The Mediterranean landscapes are highly fragile and sensitive to changes in the natural and human ecosystems. While the general morphodynamic changes and their dominating driving factors have been well studied, regional peculiarities are still not fully understood, particularly in western Türkiye. This study focuses on the ancient city of Pergamon, which underwent a profound urban transformation during the Hellenistic–Roman periods, thereby influencing its micro-region in various aspects. Moreover, the Pergamon micro-region has a long history of human activities and occupation dating back to the Late Epipalaeolithic Period, with continuity since the Early Bronze Age. This doctoral project primarily aims to understand the spatiotemporal pattern of geomorphodynamics and their dominating drivers in the Pergamon micro-region since the Middle- to Late Holocene. This cumulative thesis consists of four case studies that employ different methods on multiple temporal and spatial scales. (1) Geomorphometric calculations and visual interpretation of remote sensing data were used to map and analyze the present-day geomorphological characteristics of the Bakırçay and Madra river catchments, providing a micro-regional background for the subsequent research. (2) Two case studies involving radiocarbon-dated sediment sequences in the mountainous catchments of Tekkedere and Deliktaş were conducted to reconstruct the Holocene geomorphodynamics and obtain a better understanding of their driving factors from a small-scale perspective. (3) Back to a micro-regional scale, monthly rainfall data for the last 6000 years from the AWI-ESM climate model and spatiotemporal pattern of archaeological sites in the western lower Bakırçay catchment were incorporated to calculate the soil erosion and deposition risk during the Mid- to Late Holocene by applying the Unit Stream Power Erosion Deposition (USPED) model. In addition, the soil erosion and deposition situation in recent times and sedimentation rate calculated from an updated meta-data analysis of 14C ages were applied for comparison. The main highlights of the present-day geomorphological mapping and the reconstruction of the Mid- to Late Holocene geomorphodynamics are as follows. The present-day Pergamon micro-region exhibits a highly heterogeneous and complex landscape shaped by Miocene–Pleistocene tectonics, which formed the basic structure and provides essential resources for human settlements. The human impacts in the micro-region have influenced local geomorphodynamics. Archive-based reconstructions indicate two approximately simultaneous phases of increased geomorphodynamics that occurred during the Middle and Late Holocene in the alluvial fans of the Tekkedere and Deliktaş catchments, two tributaries of the lower course of the Bakırçay river, despite the slight variation in the structures of the fan development. The burial of soils resulting from the fan growth (progradation) marked the initial increase in geomorphodynamic activities around 5–3.7 ka BP, approximately between the Early and Middle Bronze Age. This coincided with a supra-regional drying trend accompanied by rapid climate change events, and the amplification of the initially local human activities. However, strong effects of the Hellenistic–Roman transformation were not evident from the synchronous fan sediments. The valley bottom sediments in the Tekkedere catchments and the fan-edge sediments in the Deliktaş catchment deposited after ca. 1.5 ka BP might be associated with this assumed accelerated geomorphodynamics. The USPED modeling results indicate the past and present spatial heterogeneity in the soil erosion and deposition risk within the western lower Bakırçay catchment. The present-day soil erosion risk is validated by field observations and is remarkably higher than that modelled for selected time slices over the last 6000 years. Throughout the Mid- to Late Holocene, the micro-regional geomorphodynamics most likely experienced five main phases, as supported by both the soil erosion and deposition risk estimated from the USPED modeling and the sedimentation rates estimated from a meta-data analysis of 14C-ages (n = 140) from sediment archives in the micro-region (incorporated with samples from the Tekkedere and Deliktaş catchment, updated from Becker et al., (2020). The second phase (ca. 5–3.7 ka BP) and the fourth phase (ca. 2.5–1.5 ka BP) were characterized by an apparent acceleration of geomorphodynamics. They are roughly consistent with the sedimentological evidence from the tributary catchments of Tekkedere and Deliktaş, and the sediment dynamics observed in the supra-regional studies of the eastern Mediterranean. Both climate change and human activities are suggested to mutually contribute to the geomorphodynamics. The weak correlation between rainfall fluctuations and the modeled soil erosion risk requires further validation with archive-based input climate data. The highest soil erosion risk occurring during the Hellenistic–Roman transformation reveals the potential time when the human impacts exceeded the climate pressure on the landscape. Overall, this doctoral thesis emphasizes the importance of studying the human–climate–geomorphodynamic interactions across various spatiotemporal scales and employing multiple methods. The findings can be applied not only to the broader Pergamon micro-region but also to other regions. Furthermore, the thesis discusses essential improvements for future quantitative research, including the proxy-based reconstruction of rainfall and land use distribution, precise chronology, and model calibration and validation.
Die Mediterranen Landschaften sind äußerst fragil und empfindlich gegenüber Veränderungen in den natürlichen und menschlichen Ökosystemen. Obwohl der allgemeine Trend geomorphologischer Veränderungen und ihre vorherrschenden treibenden Faktoren gut erforscht sind, sind (mikro-)regionale Besonderheiten immer noch nicht vollständig verstanden, insbesondere in der Westtürkei. Diese Studie konzentriert sich auf die antike Stadt Pergamon, die während der hellenistisch-römischen Zeit eine tiefgreifende städtische Transformation durchlief und damit auch ihre Mikroregion in vielerlei Hinsicht beeinflusste. Darüber hinaus hat die Mikroregion eine lange Geschichte menschlicher Aktivitäten und Besiedlung, die bis in die späte Epipaläolithikum-Periode zurückreicht und seit der frühen Bronzezeit andauert. Ziel dieser Doktorarbeit ist es primär, das räumlich-zeitliche Muster der Geomorphodynamik und ihre treibenden Faktoren vom Mittel- bis zum Spätholozän in der Pergamon-Mikroregion zu untersuchen. Diese kumulative Arbeit besteht aus vier Artikeln, die verschiedene Methoden auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen anwenden. (1) Für die Kartierung und Analyse der heutigen geomorphologischen Charakteristika in den Flusseinzugsgebieten des Bakırçay und des Madra wurden geomorphometrische Analysen und visuelle Interpretationen von Fernerkundungsdaten durchgeführt, die die Grundlage auf Ebene der Mikroregion Pergamon für die folgenden kleinskaligen Untersuchungen bilden. (2) Zwei Fallstudien basieren auf der Analyse radiokarbondatierter Sedimentsequenzen, die auf den Schwemmfächern von zwei Seitentälern (Deliktaş und Tekkedere) der die Landschaft prägenden westlichen unteren Bakırçay-Ebene mittels Rammkernsondierungen erbohrt wurden, um die Geomorphodynamik im ländlichen Raum und ihre Einflussfaktoren auf einer kleinräumigen Skala zu rekonstruieren. (3) Unter Einbeziehung räumlich interpolierter monatlicher Niederschlagsdaten für die letzten 6000 Jahre (AWI-ESM-Klimamodell) und dem raum-zeitlichen Verbreitungsmuster archäologischer Stätten in der westlichen unteren Bakırçay-Ebene wurde die mikroregionale Dimension des Bodenerosions- und Depositionsrisikos während des mittleren bis späten Holozäns mit dem Unit Stream Power Erosion Deposition (USPED)-Modell simuliert. Darüber hinaus wurden zum Vergleich das rezente Bodenerosions- und Ablagerungsrisiko sowie die Sedimentationsraten herangezogen, die aus einer aktualisierten Metadatenanalyse der 14C-Alter aus bereits vorliegenden Sedimentprofilen berechnet wurden. Die wichtigsten Ergebnisse der geomorphologischen Kartierung und der Rekonstruktion der mittel- bis spätholozänen Geomorphodynamik lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die heutige Mikroregion Pergamon weist eine sehr heterogene und komplexe morphotektonische Landschaft auf. Die miozän-pleistozäne Tektonik prägt die Großformen des Reliefs, die wesentliche Ressourcen für menschliche Siedlungsaktivitäten bereitstellen. Die menschlichen Einflüsse in der Mikroregion verändern die lokale Geomorphodynamik. Archivbasierte Rekonstruktionen weisen auf zwei annähernd gleichzeitige Phasen erhöhter Geomorphodynamik hin, die während des mittleren und späten Holozäns in den Schwemmfächer-Sedimenten der Einzugsgebiete des Tekkedere und des Deliktaş, zwei Nebenflüssen des Unterlaufs des Bakırçay-Flusses, trotz geringfügiger Unterschiede in der Entwicklung der beiden Schwemmfächer, zu sehen sind. Die Überdeckung von Böden durch die progradierenden Schwemmfächer markierte den ersten Anstieg der Mittel-/Spätholozänen Geomorphodynamik wahrscheinlich während der frühen und mittleren Bronzezeit (ungefährer 5–3,7 ka BP). Diese Entwicklung verlief annähernd parallel zu einer Phase überregionaler Aridisierung mit raschen Klimaveränderungen. Die einhergehende geomorphodyamische Entwicklung wurde durch den Beginn lokaler menschlicher Aktivitäten verstärkt. Die tiefgreifenden Auswirkungen der hellenistisch-römischen Transformation sind jedoch in den kontemporären Fächersedimenten nicht erkennbar. Die Talboden- und Fächerrandsedimente lagerten sich nach ca. 1,5 ka BP ab und könnten mit dieser angenommenen Geomorphodynamik verbunden sein. Die USPED-Modellierung zeigt einen analogen Charakter der räumlichen heterogenen Entwicklung der Geomorphodynamik in der westlichen unteren Bakırçay-Ebene. Das Erosionsrisiko in der heutigen Zeit ist höher als in den letzten 6000 Jahren. Während des mittleren bis späten Holozäns durchlief die Geomorphodynamik der Mikroregion fünf Hauptphasen, die auch durch eine (aktualisierte) Meta-daten Analyse der 14C-Alter aus den Sedimentarchiven der Mikro-region bestätigt wird. Die zweite (ca. 5–3,7 ka BP) und die vierte (ca. 2,5–1,5 ka BP) Phase mit einer offensichtlichen Verstärkung der Geomorphodynamik sind in etwa vergleichbar mit den Sedimentbefunden aus den Teileinzugsgebieten Tekkedere und Deliktaş und der für den östlichen Mittelmeerraums rekonstruierten Sedimentdynamik. Es ist davon auszugehen, dass sowohl klimatische Veränderungen als auch menschliche Aktivitäten zur veränderten Geomorphodynamik beitragen. Die schwache Korrelation der Niederschlagsschwankungen mit der Bodenerosion bedarf einer weiteren Validierung mit archivbasierten Eingangsklimadaten. Das höchste Erosionsrisiko während der hellenistisch-römischen Transformation zeigt, dass der menschliche Druck den Effekt des sich veränderten Klimas übersteigt. Insgesamt unterstreicht diese Dissertation die Bedeutung der Untersuchung der Mensch-Klima-Geomorphodynamik-Interaktionen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen und mit Hilfe mehrerer Methoden, was eine Anwendung auf die weitere Mikroregion Pergamon und sogar darüber hinaus ermöglicht. Wesentliche Verbesserungen in der Zukunft, um die Forschung quantitativ voranzutreiben, werden in der Dissertation zusätzlich diskutiert, einschließlich der proxy-basierten Rekonstruktion der Niederschlags- und Landnutzungsverteilung, der präzisen Chronologie sowie der Modellkalibrierung und -validierung.
