolution reconstruction of the Late Pleistocene lake phase. Optically stimulated luminescense (OSL) dating suggests that the highstand existed during Marine Isotope Stage (MIS) 5d-b (c. 100 kyr BP). The diatom assemblages and δ18O values indicate a shallow oligohaline lake with alkaline conditions and subsequent changes in the hydrologic balance (evaporation / precipitation) that implies variability between warm-wet and cold-arid climate. For the first time, palaeolimnological features of a Lake Palaeo-Makgadikgadi lake phase have been identified. The existence of such a large lake during MIS 5 provides evidence that at least one short-term anomaly of higher humidity occurred during a period that was long thought to be very dry in southern Africa. These findings contribute to the hypothesis that Late Pleistocene hunter-gatherers (Khoisan) have lived permanently in the arid to semi-arid Middle Kalahari at least since MIS 5. In the second part of the thesis, the focus lies on the coastal Lake Kushu on the small Rebun Island (82 km2) in northern Japan. Rebun Island is a key research area of the interdisciplinary Baikal-Hokkaido Archaeology Project (BHAP) to understand population changes and pathways of Holocene hunter-gatherers (Okhotsk, Jomon) from East Siberia towards the Japanese Archipelago and focusses on human-environmental interactions. 43 archaeological sites show the occupation of Rebun Island since the last 6000 years. Records of past climate variabilities and environmental changes in this region are sparse. The need for a nearby archive resulted in the recovery of the 19.5 m sediment core from Lake Kushu, the only freshwater lake on Rebun Island. The obtained sediments covering the last c. 16,600 years (AMS dated) provide the chance to reconstruct climate and environmental changes since the evolution of Lake Kushu in the Late Glacial and to detect human-environmental interactions, when first Holocene hunter-gatherers occupied the island. It also helps to decode the requirements for incipient habitability of Rebun Island. In a first step, it was tested wether the RK12 sediment core represents a continuous palaeoenvironmental archive suitable for multi-proxy analyses. Therefore, 10 diatom and 20 geochemical samples were analyzed. Radiocarbon dating was obtained from a set of 57 bulk samples. In addition, a modern set of 15 diatom and water samples from Lake Kushu and the surrounding area were used to characterize the lake and to develop an overview about the salinity, pH and trophy of the modern situation. This knowledge was used to interpret the fossil diatom assemblages. In a second step, a high-resolution analysis was performed with a set of 210 diatom and pollen and non-pollen palynomorph analysis (each 8 cm) and p-ED-XRF analysis (each 1 cm). Micro-facies analysis of a 90 cm section (848-938 cm) provides in-situ insights into 400 years of Mid-Holocene lake deposits. The successfully tested RK12 sediments core represents a good archive covering the last 16,600 years. The multi-proxy approach combined of diatom, aquatic plant, p-ED-XRF and micro-facies analyses and delimits three main lake phases during the Late Glacial / Holocene with the help of the age model. An early marshy phase (16.6-9.3 cal. kyr BP) reflects a riverine depositional environment shown by sandy clays with pebbles and highest Ti-Si contents in the sediments. A lagoon phase (9.3-5.9 cal. kyr BP) represents first marine influence (Chaetocerotaceae, dinoflagellate cysts, highest Ca-Cl content) onto the current lake basin in the course of the Holocene relative sea level rise. A freshwater lake phase (5.9-0.3 cal. kyr BP) is characterized by highest percentages of freshwater Aulacoseiraceae valves and green algae implying a meso- to eutrophic, alkaline lake. Eutrophication is suggested by the modern diatom assemblages that represent a hypereutrophic dimictic lake that possibly reflects a mature lake phase. The annual- to seasonal-scale micro-facies analysis improves our understanding of the lake that is characterized by a sensitive interplay of marine and terrestrial impact factors during the Mid-Holocene and short-term climatic variations (e.g. 5.5 kyr climate deterioration event). The existence of the freshwater lake since c. 5.9 cal. kyr BP possibly plays a major role for permanent human occupation on Rebun Island because it serves potable water. The results show that the diatom content of both lakes differs in diversity and concentration. Nevertheless, the limnology of both lakes has been successfully reconstructed. This shows that diatom analysis is a valuable and successful method, which can be applied to differently sediments and archives. Our new insights into Late Quaternary palaeolimnology contribute to the understanding of the habitability for local hunter-gatherers. The results point out the need for further palaeoenvironmental records to improve the spatiotemporal understanding of the complex systems and to increase the knowledge about human-environmental interactions in both regions.
Diatomeen sind einzellige, eukaryotische Mikroalgen, die zwei Schalen aus Siliziumdioxid ausbilden. Nach dem Absterben akkumulieren die Frusteln auf dem Seeboden. Die witterungsbeständigen Schalen enthalten wertvolle Informationen der Wasserparameter, die zu Lebzeiten der Organsimen vorherrschten. Die hohe Diversität und die spezifischen ökologischen Anforderungen erlauben es ihnen in sämtlichen Gewässern zu wachsen und die Diatomeenergesellschaftung kann die Limnologie detailliert rekonstruieren. Diese Eigenschaften führten dazu, dass sich die Diatomeen zu exzellenten Bioindikatoren für paläolimnologische Rekonstruktionen etablierten. In der vorliegenden Doktorarbeit werden Diatomeen als Werkzeug benutzt, um zwei verschiedene Seesysteme zu verschiedenen Zeiten auf verschiedenen Hemisphären zu studieren. Das erste Forschungsobjekt ist eine ehemalige Seephase des Megasees Paläo-Makgadikgadi im Makgadikgadi-Okavango-Sambesi Becken (MOZB) im Norden Botsuanas. Das MOZB ist eine geotektonische Senke bestehend aus fünf Teilbecken, welche paläolakustrine Strukturen aufweisen, die auf ehemals feuchtere Bedingungen in der heutzutage (semi-)ariden Mittleren Kalahari deuten. Diese vergangenen humiden Perioden ließen riesige Seen entstehen (ca. 37.000 km2). Umwelt- und klimatisch bedingte Veränderungen und Schwankungen der spätquartären Hochstände sind kontrovers diskutiert und noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wird ein 30 cm mächtiges lakustrines Schichtpaket von der westlichen ehemaligen Strandlinie des Makgadikgadi Beckens analysiert, um ein hochauslösendes Archiv zu erhalten, welches erste paläolimnologische Parameter wie Salinität, pH und Trophiestufe einer ehemaligen Seephase identifiziert. 60 Proben zur Diatomeenanalyse (in 0,5 cm Abständen) und 30 Proben (in 1 cm Abständen) zur Analyse der Sauerstoffisotopenverhältnisse (δ18O) wurden für die hochauflösende Rekonstruktion der spätpleistozänen Seephase ausgewertet. Optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) Datierungen zeigen, dass die Seephase während des marinen Isotopenstadiums (MIS) 5d-b (ca. 100,000 tausend Jahre vor heute) existierte. Die Diatomeenvergesellschaftungen und die δ18O Werte zeigen einen flachen, oligohalinen See mit alkalinen Bedingungen an, der subsequente Veränderungen in der Wasserbilanz (Evaporation / Niederschlag) aufweist und einen Übergang von warm-feuchten zu kalt-trockenen Klimaten andeutet. Zum ersten Mal konnten so paläolimnologische Merkmale einer Seephase des Megasees Paläo-Makgadikgadi bewiesen werden. Die Existenz eines solch großen Sees während des MIS 5 liefert den Beweis, dass es zumindest eine kurzzeitige Klimaanomalie gab, die zu einer höheren Feuchtigkeit in der Region führte, obwohl davon ausgegangen wurde, dass während des MIS 5 im südlichen Afrika eine große Dürreperiode herrschte. Diese Erkenntnisse tragen zur Debatte bei, ob die spätpleistozänen Jäger und Sammler (Khoisan) durchgehend in der ariden bis semi-ariden Mittleren Kalahari seit dem MIS 5 lebten. Im zweiten Teil der Arbeit lag der Fokus auf dem küstennahen Kushu-See auf der kleinen Insel Rebun (82 km2) im Norden Japans. Rebun nimmt eine Schlüsselrolle für das interdisziplinäre “Baikal-Hokkaido Archaeology Project” (BHAP) ein, welches die Besiedlungsgeschichte und die Wanderrouten der holozänen Jäger und Sammler (Okhotsk, Jomon) von Ostsibirien bis zum japanischen Archipel rekonstruieren möchte und sich auf die Interaktionen von Mensch und Umwelt fokussiert. 43 archäologische Fundstätten deuten eine Besiedlung Rebuns seit etwa 6000 Jahren an. Daten zur Rekonstruktion von klimatischen Schwankungen und Umweltveränderungen sind aus dieser Region wenig bekannt. Die Notwendigkeit eines nahegelegenen Archivs führte zur Bohrung des 19,5 m langen Sedimentkerns auf dem Kushu-See, dem einzigen Süßwasserkörper auf der Insel Rebun. Die gewonnenen Sedimente decken die letzten 16,600 Jahre (AMS datiert) ab und bieten die Möglichkeit klimatische Schwankungen und Umweltveränderungen seit dem Entstehen des Kushu-Sees im Spätglazial zu rekonstruieren und die Wechselbeziehung zwischen Mensch und Umwelt seit der Besiedlung durch holozäne Jäger und Sammler in dieser Region zu erfassen. Die notwendigen Bedingungen für eine Bewohnbarkeit von Rebun Island sollen so entschlüsselt werden. Im ersten Schritt wurde getestet, ob der Sedimentkern RK12 für ein kontinuierliches Paläoumweltarchiv geeignet ist und für multi-proxy Analysen möglich sind. Daher wurden zunächst 10 Diatomeen- und 20 geochemische Proben analysiert. Radiokarbondatierungen wurden anhand von 57 Mischproben durchgeführt. Zusätzlich konnten 15 Diatomeenproben aus den rezenten Seesedimenten sowie von Wasserproben gewonnen werden, um den See limnologisch zu klassifizieren (Salinität, pH-Wert, Trophiestufe) und einen Überblick über die heutige Situation zu erhalten. Dies wurde für die Interpretation der fossilen Vergesellschaftungen genutzt. Im zweiten Schritt wurde ein hochauflösender Datensatz mit 210 Diatomeen- und Pollenproben (alle 8 cm) sowie p-ED-XRF-Elementanalysen (je 1 cm) ausgewertet. Mikro-faziesanalysen eines 90 cm langen Abschnitts (848-938 cm) bieten in-situ Einblicke in zirka 400 Jahre mittelholozäner Seeablagerungen. Der erfolgreich getestete Sedimentkern RK12 hält ein gutes Archiv über die letzten 16,600 Jahre bereit. Der einzigartige multi-proxy Ansatz kombiniert aus Diatomeen-, Pollen-, p-ED-XRF- und Mikrofaziensanalysen zusammen mit dem präzisen Altersmodell grenzen drei Seephasen seit dem Spätglazial ab. Die Sumpfphase (16.6-9.3 kal. tausend Jahre vor heute) deutet anhand der sandigen Tone mit eingeschalteten Kieseln und erhöhten Titan und Silizium Gehalten in den Sedimenten auf fluviatil beeinflusste Ablagerungsbedingungen hin. Die Lagunphase (9.3-5.9 kal. tausend Jahre vor heute) spiegelt erste marine Einflüsse (Chaetocerotaceae, Dinoflagellat-Zysten, höchste gemessene Ca-Cl Werte) nach dem holozänen Meeresspiegelanstieg wider. Die Süßwasserphase (5.9-0.3 kal. tausend Jahre vor heute) ist charakterisiert durch den höchsten prozentualen Anteil der Süßwasserdiatomeen Aulacoseiraceae sowie Grünalgen, die einen meso- bis eutrophen, alkalinen See repräsentieren. Die rezenten Diatomeenvergesellschaftungen reflektieren einen hypereutrophen dimiktischen See im Endstadium gekennzeichnet durch Eutrophierung und Verflachung (hoher Sedimenteintrag). Die jährlichen bis saisonal aufgelösten Mirofaziesanalysen tragen zu einem besseren Verständnis bezüglich der Umwelteinflüsse während des Mittelholozäns bei. Kurzzeitige marine sowie terrestrische Events prägen die Seegeschichte und die Diatomeen spiegeln klimatische Schwankungen wider (z.B. die Klimaverschlechterung vor 5,500 Jahren). Der seit ca. 5900 Jahren vor heute existierende Süßwassersee fungierte womöglich als Trinkwasserquelle für Jäger und Sammler. Dies stellt eine wichtige Vorraussetzung für eine dauerhafte Besiedlung der auf der Insel Rebun dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Diatomeen aus den Sedimenten beider Seen sowohl in der Diversität als auch in der Konzentration stark unterschieden. Dennoch ist es gelungen, die jeweilige Seegeschichte erfolgreich zu rekonstruieren. Dies zeigt, dass die Diatomeenanalyse als eine wertvolle und erfolgreiche Methode auf unterschiedliche Sedimente und Archive angewandt werden kann. Es konnten neue Einblicke in die spätquartäre Paläolimnologie beider Seesysteme gewährt werden, die zum Verständnis über die Bewohnbarkeit der Regionen für lokale Jäger und Sammler beitragen. Weitere Paläoumweltrekonstruktionen zur Verbesserung des raumzeitlichen Verständnisses der komplexen Systeme werden benötigt, um auch das Wissen der Mensch-Umwelt-Wechselbeziehungen zu erweitern.
