A 32,000-year pollen record of vegetation, climate dynamics and glacial-interglacial environments of hunter-gatherer populations from Lake Ochaul, Cis-Baikal region of Siberia

Abstract

The Lake Baikal region (LBR) has been the target of various archaeological and palaeoenvironmental research in the past. Multi-disciplinary and multi-national teams of researchers examine the LBR since 1997 contributing to the Baikal Archaeology Project (BAP). The main goals of the BAP are to investigate hunter-gatherer lifeways in Northern Asia using an individual life histories approach; to develop a robust chronology through intensive radiocarbon dating and Bayesian modelling of the archaeological remains; and to combine archaeological data with the results of high-resolution and accurately dated palaeoenvironmental records. Whereas resolution and number of studies increased over time, there are still large areas that are understudied, not least due to the huge dimension of the LBR. In particular, reconstruction of the last glacial/interglacial vegetation and climate history of the vast Cis-Baikal region outside the Lake Baikal coastal plains are not possible without detailed palaeoenvironmental records with AMS-based age control. Previous palynological studies around Lake Baikal point to the spatial-temporal variability in vegetation development across the LBR due to its large area with complex topography and influence of various elements of the global climate system. Archaeological research also demonstrates some spatial differences in the lifestyle and subsistence strategies of the Neolithic and Bronze Age hunter-gatherers within the LBR. Thus, detailed reconstruction of microregional environments is crucial for better understanding of the evolution of hunter-gatherer cultures. Lakes with continuous sedimentation may serve as natural archives, which preserve multi-proxy records of past environments and have a great potential for the correlation of archaeological and palaeoenvironmental records within geoarchaeological microregions. This doctoral thesis contributes to the BAP by filling gaps in current knowledge and providing a detailed palaeoenvironmental record of the past 32,000 years obtained from a 7.24-m-long sediment core from Lake Ochaul (54°14’N, 106°28’E; 641 m a.s.l.), a small freshwater lake situated in the Upper Lena microregion of Cis-Baikal, rich in archaeological sites dated from the Upper Palaeolithic to the Bronze and Iron Age. The main results are presented in three peer-reviewed studies, published in international scientific journals. The focus was on two archaeologically and environmentally important time intervals: the (1) Last Glacial Maximum (LGM: ca. 28,000–20,000 years ago) and (2) the Lateglacial and Holocene (ca. 13,500 years ago to today). The respective AMS-dated parts of the Lake Ochaul core were palynologically analysed, and the obtained results were discussed and compared with other records from and outside the LBR to examine spatial-temporal differences of reconstructed environment and climate changes and their driving forces. The published archaeological data from Cis-Baikal indicates that the region witnessed continuous hunter-gatherer population during the LGM, the climatically harshest part of the Late Quaternary, and therefore may have played an important role in the spread of anatomically modern humans to Northeast Asia and North America. The extent of deforestation during that time is still under discussion. The new pollen and biome reconstruction records from Lake Ochaul show that productive steppe or/and herbaceous tundra dominated this area during the LGM. This type of vegetation and thin snow cover were highly beneficial for large herbivores of the so-called “mammoth fauna” which on the other hand provided regional hunter-gatherer groups with a sufficient amount of food and raw materials for clothes and hunting tools. On the other hand, the LGM pollen record of Lake Ochaul shows continuous presence of boreal trees and shrubs such as birch, spruce, several pine taxa, larch and willow, in proportions that can hardly be explained by far-distant pollen transport. The survival of boreal trees during the LGM and the following spread of taiga forests across Siberia remains one of the long-debated topics in palaeoenvironmental research. This thesis provides well-argued evidence that the relatively moist area around Lake Ochaul was among the glacial refugia, where boreal trees and shrubs persisted the coldest and driest LGM climate interval and from where they quickly spread over the entire LBR during the Lateglacial. During the Allerød, open taiga forest vegetation was already present around Lake Ochaul. The following Younger Dryas stadial led to a more open forest-tundra landscape with high participation of shrubby and patchy forest associations. The onset of the Holocene (ca. 11,650 cal yr BP) is marked by a further rapid spread of boreal forest vegetation around Lake Ochaul, which occurred about 1000 years earlier than at Lake Kotokel in Trans-Baikal. The Early Holocene warming was interrupted by several rapid oscillations towards colder climate showing the interplay of global insolation, sea level and ice sheet transformations on the regional climate and environments. Temperature and moisture conditions became most favourable during the Middle Holocene (ca. 8000–4200 cal yr BP). During the so-called “Holocene climate optimum”, percentages for boreal tree taxa reached highest values, speaking for densely forested landscapes around Lake Ochaul and a maximal spread of forest vegetation in the LBR. The reconstructed changes in the vegetation cover during the Early and Middle Holocene were associated with a major climate amelioration following a transformation of the atmospheric circulation and a stronger year-round impact of the North Atlantic air masses on the regional climate leading to thicker and longer-lasting snow cover. Those vegetational and climatic transformations along with the extinction of the greater part of the mammoth fauna, one of the main food resources for hunter-gatherer communities, might be a reason for the reported changes in the health conditions and lifeway of the Early Neolithic Kitoi populations, leading to a cultural “hiatus” (ca. 6660–6060 cal yr BP) suggested by the archaeological records from the LBR. The Late Holocene pollen record indicates gradual opening of the forested landscape around Lake Ochaul, which could be related to the gradual decrease in the Northern Hemisphere summer insolation and air temperatures, but also with an intensified human impact in the LBR. Six AMS radiocarbon dates on large herbivorous animals’ bone material from the Ochaul archaeological site located on the northern lake shore indicate that hunting activities around the lake took place during a very long period, with the earliest evidence of the extinct Palaeolithic horse dated to ca. 27,780–27,160 cal yr BP (95% probability range). Other dates indicate deer and elk hunting during the Mesolithic (ca. 8850–8450 cal yr BP), Early, Middle and Late Neolithic (between ca. 6840 and 5490 cal yr BP) and the Iron Age (ca. 2120–1930 cal yr BP). These results demonstrate that despite major environmental transformations during the LGM and Holocene periods, Lake Ochaul and surrounding area remained attractive for large herbivores and for prehistoric hunter-gatherers, who seem to have been present there even during the Middle Neolithic cultural “hiatus”, as documented by the AMS-dated zooarchaeological record from the cultural layers of the Ochaul site.

Die Region um den Baikalsee (BSR) war bereits in der Vergangenheit Gegenstand verschiedener archäologischer und paläoumweltgeschichtlicher Forschung. Multidisziplinäre und multinationale Forschungsteams des Baikal Archaeology Projects (BAP) untersuchen die BSR seit 1997. Die Hauptziele des BAP sind das Studium von Jäger-Sammler-Lebensweisen in Nordasien, insbesondere der Rekonstruktion von individuellen Lebensgeschichten; das Entwickeln einer robusten Chronologie durch systematische Radiokarbondatierungen organischer Reste und Bayessche Modellierung sowie das Kombinieren von archäologischen Daten mit den Ergebnissen hochauflösender und präzise datierter Paläoumweltaufzeichnungen. Obwohl Auflösung und Anzahl der Studien mit der Zeit zugenommen haben, gibt es nach wie vor große Gebiete, die nicht ausreichend untersucht sind, nicht zuletzt wegen der enormen Größe der BSR. Insbesondere die Rekonstruktion der Vegetations- und Klimageschichte des letzten Glazial/Interglazial-Zyklus der weitläufigen Cis-Baikal Region außerhalb der Küstenebenen des Baikalsees ist nicht ohne detaillierte Paläoumweltaufzeichnungen mit radiokarbonbasierter Alterskontrolle möglich. Frühere palynologische Studien rund um den Baikalsee deuten auf eine räumlich-zeitliche Variabilität der Vegetationsentwicklung innerhalb der BSR aufgrund der komplexen topografischen Bedingungen und Einflüsse verschiedener Faktoren des globalen Klimasystems hin. Archäologische Untersuchungen zeigen ebenfalls einige lokale Unterschiede in den Lebensweisen und Subsistenzsstrategien von neolithischen und bronzezeitlichen Jägern und Sammlern in der BSR. Aus diesem Grund ist eine detaillierte Rekonstruktion von Umweltveränderungen auf mikroregionaler Ebene maßgeblich für ein besseres Verständnis der Entwicklung von Jäger-Sammler-Kulturen. Seen mit kontinuierlicher Sedimentation können als natürliche Archive dienen, welche multi-proxy-basierte Informationen über vergangene Umweltbedingungen enthalten und ein großes Potential für die Korrelation von archäologischen und landschaftsgeschichtlichen Datensätzen innerhalb geoarchäologischer Mikroregionen bieten. Diese Dissertationsschrift leistet einen Beitrag zum BAP, indem sie Wissenslücken schließt und detaillierte Paläoumweltdaten der letzten 32.000 Jahre präsentiert. Gewonnen wurden die Daten aus einem 7,24 m langen Sedimentkern aus dem Ochaulsee (54°14’N, 106°28’O; 641 m ü.d.M.), einem kleinen Süßwassersee in der Mikroregion der Oberen Lena in der Cis-Baikal Region, die reich an archäologischen Fundstätten vom Jungpaläolithikum bis zur Bronze- und Eisenzeit ist. Die wichtigsten Ergebnisse wurden in drei Peer-Reviewed Studien in internationalen Fachzeitschriften publiziert. Der Fokus lag dabei auf zwei archäologisch und ökologisch wichtigen Zeitintervallen: (1) dem Letzten Glazialen Maximum (LGM: ca. 28.000–20.000 Jahre BP) und (2) dem Spätglazial und Holozän (vor ca. 13.500 Jahren BP bis heute). Die jeweiligen AMS-datierten Abschnitte des Ochaulsee-Bohrkerns wurden palynologisch analysiert. Anschließend wurden die erhaltenen Ergebnisse diskutiert und mit anderen Datensätzen innerhalb und außerhalb der BSR verglichen, um räumlich-zeitliche Unterschiede der rekonstruierten Umwelt- und Klimaveränderungen und deren Antriebsmechanismen zu untersuchen. Die publizierten archäologischen Daten aus der Cis-Baikal Region deuten darauf hin, dass die Region während des LGM, dem klimatisch harschesten Abschnitt des Spätquartärs, kontinuierlich Jäger-Sammler-Populationen beherbergte und daher wahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Ausbreitung des anatomisch modernen Menschen nach Nordostasien und Nordamerika spielte. Das Ausmaß des Waldrückganges während dieser Zeit ist nach wie vor umstritten. Die neuen Pollen- und Biomrekonstruktionen vom Ochaulsee zeigen, dass fruchtbare Steppe oder/und Strauchtundra die Gegend während des LGM dominierten. Zusammen mit nur dünner Schneebedeckung im Winter war dieser Vegetationstyp besonders vorteilhaft für große Herbivoren der sogenannten „Mammutfauna“, die wiederum regionale Jäger-Sammler-Gruppen mit ausreichend Nahrung und Rohmaterialien für Kleidung und Jagdwerkzeuge versorgen konnte. Jedoch zeigt das LGM-Pollenprofil des Ochaulsees ein kontinuierliches Vorkommen von borealen Bäumen und Sträuchern wie Birke, Fichte, verschiedene Kieferntaxa, Lärche und Weide in Anteilen, die kaum mit Ferntransport erklärt werden können. Das Überdauern von borealen Baumarten während des LGM und die anschließende Ausbreitung von Taigawäldern über Sibirien gehören nach wie vor zu den am längsten diskutierten Themen der Paläoumweltforschung. Diese Arbeit liefert gut begründete Hinweise darauf, dass die relativ feuchte Gegend um den Ochaulsee zu den glazialen Refugia gehörte, in denen boreale Baum- und Straucharten während der kältesten und trockensten Phasen des LGM überdauern und sich anschließend während des Spätglazials rasch über die gesamte BSR ausbreiten konnten. Bereits während des Allerøds dominierte offene Taigavegetation die Landschaft um den Ochaulsee. Das anschließende Jüngere Dryas Stadial führte zu einer offeneren Wald-Tundra-Landschaft mit hohem Strauchanteil und eher lückenhaften Waldgesellschaften. Der Beginn des Holozäns (ca. 11.650 Jahre BP) zeichnet sich durch die weitere und schnelle Ausbreitung borealer Waldvegetation um den Ochaulsee aus, welche etwa 1000 Jahre früher als am Kotokelsee in der Trans-Baikal Region auftrat. Die kontinuierliche Erwärmung während des Frühholozäns wurde mehrfach von kurzzeitigen Klimaschwankungen unterbrochen, was den Einfluss des Zusammenspiels von globaler Sonneneinstrahlung, Meeresspiegeländerungen und Eisschildtransformationen auf das regionale Klima und die Umwelt zeigt. Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen wurden während des Mittelholozäns (ca. 8000–4200 Jahre BP) vorteilhafter. Während des sogenannten „Holozänen Klimaoptimums“ erreichten die relativen Anteile borealer Baumtaxa die höchsten Werte, was für dicht bewaldete Landschaften um den Ochaulsee und eine maximale Ausbreitung von Waldvegetation in der BSR spricht. Die rekonstruierten Veränderungen der Vegetationsbedeckung während des Früh- und Mittelholozäns stehen im Zusammenhang mit einem erheblichen Klimawandel infolge einer Änderung der atmosphärischen Zirkulation und einem stärkeren, ganzjährigen Einfluss der nordatlantischen Luftmassen auf das regionale Klima, was zu massiverer und länger anhaltender Schneebedeckung führte. Diese Vegetations- und Klimaveränderungen sowie das Verschwinden des Großteils der Mammutfauna, eine der wichtigsten Nahrungsquellen für Jäger-Sammler-Kulturen, könnten Gründe für die Veränderungen des Gesundheitszustandes und der Lebensweise der frühneolithischen Kitoi-Populationen sein, die letztendlich zu einem kulturellen „Hiatus“ (ca. 6660–6060 Jahre BP) führten, wie archäologische Daten aus der BSR nahelegen. Die Pollendaten aus dem Spätholozän deuten auf eine sukzessive Öffnung der bewaldeten Landschaften um den Ochaulsee hin, was mit dem allmählichen Rückgang der sommerlichen Sonneneinstrahlung und der Lufttemperaturen in der nördlichen Hemisphäre aber auch mit einem intensiveren menschlichen Einfluss in der BSR zusammenhängen könnte. Sechs AMS-Radiokarbondatierungen von Knochenmaterial großer Herbivoren aus der archäologischen Fundstätte Ochaul am Nordufer des Sees deuten darauf hin, dass Jagdaktivitäten in Seenähe während eines sehr langen Zeitraums stattfanden, wobei der früheste Hinweis auf ein ausgestorbenes paläolithisches Pferd auf ca. 27.780–27.160 Jahre BP (95% Wahrscheinlichkeitsspanne) datiert wurde. Weitere Daten weisen auf die Jagd von Rehen, Hirschen und Elchen während des Mesolithikums (ca. 8850–8450 Jahre BP), des frühen, mittleren und späten Neolithikums (zwischen ca. 6840 und 5490 Jahren BP) und der Eisenzeit (ca. 2120–1930 Jahre BP) hin. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Ochaulsee und die umliegenden Gebiete trotz großer Umweltveränderungen während des LGM und des Holozäns für große Pflanzenfresser und prähistorische Jäger-Sammler attraktiv blieben, die scheinbar selbst während des mittelneolithischen kulturellen „Hiatus“ anwesend waren, wie AMS-datierte zooarchäologische Daten aus den Kulturschichten der Ochaul-Fundstätte belegen.