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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-68165
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6816/


Reconstruction of the Holocene Indian monsoon climate variability based on biogeochemical analyses of lake sediments

Rekonstruktion der holozänen Variabilität des indischen Monsunklimas anhand biogeochemischer Analysen von Seesedimenten

Menzel, Philip

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SWD-Schlagwörter: Biogeochemie , Holozän , Monsunklima , Aminosäuren , Isotopengeochemie , Indien , See
Freie Schlagwörter (Deutsch): Klimarekonstruktion
Freie Schlagwörter (Englisch): climate reconstruction
Basisklassifikation: 38.23 , 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.06.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 03.07.2014
Kurzfassung auf Englisch: The studies presented in this thesis focus on the reconstruction of the Holocene Indian monsoon climate based on biogeochemical analyses on lake sediments. In a first step, amino acid-based organic matter degradation and source proxies are tested for their general applicability in different lacustrine environments in India (chapter 3). Additionally, the modern hydrological and biogeochemical properties of the central Indian Lonar Lake that was selected for the palao-climate reconstruction are investigated (chapter 4). Finally, the gathered information is integrated into the palaeo-climate reconstruction conducted on a ca. 10 m long sediment core (chapter 4).
In chapter 3, I report the results of amino acid and hexosamine analyses of sediment, soil, vascular plant, and suspended matter samples of four Indian lakes from different climate regimes. Focus is on the identification of amino acid-based degradation and organic matter source proxies that show universal applicability in lacustrine environments. Based on a principal component analysis, a lake sediment degradation proxy is calculated that should be suitable for comparison of the state of organic matter degradation between study sites with different environmental and climatic properties.
Chapter 4 summarises the investigation of the present day conditions of endorheic Lonar Lake in Maharashtra, central India. The lake is eutrophic, brackish, alkaline, and permanently anoxic at water depths > 4 m. Due to high pH and anoxic conditions, denitrification and ammonia volatilisation dominate the dissolved inorganic nitrogen cycle and cause very high δ15N values of organisms that grow within the lake. Different redox condition in the sediments of the shallow, nearshore and the deep, distal sediments result in differing organic matter degradation mechanisms and related amino acid assemblages as well as δ15N values. Based on the different amino acid assemblages in organic matter degraded under oxic and organic matter degraded under sub- to anoxic conditions, a redox proxy is calculated that is also applied to the Lonar Lake sediment core during the palaeo-environmental and palaeo-climate reconstruction (chapter 5).
The results of the biogeochemical and mineralogical analyses on the Lonar Lake sediment core that covers the Holocene sedimentation history of the lake are presented in chapter 5. The results of C/N ratios, stable carbon and nitrogen isotopes, grain-size, as well as amino acid derived degradation proxies are compared with climatically sensitive proxies of other records from South Asia and the North Atlantic region. In addition to a long term climate transition from humid conditions during the early Holocene to more arid conditions during the late Holocene at Lonar Lake, delineating the northern hemisphere insolation, several centennial scale climate shifts can be identified. These centennial scale climate shifts correlate with climate variations in the North Atlantic region that were reported in the literature. Contemporaneity of shifts to drier climate in India and colder climate in the North Atlantic region indicate connection between the two climate systems or reaction to identical forcings. A correlation of the climate shifts in both regions with the 14C production rate, a solar output proxy, suggest this forcing to be responsible for the connection between the two systems. Regarding the archaeological history of India, the strong dry phase during 4.6 – 3.9 cal ka BP as reconstructed from Lonar Lake sediments corroborates the hypothesis that severe climate deterioration contributed to the decline of the Indus Civilisation about 3.9 ka BP.
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel dieser Arbeit war eine Rekonstruktion des holozänen Monsunklimas Indiens mithilfe biogeochemischer Analysen von Seesedimenten. In einem ersten Schritt werden auf Aminosäureanalysen basierende Abbau- und Quellindikatoren, die ursprünglich aus marinen Proben entwickelt wurden, auf ihre allgemeine Anwendbarkeit in Seen überprüft (Kapitel 3). Zusätzlich werden die heutigen hydrologischen und biogeochemischen Eigenschaften des zentralindischen Lonar Sees, der für die Paläoklimarekonstruktion ausgewählt wurde, untersucht (Kapitel 4). Schließlich werden die daraus ermittelten Klimaproxies für eine Paläoklimarekonstruktion an einem ca. 10 m langen Sedimentkern aus dem Lonar See genutzt (Kapitel 4).
In Kapitel 3 erläutere ich die Ergebnisse der Aminosäure- und Hexosaminanalysen von Sediment-, Boden-, Gefäßpflanzen-, und Schwebstoffproben von vier indischen Seen aus unterschiedlichen Klimaregionen. Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von aminosäurebasierten Abbau- und Quellindikatoren, die universelle Anwendbarkeit in lakustrinen Ökosystemen zeigen. Anhand einer Hauptkomponentenanalyse wurde ein Seesediment-Abbauindikator berechnet, der für den Vergleich des Abbaugrades organischer Substanzen von Studienorten mit unterschiedlichen Umwelt- und Klimaeigenschaften geeignet sein sollte.
Kapitel 4 fasst die Untersuchung der heutigen Umweltbedingungen des abflusslosen Lonar Sees im zentralindischen Staat Maharashtra zusammen. Der See ist eutroph, brackig, alkalisch und in Wassertiefen > 4 m permanent anoxisch. Aufgrund der hohen pH-Werte und anoxischen Bedingungen dominieren Denitrifikation und Ammoniak Verflüchtigung den gelösten anorganischen Stickstoffkreislauf und verursachen sehr hohe δ15N-Werte der in dem See wachsenden Organismen. Unterschiedliche Redoxbedingungen in den flachen ufernahen Sedimenten und den tiefen distalen Sedimenten führen zu unterschiedlichen Abbaumechanismen und Aminosäurezusammensetzungen sowie δ15N-Werten des organischen Materials. Basierend auf den Aminosäurezusammensetzungen des organischen Materials, welches unter oxischen beziehungsweise anoxischen Bedingungen abgebaut wurde, wird ein Redox-Index berechnet, der während der Paläoumwelt- und Paläoklimarekonstruktion in Kapitel 5 Anwendung findet.
Die Ergebnisse der biogeochemischen und mineralogischen Analysen des Sedimentkerns aus dem Lonar See, der die holozäne Sedimentationsgeschichte des Sees wiedergibt, werden in Kapitel 5 vorgestellt. Die Ergebnisse der C/N-Verhältnisse, der stabilen Kohlenstoff- und Stickstoffisotopie, der Korngrößenverteilung, sowie der aminosäurebasierten Abbauindizes werden mit klimasensitiven Messgrößen anderer Datensätze aus Südasien und der Nordatlantikregion verglichen. Neben einem langfristigen Klimaübergang von feuchten Bedingungen im frühen Holozän zu trockeneren Bedingungen während des späten Holozäns in der Region des Lonar Sees, der mit der Veränderung der Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel korreliert, können mehrere Klimaveränderungen im Hundertjahresrhythmus identifiziert werden. Diese kleinerskaligen Klimaveränderungen korrelieren mit in der Literatur beschriebenen Klimaschwankungen in der Nordatlantikregion. Synchrone Veränderungen zu trockenerem Klima in Indien und kälterem Klima in der Nordatlantikregion implizieren eine Verbindung zwischen den beiden Klimasystemen oder gemeinsame Reaktionen auf identische Impulse. Korrelationen zwischen den Klimaveränderungen in beiden Regionen und der 14C-Nukleidproduktionsrate, einem Solarleistungsindikator, deuten darauf hin, dass Änderungen in der Solarleistung für die Verbindung zwischen den beiden Systemen verantwortlich sein könnten. Bezüglich der archäologischen Geschichte Indiens lässt sich vermuten, dass verringerte Niederschläge, die anhand der Untersuchungen der Seesedimente des Lonar Sees für 4,6 bis 3,9 cal ka BP rekonstruiert wurden, zum Niedergang der Induskultur etwa 3,9 ka BP beitrugen.

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