Interplay between Lake and Catchment Processes in Kuhai Lake Basin, NE Tibetan Plateau, China, during Late Holocene

Abstract

The Tibetan Plateau (TP), the largest and highest plateau in the world and important water resource region for billions of people on the Asian continent, is considered a unique area in Central Asia for deciphering the relationship between landscape evolution and climate impact. Lake basins and their catchments are therefore valuable research objects for studying the process- response behavior of individual systems as they react very sensitive to climatic and non-climatic factors that influence sediment and water flux from the sources to the sinks. Commonly, these processes are archived in sediments of lakes as long as they persist and are not subject to erosion/deflation. Hence, many researchers concentrated on lake research on the TP to elucidate the evolution of lakes in response to climate impact, for example. Especially the interplay between the Asian Monsoon system and the mid-latitude Westerlies are in the focus of such studies. The overwhelming majority of research results based on various proxy data rely on sediment records from lakes, derived from a single sediment core, preferably retrieved from the deepest and central part of lake basins. The results imply that the proxy data, extracted from the respective sediment parameters, are spatially and temporally valid for the entire research region and beyond. In most cases, catchment dynamics and their interaction with the lake were not or less considered for the overall interpretation of climate- and/or non-climate-induced processes that influenced the lake hydrology and its evolution through time. The Kuhai Lake Basin, located on the north-eastern TP, was selected for this study in order to combine investigations in the lake’s catchment with those on the lake itself. This strategy was considered a necessary requirement for a better understanding of interrelated processes responsible for the evolution of the lake. Especially their response to climate impact by the East Asian Summer monsoon (EASM) and the Westerlies were in the focus of this study. Geomorphological studies in the catchment of the lake were conducted with focus on the drainage systems and their sediments, combined with morphological landforms formed by aeolian processes. Thirty sediment sections were investigated by means of sediment composition (grain size) and fossil remains (ostracod), where possible. In addition, selected sediment sequences in several sections were dated by radiocarbon-AMS or OSL techniques. Sediments from the lake were used for detailed high-resolution analysis. They comprised 57 lake surface samples covering the entire lake basin and four sediment cores with individual lengths of up to 2.75 m from different locations in the lake. The chronology of all sediment cores was achieved by radiocarbon-AMS dating on different fractions from bulk samples and/or plant remains. 210Pb/137Cs dating was used for age control of the upper 25 cm sediment from one core. Records from the lake cover the last 4000 years of sedimentation history. High- resolution analyses (1 or 2 cm resolution) of lake sediments from the lake comprise grain size by laser technology, geochemical components by LOI and ICP-OES, mineral identification by XRD, stable isotopes δ13C/δ18O on authigenic carbonate and ostracod identification. Morphological- sedimentological investigations in the catchment confirmed two different drainage systems on the northern and eastern side of the lake basin with slight differences in lithology of the headwater regions (Permian versus Triassic formations). Most important is the fact that the northern drainage systems are only periodically active during the rainy season in summer time, thus providing water and sediments to the lake during a limited period of the year. Conversely, the southern drainage system is active all the year round with perennial water and sediment supply, as also two other smaller systems in the south-east and south-west do. These conditions of the modern time most likely existed also during the last 4000 years. Two distinct terrace systems bordering the main rivers are indicative of sequential incision by strong fluvial erosion of unknown age for the higher one, whereas the younger one was formed during the last few hundred years. Incision rate for the younger terrace accounts for >3mm/year which is a rather high value. It can be assumed that the incision into the own fan is the result of tectonic uplift of the catchment in combination with a lowered lake level. Aeolian sediments in the Kuhai catchment reveal deposition of dune sand and other aeolian sand covers mainly during the early Holocene and late Holocene. Fine-grained loess deposits however, indicate the contribution of these aeolian components since the last 9 ka, mainly preserved in the upper parts of the catchment. The wide- spread dune fields in the north-eastern part of the lake basin are relatively young in age and suggest earliest accumulation at about 3 ka while the major dune bodies are not older than 2000 years. Analyses of lake surface samples from Kuhai Lake confirm the very high spatial diversity of grain size components, minerals/geochemical elements and ostracod assemblages, all strongly affected by the contribution of the two different drainage systems, lake-internal currents and vertical water temperature gradients as well. High proportions of fine-grained lacustrine deposits (transported as suspended load) were found in the center and southern part of the lake basin. The same applied to carbonates with high proportions of Monohydrocalcite (MHC). The latter occurred in high concentrations mainly in water depths below 10 m, with water temperatures <8°C. Non-detrital High-Mg-Calcite and Dolomite were only concentrated at few locations in areas protected from inflowing rivers in water depths above 10 m. Only two species of ostracod (Eucypris mareotica, Limnocythere inopinata), both common species with wider environment tolerance range were recorded in surface sediments, of which L. inopinata is considered to live in shallow water environments of lakes and ponds. They only occurred at few sites in shallow parts of the lake with water depths between 4 and <11 m, while L. inopinata was not found in water depths >8 m. The distribution of aquatic plants (mainly consisting of sea grass, e.g., Potamogeton sp.) was everywhere restricted to a water depth <6 m, while algae (not specified) were found in all water depth but with considerably low amounts in the profundal zone (~>14 m water depth). Stable oxygen and carbon isotopes in carbonates showed a clear dependence on evaporative effects and on inflowing water. Lightest values were recorded at the river mouths and continuously increasing values (heavier) towards the lake center and the southern part of the lake, due to continued mixing with isotopically heavier lake water and evaporation. Their changes also marked the pathway of inflowing water towards the lake center. Highest values corresponded with the deposition of non-detrital High- Mg Calcite and Dolomite at protected sites with less water exchange. In general, increasing isotope values in the lake reflect the mixing process with heavier lake water and evaporation. All parameters mentioned above were used for the estimation of water depth changes during the past 4000 years, derived from the sediment composition in cores. Sediments in the four lake records also displayed a high diversity among them and through depth and time, depending on their position to the inflowing river systems. In general, higher fluctuations of grain size components in the cores closer to the inflow regions of the two river systems corresponded with changes in energy flow. Consequently, the core from the lake center showed less variation in grain size. Fluctuations in fine-grained lacustrine deposits which certainly included aeolian loess components as well, but likely with lower amounts, were used to identify water depth changes too, in relation to the sediment flux from the two river systems. These fluctuations corresponded with the occurrence/disappearance of MHC in favor of non-detrital High-Mg-Calcite and Dolomite and with the distribution of aquatic plants for certain time periods. Stable oxygen isotopes in the core records support these inferences. Moreover, they displayed not only changes in water supply from the catchment but also a clear differentiation between water sources and the timing of discharges. During the summer season, local rainfall connected with the EASM effective moisture supply, enhanced discharge via all river systems toward the lake, while during the off-Monsoon season only water/snow from local water vapor recycling processes and/or from westerly-derived sources contributed to the lake’s water budget, mainly via the perennial rivers. This pattern of seasonal dimension most likely influenced the isotopic composition of the lake water, from which the carbonates precipitated. The proportion of the two contributing water resources in combination with lower temperatures and reduced evaporation effects during the off-monsoon period reflected the isotopic composition of the lake carbonates. As a result, the isotopic pattern in carbonates from Kuhai Lake was opposite to the patterns in summer monsoon-controlled speleothem records. Both data sets were used here as comparison for discussing the EASM influence in this region during the last 4000 years. Phases of weak EASM influence accompanied by very low lake levels and related water depth occurred during the period 4-2.7 cal. ka BP (dry interlude), due to less water inflow from the episodic river systems. The core locations closer to the inflowing sites were temporally dry or experienced pond and/or wetland conditions, favorable for ostracod and plants to develop there. The low water depth in the lake center enabled the occurrence of ostracod and the growth of sea grass as well, preserved in the respective sediments. Comparable climate conditions with weak EASM in favor to the Westerlies also occurred during the time intervals of the Dark Ages Cold Period (DACP, 1.5-1 cal. ka BP) and Little Ice Age (LIA, 0.55-0.05 cal. ka BP, ca. 1300-1900 AD) with strong negative water balances, although less pronounced in comparison to the previous longer dry interlude. Conversely, a stable phase with stronger influence of EASM effective moisture supply and possibly slightly higher lake level as today occurred between 2.7 and 1.5 cal. ka BP. Similar conditions were recorded for the period of the Medieval Warm Period (MWP, 0.95-0.65 cal. ka BP), with fluctuation bur generally greater water depth than the preceding period. These changes of EASM influence in favor of Westerly–derived climate during the drier and perhaps colder periods may have been due to the southwards shift of the ITCZ that reduced the atmospheric pressure gradient between the ocean and the TP, resulting in weaker influence of effective summer monsoon moisture transport to the northern latitude along the modern monsoon boundary. In addition, it seems possible that changes in solar radiation beside other possible drivers affected the water balances in the Kuhai lake region.

Das Tibet Plateau (TP), größtes und höchst gelegenes Plateau der Erde und gleichzeitig wichtige Wasser-Resource für Milliarden von Menschen des asiatischen Kontinents, kann als einzigartige Region betrachtet werden, die Beziehungen zwischen Landschaftsentwicklung und Klima zu entschlüsseln. Seebecken und ihre Einzugsgebiete sind daher wertvolle Untersuchungsobjekte, um die Wirkungsgefüge zwischen Prozess und Reaktion individueller Systeme zu studieren, da diese sehr sensitiv auf klimatische und nichtklimatische Faktoren reagieren und dadurch den Sediment- und Wassertransport von der Quelle bis zum Ort der Ablagerung beeinflussen. Gewöhnlich werden diese Prozesse in Sedimenten der Seen archiviert, solange diese existieren und nicht der Abtragung durch Erosion und/oder Deflation unterliegen. Daher haben sich zahlreiche Forscher auf die Untersuchungen von Seen des Tibet Plateaus konzentriert, um die Geschichte der Seenentwicklung als Reaktionen auf den Klimaeinfluss aufzuklären. Insbesondere die Wechselbeziehungen zwischen dem Asiatischen Monsunsystem und dem Westwindsystem der mittleren Breiten liegen dabei im Fokus dieser Untersuchungen. Die überwältigende Mehrheit der Forschungsergebnisse aus Proxidaten vertraut auf Sedimentdaten aus Seen, welche aus einem einzigen Sedimentkern entnommen wurden, vorzugsweise aus der Seemitte bzw. aus den tiefsten Teilen des Seebeckens. Es wird dabei angenommen, dass die extrahierten Proxidaten aus den Sedimenten sowohl zeitlich als auch räumlich für die gesamte Untersuchungsregion und darüber hinaus repräsentativ sind. In den meisten Fällen sind die dynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Einzugsgebiet und dem See im Hinblick auf die Interpretation von klimarelevanten und nicht-klimatischen Prozessen, welche die hydrologische Entwicklung des Sees in der Zeit steuern, weniger betrachtet worden. Das Kuhai-Becken im nordöstlichen Tibet Plateau wurde für diese Studie ausgewählt, um Untersuchungen im Einzugsgebiet des Beckens mit denen im See zu kombinieren. Diese Strategie wird als notwendige Voraussetzung erachtet, um das Verständnis über die Wechselwirkungen verschiedener Prozesse zu vertiefen, die für die Genese des Sees verantwortlich sind. Dabei standen die Einflüsse des Ostasiatischen Sommermonsuns (EASM) und der Westwinde auf das System im Vordergrund. Es wurden geomorphologische Untersuchungen im Einzugsgebiet des Sees mit Fokus auf die Abflusssysteme und ihrer Sedimente in Kombination mit Landformungen durch äolische Prozesse durchgeführt. Insgesamt wurden 30 Profile untersucht und sedimentologisch mit Hilfe von Korngrößenanalysen sowie Fossilresten (Ostrakoden) ausgewertet, sofern möglich. Zusätzlich wurden ausgewählte Sedimentprofile und mit Hilfe von Radiokarbon-AMS oder Optisch Stimulierter Lumineszenz (OSL) datiert. Sedimente aus dem Kuhai See wurden hochauflösend analysiert. Diese umfassten 57 über den See verteilte Oberflächenproben vom Seegrund sowie 4 Sedimentbohrkerne mit individuellen Kernlängen bis zu 2,75 m aus verschieden Teilen den Sees. Die Chronologie der Sedimente aus allen Bohrkernen wurde durch Radiokarbon-AMS Datierungen an unterschiedlichen Fraktionen einer Probe sowie an fossilen Pflanzenresten ermittelt. Zusätzlich wurden an einem ausgewählten Bohrkern die obersten 25 cm Sediment mittels Blei-Cäsium Methode (210Pb/137Cs) datiert. Insgesamt decken die Kerne die letzten 4000 Jahre Sedimentationsgeschichte ab. Die hochauflösende Analyse (1 cm bzw. 2 cm Auflösung) der Seesedimente umfasste Korngrößen mittels Lasertechnik, geochemische Komponenten mittels Glühverlust (LOI) und ICP-OES, Mineralbestimmung mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Stabile Isotope δ13C/δ18O an authigenen Karbonaten sowie Ostrakodenbestimmung. Die morphologisch-sedimentologischen Untersuchungen im Einzugsgebiet bestätigen die Existenz von zwei unterschiedlichen Drainagesystemen, östlich und nördlich des Seebeckens mit lithologisch geringfügigen Unterschieden in den Ausgangsgesteinen der oberen Einzugsgebiete (Permische versus Triassische Gesteine). Bedeutender ist allerdings die Tatsache, dass im Norden bzw. Nordosten des Sees ausschließlich periodische/episodische Systeme vorzufinden sind, die nur während der Hauptregenzeiten im Sommer aktiv sind. Im Gegensatz dazu, sind insgesamt drei dauerhaft aktive Systeme im Osten, Südosten und Südwesten aktiv, die das ganze Jahr über Wasser und Sediment dem See zuführen. Diese aktuellen Abflussbedingungen können auch für die Vergangenheit (zumindest für die letzten 4000 Jahre) angenommen werden. Zwei markante Terrassensysteme begleiten die Flüsse und zeugen von intensiver Tiefenerosion durch fluviale Aktivität. Für die obere ältere Terrasse ist ein Alter unbekannt. Die untere jüngere ist erst in den letzten wenigen Hundert Jahren gebildet worden und weist auf eine ungewöhnlich hohe Erosionsrate von >3mm/Jahr hin. Es kann davon ausgegangen werden, dass die bisherige Einschneidung in den eigenen Schwemmfächer als Folge tektonischer Hebung des Einzugsgebietes im Verbund mit einem niedrigeren Seespiegel erfolgte. Äolische Sedimente im Kuhai Einzugsgebiet belegen die Ablagerung von Dünensand sowie Sanddecken, welche aufgrund der Datierungen in das frühe Holozän und in das Spätholozän gestellt werden können. Feinkörnigere Lösse sind gemäß vorliegender Datierungen zumindest seit etwa 9000 Jahren abgelagert worden und sind in den höheren Lagen des Einzugsgebietes deutlich oberhalb des Sees erhalten geblieben. Das ausgedehnte Dünengebiet im Nordosten des Sees ist dagegen relativ jung und läßt auf eine Ablagerung um 3 ka schließen, wobei die Hauptteile der Dünenkörper nicht älter als 2 ka sind. Die Analysen der Oberflächensedimente aus dem See belegen die sehr hohe räumliche Diversität der Korngrößenkomponenten, Minerale, geochemische Elemente und Ostrakoden. Diese ist durch die beiden unterschiedlichen Drainagesysteme und deren Zuläufe, durch die see-interne Wasserzirkulation und den vertikalen Temperaturgradienten im Wasser bedingt. Hohe Anteile feinklastischer Seesedimente (transportiert als Suspensionsfracht der Flüsse) finden sich im Zentrum und im südlichen Becken des Sees. Gleiches gilt für die Ablagerung von Karbonaten, wobei Monohydrokalzit (MHC) als dominantes Mineral gefunden wurde . Letzteres tritt in höheren Konzentrationen in Wassertiefen unterhalb 10 m auf, in denen die Temperaturen entsprechend vorliegender Messungen unterhalb 8°C liegen. Nicht-detritischer Hochmagnesium-Kalzit und Dolomit trat nur an wenigen Stellen in höheren Konzentrationen oberhalb von 10 m Wassertiefe auf und dann auch nur an geschützten Stellen außerhalb des direkten Einmündungsbereiches der Flüsse an Stellen mit vermutetem geringeren Wasseraustauch. Lediglich 2 verschiedene Ostrakodenarten konnten in den Oberflächensedimenten gefunden werden: Eucypris mareotica und Limnocythere inopinata, die beide eine größere Toleranz hinsichtlich ihrer ökologischen Lebensansprüche aufweisen, wobei L. inopinata als Bewohner von Seen und Kleingewässern im Flachwasser bekannt ist. Beide Arten traten nur in sehr wenigen Proben auf und dann nur in Wassertiefen zwischen 4 und <11 m. L. inopinata hingegen war nicht in Wassertiefen >8 m zu finden. Die Verbreitung von Wasserpflanzen (Seegras, u.a. Potamogeton sp.) war überall begrenzt auf Wassertiefen oberhalb 6 m, während Algen (nicht näher bestimmt) in allen Proben zu finden waren, allerdings in deutlich geringeren Anteilen im Profundal des Sees unterhalb 14 m Wassertiefe. Stabile Sauerstoff und Kohlenstoffisotope in Karbonaten zeigten eine deutliche Abhängigkeit von Evaporation und zufließendem Wasser, wobei die leichteren Isotope im Mündungsbereich der Flüsse angetroffen wurden und seewärts durch fortschreitende Mischung mit dem Seewasser und Evaporation isotopisch schwerer wurden. Sie ezichneten aber auch den Transportweg des zufließenden Wassers nach. Schwerere Sauerstoffisotope korrespondierten mit nicht-detritischem Hochmagnesium-Kalzit und Dolomit. Alle oben genannten Parameter wurden für eine Abschätzung der Wassertiefenverhältnisse bzw. Seespiegelveränderungen während der letzten 4000 Jahre genutzt, welche aus den Sedimentdaten der Bohrkerne angeleitet werden konnten. Sedimente der Bohrkerne zeigten ebenso wie die Oberflächenproben eine hohe Diversität untereinander und über die Tiefe/Zeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Position der Bohrkerne zu den Drainagesystemen. Stärkere Fluktuationen im Korngrößenspektrum waren in solchen Kernen zu beobachten, die näher an den Zuflüssen lagen, womit sie das Abflussverhalten der jeweiligen Flüsse widerspiegeln. Deutlich geringere Korngrößenvariationen traten im Zentrum des Sees auf. Die Fluktuationen der Feinkomponenten, welche sicherlich auch zu einem geringeren Anteil äolische Sedimente (Löß) enthielten, wurden ebenfalls als Indikatoren für Seespiegeländerungen bzw. Wassertiefenschwankungen in Abhängigkeit vom Eintrag durch variable Flussaktivität herangezogen. Die Variationen korrespondierten mit dem Auftreten/Verschwinden von MHC zugunsten von nicht-detritischem Hochmagnesium-Kalzit und Dolomit sowie mit der Verteilung von Wasserpflanzen (Seegras) während bestimmter Zeitabschnitte. Variationen der stabilen Sauerstoffisotope unterstützen nicht nur diese Annahmen der Seespiegel/Wassertiefenveränderungen, sondern auch die Änderungen im Wasserdargebot über die Flüsse in Abhängigkeit saisonaler Aktivitätsphasen. Während der Sommerperiode führte der durch den EASM verursachte Niederschlag zu hohem Abfluss aller Drainagesysteme Richtung See. In den Perioden außerhalb des Monsuneinflusses (Herbst bis Frühjahr) erfolgte die (geringere) Wasserversorgung des See im Wesentlichen unter Einfluss der Westwindsysteme und -möglicherweise durch lokales Recycling von Wasserdampf begünstigt - über die perennierenden Flüsse, ähnlich den heutigen Verhältnissen.. Dieses Muster mit saisonaler Prägung hat sehr wahrscheinlich die isotopische Zusammensetzung des Wassers beeinflusst. Dabei dürfte der jeweilige Anteil der unterschiedlichen Niederschlagsquellen am gesamten Wasserdargebot neben den saisonalen Temperatur- und Verdunstungseffekten die isotopische Zusammensetzung des Seewassers beeinflusst haben, von welchem die Karbonate präzipitierten. Als Ergebnis zeigt sich deshalb ein gegenläufiges Muster zu den bekannten Isotopenmustern in den Höhlensedimenten der Monsunregion. Dieser Unterschied wurde für die Rekonstruktion des EASM Einflusses der letzten 4000 Jahre herangezogen. Danach traten Phasen mit schwachem EASM Einfluss und resultierendem sehr niedrigen Seespiegel (geringe Wassertiefen) vor allem in der Periode zwischen 4 und 2,7 ka BP auf (Trockenperiode). Diese sind als Folge des reduzierten Abflussgeschehens vor allem über die nur episodisch aktiven Drainagesysteme zu betrachten. An den mehr ufernahen Bohrlokalitäten war der Seespiegel extrem niedrig und führte zumindest zeitweilig zur Bildung von Trockenbereichen sowie Flachwasser- bzw. Sumpfzonen, vorteilhaft für die Entwicklung der Ostrakodenpopulationen und Flora, welche in den Sedimenten der Bohrkerne gespeichert wurden. Vergleichbare Verhältnisse eines schwachen Monsuneinflusses zugunsten der Westerlies traten auch in den kälteren und trockeneren Perioden um 1,5-1,0 ka BP („Dark Cold Ages Period“, Periode nach dem Fall des Römischen Reiches), und um 0,55-0,05 ka BP (ca. 1300-1900 AD) während der Kleinen Eiszeit auf, gekennzeichnet durch negative Wasserbilanzen des Kuhai Sees, die jedoch im Vergleich zu der vorhergehenden Periode geringer waren. Im Gegensatz dazu konnten trotz kleinerer Schwankungen überwiegend stabile und positive Wasserbilanzen zwischen 2,7 und 1,5 ka BP sowie während der Mittelalterlichen Wärmeschwankung (MWP) zwischen ca. 0,95 und 0.65 ka BP festgestellt werden. Sie sind die auf eine Intensivierung des EASM Einflusses zurückzuführen und entsprechen weitestgehend den heutigen Bedingungen. Fluktuationen des EASM-gesteuerten Klimaeinflusses mit stärkerer Ausprägung der Westerlies während der trockeneren und sicherlich auch kälteren Perioden gehen vermutlich auf die Südwärtsverlagerung der Innertropischen Konvergenzzone (ITC) zurück, welche eine Abschwächung der Druckgegensätze zwischen dem Ozean (Pazifik) und dem TP begünstigte und dadurch die nordwärtige Ausdehnung des sommermonsunalen Niederschlags entlang der heutigen Monsungrenze behinderte. Darüber hinaus kann vermutet werden, dass die Schwankungen in der Solarstrahlung ebenfalls einen negativen Einfluss auf den Wasserhaushalt des Kuhai Sees ausgeübt haben können.