Dendroclimatology using stable isotopes from subfossil tree-rings: A Late Glacial Investigation

Abstract

The overall goal of this PhD dissertation is to develop multi-centennial stable isotope chronologies in annual rings of subfossil pine trees (Pinus sylvestris) from sites in (1) Switzerland (Binz) and (2) the southern French Alps (barbers), as well as (3) decadal records from subfossil New Zealand kauri trees (Agathis australis). After establishing these three chronologies, this dissertation explored the following objectives: (1) detect any potential climatic signal contained within the developed δ18O and δ13C records,(2) identify any probable diagenetic biases impacting the inter- and intra- tree stable isotope correlations (e.g. wood decay), (3) develop a technique to estimate sourcewater δ18O (precipitation) from dual stable isotope models, and (4) reconstruct high frequency climate variability across the Late Glacial.

The oldest chronology was developed from 27 Swiss subfossil pine trees, covering ~14,050 – 12,795 cal BP; described in the Chapter 6 paper. The tree-ring δ18O record was compared to ice core del18O (NGRIP) to investigate whether Greenland Stadial “events”, which are often discernible in European lake records, are also recorded in the Swiss plateau during the summer growing season. Two examples of δ18Otree extreme depletions did parallel known North Atlantic ‘cool periods’ (GI-1c, GS-1), while another LG oscillation (GI-1b) is not clearly expressed in δ18Otree. The trees tended to record events more cohesively (higher population signal) during extreme δ18Otreedepletions in relatively wet conditions (high precipitation amount); likely due to the lack of stomata in influence on stable isotope fractionation in high humidity. Generally, this record was able to capture North Atlantic climate oscillations, but to a lesser degree than Greenland ice core δ18O, suggesting the “events” may be less extreme in the summer season.

The GS-1 (Younger Dryas) cold reversal recorded in the Swiss pine trees was also documented in 7 pine trees from the southern French alps, as described in the Chapter 7 paper. A short chronology was developed during this interval, covering ~12 900 – 12 600 cal BP. Estimates of sourcewater δ18O (δ18OSW) recorded changes in air mass origin in southern France over the cooling event, indicating an ampli cation of both North Atlantic (depleted δ18OSW) as well as Mediterranean (high δ18OSW) originating storms. Higher magnitude and frequency of precipitation from both origins would likely have been due to the oscillating, southward moving polar front as Europe plunged into near-Glacial conditions.

The youngest chronology was established using 6 kauri trees from New Zealand, covering ~13 020 – 11 850 cal BP at decadal resolution and a subset at annual resolution (~12 520 – 12 400 cal BP), as explained in the Chapter 8 paper. Whilst North Atlantic climate oscillations are occurring in Europe, the Southern Hemisphere is going through a gradual warming. The kauri trees recorded a signifcant climate downturn (~12 625 – 12 375 cal BP: low tree-ring growth, depleted δ18Otree, δ18OSW and δ13Ctree), undetected in Antarctic ice core data, which was characterised by sustained high precipitation, low temperature and high humidity. In conjunction with global climate model outputs, this research suggests this climate downturn may have been triggered by ocean circulation changes, resulting in a prolonged shift in hydroclimate conditions in New Zealand.

Overall, the tree-ring chronologies presented in this dissertation from Switzerland, France and New Zealand demonstrate the potential to use subfossil trees to reconstruct hydroclimate variability during the Late Glacial using dual stable isotopes and sourcewater reconstructions. However, they tend to record high-frequency signals and often reflect unknown climate trends from other archives. On the one hand, this is related to the biological character of the “tree” archive, on the other hand, possible signal changes due to decomposition processes during and after embedding in the sediment are currently difficult to quantify.

Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist der Aufbau von Jahrring-Isotopenchronologien von Kohlenstoff (δ13C) und Sauerstoff (δ18O) spätglazialer Hölzer der Nord- und Südhemisphäre und die Extraktion und Interpretation möglicher Klimasignale. Dazu wurden (1) jährlich aufgelöste mehrhundertjährige Zeitreihen der stabilen Isotope in Jahrringen subfossiler Kiefernhölzer (Pinus sylvestris) von Fundorten in der Schweiz (Binz) und (2) den südfranzösischen Alpen (Barbiers) erstellt, und (3) eine etwas mehr als tausendjährige Jahrring-Isotopenchronologie von neuseeländischen Kauribäumen (Agathis australis) entwickelt. Anschließend wurden folgende Teilziele verfolgt: (1) ermitteln potenzieller Klimasignale in den erstellten Isotopendatensätzen, (2) identifizieren und beschreiben möglicher Signalstörungen infolge diagenetischer Veränderungen einzelner Hölzer durch Vergleiche der Isotopentrends gleichalter Bäume, sowie in Einzelbäumen, (3) Ableitung des Quellwasser-δ18O (Niederschlag) aus dualen (δ13C, δ18O) Isotopenmodellen, und (4) Erstellung und Interpretation von Rekonstruktionen der Klimavariabilität in den untersuchten Regionen und Zeitabschnitten.

Die älteste der drei Isotopenchronologien wurde aus 27 Schweizer Kiefern entwickelt. Sie umfasst den Zeitraum ~ 14.050 - 12.795 cal BP (Kapitel 6). Der Jahrring Datensatz (del18Otree) wurde mit Eisbohrkern-δ18O Daten (NGRIP) verglichen, um zu testen, ob die während des Sommers in der Zellulose der Jahrringe festgelegten Isotopenverhältnisse des Schweizer Plateaus die grönländischen Klimaphasen ebenso widerspiegeln wie mitteleuropäische Seesedimente. Zwei extreme Einbrüche des δ18Otree zeigen Bezug zu GI-1c und GS-1, während z.B. GI-1b in δ18Otree nicht klar zum Ausdruck kommt. Einbrüche in δ18Otree können nicht ausschließlich in Verbindung mit extremen Kältephasen gebracht werden, sondern sie sind auch Ausdruck deutlich erhöhter Niederschläge. In solchen Phasen zeigensich δ18O-Zeitreihen der Einzelbäume deutlich kohäsiver (höheres Populationssignal), was wahrscheinlich auf den geringeren Einfluss der Stomata-Apertur der Nadeln auf die Isotopenfraktionierung bei hoher Luftfeuchtigkeit deutet. Im Allgemeinen kann δ18Otree Klimaschwankungen erfassen, jedoch in geringerem Maße als NGRIP δ18O. Die dort dokumentierten Kältephasen sind in der Sommersaison auf dem Schweizer Plateau eventuell weniger stark ausgeprägt.

Anhand von 7 Kiefern aus den südfranzösischen Alpen wurden der Beginn (~ 12 900 - 12 600 cal BP) von GS-1 (Grönland) bzw. Jüngerer Dryas (Europa) untersucht (Kapitel 7). Aus δ18Otree Quellwasser- 18O abgeleitet, wodurch sich Veränderungen des Ursprungs feuchter Luftmassen in S-Frankreich zeigten. Eine erhöhte δ18Otree-Variabilität deutet auf ein Wechselspiel zwischen Nordatlantik (niedriges δ18O) und im Mittelmeerraum (hohes δ18O) hin, wahrscheinlich infolge starker Oszillationen einer generell nach Süden wandernden Polarfront.

Die jüngste Chronologie wurde unter Verwendung von 6 Kauri-Bäumen aus Neuseeland erstellt. Der Zeitraum wurde ~ 13 020 - 11 850 cal BP ist in dekadischer Auflösung, ein kurzer Teilabschnitt in jährlicher Auflösung (~ 12 520 - 12 400 cal BP) untersucht (Kapitel 8). Anders als im nordatlantischen Raum erwärmt sich die südliche Hemisphäre im Spätglazial eher allmählich. Ein markanter Klimaabschwung (~ 12 625 - 12 375 cal BP) wurde allerdings von den Bäumen dokumentiert. Kennzeichnend waren hohe Niederschläge/Luftfeuchtigkeit und niedrige Temperaturen, möglicherweise ausgelöst durch Veränderungen der Ozeanzirkulation.

Insgesamt zeigen die Jahrringisotope das gute Potenzial subfossiler Bäume zur Rekonstruktion der hydroklimatischen Variabilität des Spätglazials. Allerdings zeichnen sie eher hochfrequente Signale auf und spiegeln oft nicht bekannte Klimatrends anderer Archive wider. Dies hängt einerseits mit dem biologischen Charakter des Archivs „Baum“ zusammen, andererseits sind mögliche Signalveränderungen durch Zersetzungsprozesse während und nach der Einbettung im Sediment derzeit nur schwer zu quantifizieren. Insgesamt zeigen die Baumring-Chronologien in dieser Dissertation das Potenzial, subfossile Bäume zur Rekonstruktion der Variabilität des Hydroklimas während des späten Gletschers zu verwenden.