Open Access

Andreas Koutsodendris

• Owing to long-term similarities with regard to orbital climate forcing (i.e., low eccentricity and a dampened influence of precession), Marine Isotope Stage (MIS) 11 represents one of the closest astronomical analogues for present and future climate. Hence, insights into the climate variability of MIS 11 can contribute to a better understanding of the climatic evolution of the present (Holocene) interglacial as it would occur without human interference. In order to elucidate the natural climate variability during MIS 11, this study examines predominantly annually laminated lake sediments of Holsteinian age from Dethlingen, northern Germany. The Holsteinian interglacial is widely accepted to be the terrestrial equivalent of MIS 11c in central Europe and can be biostratigraphically correlated with the Hoxnian, Mazovian and Praclaux interglacials on the British Isles, in Poland and in France, respectively. These correlations yield the potential to cross-check the results from individual sites on a regional scale. This study is based on a multi-proxy approach including palynological, micropaleontological, sedimentological, geochemical and time series analyses within a wellconstrained chronological framework that has been established through varve counting and regional bio-stratigraphic correlations with other annually laminated archives of Holsteinian age. In particular, the here-presented study aims at (i) fingerprinting the long-term (centennial- to millennial-scale) and short-term (sub-decadal- to decadal-scale) climate variability during the Holsteinian interglacial, (ii) deciphering the nature, tempo and trigger mechanisms of abrupt climate change under interglacial boundary conditions, and (iii) assessing its impact on terrestrial ecosystems. With regard to long-term climate variability, the vegetation succession at Dethlingen as inferred from pollen data provides insights into the mesocratic to telocratic forest phases of a glacial-interglacial cycle spanning ~11500 (± 1000) years of the 15-16-ka-long Holsteinian interglacial. The development of temperate mixed forests suggests a general prevalence of mild climatic conditions during the Holsteinian. The older parts of the interglacial are characterised by the strong presence of boreal tree taxa (e.g., Picea), whereas the younger parts of the interglacial are marked by the expansion of sub-Atlantic to Atlantic forest elements (e.g., Abies, Buxus, Ilex, Quercus) and the decline of boreal tree taxa. This vegetation succession suggests a general warming trend and decreasing seasonality over the course of the Holsteinian interglacial. Based on the maximum pollen abundances of indicator tree taxa (e.g., Buxus and Quercus), peak warmth was reached during the later stages of the interglacial; it was accompanied by high humidity. The forest succession of the Holsteinian interglacial was punctuated by abrupt and gradual changes in the abundances of temperate plant taxa. These vegetation changes indicate considerable intra-interglacial climate variability. In particular, two marked declines of temperate taxa leading to the transient development of boreal and sub-boreal forests were triggered by centennial-scale climate oscillations, here termed Older and Younger Holsteinian Oscillations (OHO and YHO). These oscillations occurred ~6000 and ~9000 years after the onset of the interglacial pioneer forestation in central Europe, respectively. To assess the impact of abrupt climate change on terrestrial ecosystems during the Holsteinian and to investigate the underlying driving mechanisms, the intervals spanning the OHO and the YHO at Dethlingen were subjected to decadal-scale palynological and sedimentological analyses. Based on these data, the OHO comprises a 90-year-long decline of temperate taxa associated with expansion of Pinus and non-arboreal pollen, and a subsequent 130-year-long recovery of temperate taxa marked by the pioneer expansion of Betula and Alnus. Owing to its highly characteristic imprint on vegetation dynamics, the OHO can be identified in pollen records from the central European lowlands north of 50º latitude, from the British Isles to Poland. A close inspection of individual pollen records from that region reveals the prevalence of colder winters during the OHO, with a gradient of decreasing temperature and moisture availability, and increased continentality towards eastern Europe. This climate pattern points to a weakened influence of the westerlies and/or stronger influence of the Siberian High connected to the OHO. The vegetation dynamics during the YHO are characterised by a decline of temperate taxa (particularly of Carpinus) and the expansion of pioneer trees (mainly Betula). In contrast to the OHO, frost-sensitive taxa (e.g., Ilex, Buxus and Hedera) continued to thrive. This suggests that mean winter temperatures remained relatively high (>0 ºC) during the YHO pointing to a decrease of summer warmth related to the climatic deterioration. The YHO, which has a duration on the order of 300 years, is centered within a long-term (~1500-year) decline and subsequent, millennial-scale recovery of temperate taxa. Because the impact of the OHO and the YHO on the vegetation at Dethlingen was markedly different, both short-term climate oscillations may have been caused by different trigger mechanisms. For the OHO, the inferred regional-scale winter cooling over central Europe lasting for several decades points to a decrease in ocean heat transport, most likely related to a transient slowdown in North Atlantic Deep Water formation. This view is supported by the strong resemblance of the OHO to the 8.2 ka event of the Holocene with regard to the duration, imprint on terrestrial ecosystems, spatial pattern of the climatic impact, timing within the respective interglacial, and prevailing interglacial boundary conditions. In contrast, the presence of frost-sensitive taxa during the YHO appears to exclude a reduction in oceanic heat transport as postulated for the OHO. Instead, the long-lasting, gradual changes in the abundances of temperate taxa suggest a connection to orbital forcing, with the triggering mechanism causing the centennial-scale vegetation setback itself remaining unclear. The characteristics of short-term climate variability were investigated based on microfacies and time series analyses of a ~3200-year-long, annually laminated window of the Dethlingen record. The annual laminations at Dethlingen comprise biogenic varves consisting of two discrete sub-layers. The light layers, which are controlled by the intensity of diatoms blooms during spring/summer, reflect changes in the productivity of the Dethlingen palaeolake. In contrast, the dark layers, which consist predominantly of amorphous organic matter and fragmented diatom frustules, represent sediment deposition during autumn/winter. Spectral analyses of the thicknesses of the light and dark layers have revealed several peaks exceeding the 95% and 99% confidence levels that are near-identical to those known from modern instrumental data and Holocene records. Decadal-scale signals at periods of 90, 25, and 10.5 years are likely associated with the 88-, 22- and 11-year solar cycles; hence, solar activity appears to have been a forcing agent in productivity changes of the Dethlingen palaeolake. Sub-decadal-scale signals at periods between 3 and 5 years and ~6 years may reflect an influence of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) on varve formation during winter.
• Das marine Isotopenstadium (MIS) 11 stellt eine der besten astronomischen Analogien für das MIS 1 (Holozän) dar, da die Konstellation der orbitalen Parameter (geringe Exzentrizität und reduzierter Einfluss der Präzession) sich während beider Isotopenstadien stark ähnelt. Damit kann die Untersuchung der Klimavariabilität während MIS 11 dazu beitragen, die Klimaentwicklung des gegenwärtigen Holozän-Interglazials ohne eine anthropogene Beeinflussung besser abzuschätzen. Um tiefere Einblicke in die natürliche Klimavariabilität während MIS 11 zu erhalten, wurden in der vorliegenden Arbeit annual laminierte Seesedimente aus dem Holstein-Interglazial von Dethlingen (Norddeutschland) untersucht. Das Holstein-Interglazial wird allgemein als terrestrisches Äquivalent zu MIS 11c in Mitteleuropa angesehen und kann biostratigraphisch mit dem Hoxnian-Interglazial der Britischen Inseln, dem Masowien-Interglazial Polens und dem Praclaux-Interglazial in Frankreich korreliert werden. Auf der Basis dieser Korrelationen ist ein Vergleich der Vegetations- und Klimadynamik in überregionalem Maßstab möglich. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem breiten methodischen Ansatz, der palynologische, mikropaläontologische, sedimentologische und geochemische Analysen sowie Zeitreihenanalysen umfasst. Die Arbeit zielt insbesondere auf (i) die genaue Erfassung der langfristigen (jahrhundert- bis jahrtausend-skaligen) und kurzfristigen (subdekadisch- bis dekadisch-skaligen) Klimavariabilität während des Holstein-Interglazials, (ii) die Ermittlung der Charakteristika und Geschwindigkeit eines abrupten Klimawechsels sowie der ihm zu Grunde liegenden Auslösemechanismen und (iii) das Abschätzen des Einflusses dieses abrupten Klimawechsels auf terrestrische Ökosysteme. In Bezug auf die langfristige Klimavariabilität erlauben die palynologischen Ergebnisse Einblicke in die holsteinzeitliche Vegetationsabfolge von der mesokratischen bis zur telokratischen Waldphase; die untersuchte Abfolge umfasst ~11,5 ka des 15-16 ka dauernden Holstein-Interglazials. Die palynologischen Befunde belegen die Entwicklung eines gemäßigten Mischwaldes in der Umgebung von Dethlingen. Die älteren Abschnitte des Interglazials werden durch eine starke Präsenz borealer Baumtaxa (z.B. Picea) charakterisiert, während die jüngeren Abschnitte durch Expansion subatlantischer bis atlantischer Waldelemente (z.B. Abies, Buxus, Ilex, Quercus) gekennzeichnet sind. Diese Vegetationsentwicklung legt einen generellen Erwärmungstrend und eine abnehmende Saisonalität während des Holstein-Interglazials nahe. Die Maximalhäufigkeiten von Buxus- und Quercus-Pollen während späterer Stadien des Interglazials weisen darauf hin, dass zu dieser Zeit die wärmsten Bedingungen (bei gleichzeitig hoher Humidität) erreicht wurden. Diese Beobachtung unterstützt eine Korrelation des Holstein-Interglazials mit MIS 11, da während dieses Isotopenstadiums im Gegensatz zu MIS 9 eine maximale Erwärmung im jüngeren Abschnitt des Interglazials auftritt. Basierend auf der Konstellation orbitaler Parameter und vorhandener Daten zum atlantischen Wärmetransport, welcher die Vegetationsdynamik in Mitteleuropa stark beeinflusst, wird die 15-16 ka andauernde Ausbildung von Wäldern während des Holstein-Interglazials in Mitteleuropa dem ~30 ka langen MIS 11c zugeordnet; dabei fällt die Waldphase in Mitteleuropa sehr wahrscheinlich in die zweite Hälfte von MIS 11c, also zwischen 415 und 397 ka BP. Für diese Einordnung sprechen drei Argumente: Erstens breiteten sich die borealen Pionierwälder höchstwahrscheinlich auf Grund der Verstärkung des ozeanischen Wärmetransports in den Nordatlantik nach 415 ka BP aus. Zweitens besteht mit großer Wahrscheinlichkeit eine Verbindung zwischen der maximalen Ausbreitung gemäßigter Wälder und dem Maximum der Sommer-Insolation in der nördlichen Hemisphäre während MIS 11c bei ~408 ka BP; für diese Zeit zeigen publizierte Daten eine maximale Advektion warmer Meeresoberflächenwässer in den polaren Nordatlantik, ein Minimum im globalen Eisvolumen und zugleich ein Temperatur-Maximum in der Antarktis. Drittens sollte der Rückgang gemäßigter Wälder in Mitteleuropa nach 401 ka BP, d.h. im Anschluss an den Rückgang der Oberflächenwassertemperatur im Nordatlantik stattgefunden haben, während der Übergang zu glazialen Bedingungen mit dem Insolationsminimum bei ~387 ka BP assoziiert war. Die Waldentwicklung während des Holstein-Interglazials war sowohl durch abrupte als auch durch graduelle Änderungen in den Häufigkeiten gemäßigter Pflanzentaxa gekennzeichnet. Diese Vegetationsänderungen weisen auf eine ausgeprägte Klimavariabilität innerhalb des Interglazials hin. Zwei deutliche Rückgänge gemäßigter Taxa, welche die Entwicklung borealer und subborealer Wälder zur Folge hatten, wurden durch jahrhundertskalige Klima-Oszillationen ausgelöst; sie werden im Folgenden als Ältere („Older“) und Jüngere („Younger“) Holstein-Oszillation (OHO bzw. YHO) bezeichnet. Diese Oszillationen ereigneten sich ~6000 bzw. ~9000 Jahre nach dem Einsetzen der interglazialen Bewaldung durch Pionier-Baumarten in Mitteleuropa. Basierend auf der Warvenchronologie für das Dethlingen-Profil und der Annahme, dass die Expansion der Wälder des Holstein-Interglazials in Mitteleuropa während der zweiten Hälfte von MIS 11c stattfand, kann der OHO ein Alter von ~408 und der YHO ein Alter von ~405 ka BP zugeordnet werden. Um den Einfluss der OHO und der YHO auf terrestrische Ökosysteme währen des Holstein-Interglazials zu erfassen und die zu Grunde liegenden Antriebsmechanismen zu entschlüsseln, wurden diese kritischen Intervalle hochauflösend (dekadisch-skalig) palynologisch und sedimentologisch analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die OHO mit einem ausgeprägten, 90 Jahre andauernden Rückgang gemäßigter Taxa und einer gleichzeitigen Ausbreitung von Pinus sowie Gräsern und Kräutern beginnt. Eine darauf folgende, 130 Jahre andauernde Regeneration gemäßigter Taxa wurde durch die Expansion von Pioniergehölzen (Betula, Alnus) eingeleitet. Auf Grund ihres charakteristischen Einflusses auf die jeweilige Vegetationsdynamik kann die OHO in Pollendatensätzen aus Flachlandgebieten Mitteleuropas nördlich des 50. Breitengrades von den Britischen Inseln bis nach Polen identifiziert werden. Die Auswertung aller verfügbaren palynologischen Datensätze aus dieser Region zeigt das Vorherrschen kälterer Winter während der OHO, mit graduell abnehmender Temperatur und Humidität und erhöhter Kontinentalität in Richtung Osteuropa. Dieses räumliche Muster deutet auf einen schwächeren Einfluss der Westwinde und/oder einen stärkeren Einfluss des Sibirischen Hochs in Verbindung mit der OHO hin. In Pollendatensätzen aus den Mittelgebirgen zwischen 45° und 50° nördlicher Breite kann der Einfluss der OHO nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Die Gründe hierfür bleiben unklar. Möglicher Weise war hier der klimatische Einfluss der OHO auf die Vegetation geringer bzw. blieb innerhalb der klimatischen Toleranz der dortigen Vegetation. Weiter erscheint denkbar, dass eine im Vergleich zum Flachland andersartige Reaktion der Mittelgebirgsvegetation aus höheren Niederschlägen resultierte, die durch eine Südverschiebung der Westwinddrift verursacht wurden. Ein solcher Humiditätsanstieg könnte das Wachstum montaner Baumarten wie z.B. Abies, dem dominanten Baumtaxon im alpinen Holstein, gefördert haben; Abies besitzt unter Klimabedingungen mit hohen Sommerniederschlägen und niedrigeren Wintertemperaturen einen Wettbewerbsvorteil. Die Vegetationsdynamik während der YHO wird durch einen Rückgang gemäßigter Taxa (besonders Carpinus) und der Ausbreitung von Baumpionieren (vor allem Betula) charakterisiert. Im Gegensatz zur OHO treten frostempfindliche Taxa (z.B. Ilex, Buxus und Hedera) auch während der Oszillation, was darauf hin deutet, dass die mittleren Wintertemperaturen während der YHO nicht oder nur wenig unter 0 ºC absanken. Deshalb erscheint es plausibel, dass ein Mangel an Sommerwärme für den Vegetationsrückschlag während der YHO verantwortlich gewesen sein könnte. Da die YHO bislang nur in wenigen Pollenprofilen nachgewiesen wurde, ist ihre räumliche Ausdehnung bisher nur unzureichend bekannt. Allerdings erscheint es möglich, dass der Einfluss der YHO auf die Vegetation Mitteleuropas bisher auf Grund des Vorherrschens frost-sensitiver Baumtaxa übersehen wurde. Daher erscheint es notwendig, die verfügbaren Pollendatensätze aus Mitteleuropa auf Änderungen in den Häufigkeiten gemäßigter und auf warme Sommer angewiesener Taxa auszuwerten. Die YHO liegt inmitten eines graduellen, ca. ~1500 Jahre anhaltenden Rückgangs und einer nachfolgender Erholung gemäßigter Taxa. Eventuell korreliert dieser längerfristige Rückgang und Wiederanstieg mit einer in der Literatur dokumentierten längerfristigen Fluktuation der Oberflächenwassertemperaturen im Nordatlantik um ~405 ka BP, wobei diese Korrelationen allerdings durch den Mangel an belastbaren Chronologien erschwert werden. Da sich die Einflüsse von OHO und YHO auf die Vegetation deutlich voneinander unterscheiden, wurden diese Klima-Oszillationen vermutlich durch unterschiedliche Auslösemechanismen verursacht. Die mit der OHO einher gehende und Jahrzehnte anhaltende Abkühlung der mittleren Wintertemperatur in Mitteleuropa deutet auf einen reduzierten ozeanischen Wärmetransport hin, der mit einem kurzfristigen Rückgang der Bildung des nordatlantischen Tiefenwassers im Zusammenhang stehen könnte. DieseHypothese wird durch die starke Ähnlichkeit der OHO mit dem 8.2-ka-Ereignis des Holozäns unterstützt. Weit gehende Übereinstimmungen zwischen beiden Ereignissen bestehen bezüglich der jeweiligen Dauer, der Auswirkung auf terrestrische Ökosysteme, des räumlichen Musters des Klimaeinflusses, des Auftrittszeitpunkts innerhalb des jeweiligen Interglazials und der interglazialen Rahmenbedingungen. Demnach wäre eine durch Schmelzwasser verursachte Abschwächung der Tiefenwasserbildung ein klimatreibender Faktor, der häufiger als bislang angenommen auch unter interglazialen Bedingungen auftritt. solche Klimarückschläge scheinen unter interglazialen Bedingungen bevorzugt dann aufzutreten, wenn die Zunahme der Sommer-Insolation am Ende des vorherigen Glazials langsam und gering ist und somit einen Fortbestand der großen kontinentalen Eisschilde bis weit in das Interglazial ermöglicht. Im Gegensatz dazu widerspricht die Präsenz frostempfindlicher Taxa während der YHO einer vorübergehenden Reduzierung des ozeanischen Wärmetransports, wie er für die OHO postuliert wird. Die YHO liegt am Ende eines langfristigen, graduellen Rückgangs gemäßigter Baumtaxa, der vermutlich die Reaktion der Vegetation auf orbitale Einflüsse widerspiegelt, vor allem auf einen Rückgang der Sommer-Insolation während jüngerer Phasen von MIS 11c. Während des orbital gesteuerten und somit graduellen Rückgangs der Sommer-Insolation wurde vermutlich ein kritischer Schwellenwert überschritten und dadurch die vergleichsweise abrupte YHO ausgelöst. Allerdings ist der Anstieg gemäßigter Taxa nach der YHO nicht mit der weiterhin sinkenden Sommer-Insolation kompatibel. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Mechanismen für den langfristigen Rückgang vor und die folgende Erholung gemäßigter Taxa nach der YHO verantwortlich sein dürften. Die Charakteristika kurzfristiger Klimavariabilität wurden an Hand von Mikrofazies- und Zeitreihenanalysen eines ~3200 Jahre umfassenden, jahreszeitlich geschichteten Abschnitts im Profil von Dethlingen untersucht. Die Jahreszeitenschichtung beruht auf biogenen Warven, die aus zwei unterschiedlichen Teillagen bestehen. Die Zusammensetzung und Mächtigkeit der hellen Lagen wird hauptsächlich durch den jährlichen Zyklus der Diatomeenblüte bestimmt. Diese werden durch Taxa der Gattungen Stephanodiscus, Ulnaria und Aulacoseira dominiert. Die dunklen Lagen bestehen primär aus amorphem organischem Material mit Fragmenten von Diatomeen-Frusteln. Aufgearbeitete periphytische Diatomeen, Pflanzenreste, Nadeln von Süßwasserschwämmen der Litoralzone und Goldalgenzysten sind häufig. Die dunklen Lagen enthalten oft geringe Konzentrationen von Tonpartikeln, welche in den hellen Lagen fast völlig fehlen. Die Abfolge und Charakteristika der einzelnen Warvenlagen indizieren, dass die Diatomeenlagen während des Frühlings/Sommers abgelagert wurden und Änderungen in der Produktivität des Paläosees von Dethlingen reflektieren, während die aus organischem Material und Detritus bestehenden dunklen Lagen während des Herbsts/Winters gebildet wurden. Spektralanalysen der Dicke der hellen und dunklen Lagen zeigen mehrere, die 95%- und 99%-Verlässlichkeitsstufen übersteigende Signale, die mit denjenigen, die aus modernen Messdaten und holozänen Datensätzen bekannt sind, nahezu identisch sind. Dekadischskalige Signale mit einer Periodizität von 90, 25 und 10,5 Jahren stehen vermutlich im Zusammenhang mit den 88, 22 und 11 Jahre umfassenden solaren Zyklen; dementsprechend scheint die Sonnenaktivität einer der Auslöser für die Produktivitäts-Änderungen im Paläosee von Dethlingen gewesen zu sein. Subdekadisch-skalige Signale mit einer Periodizität von 3-5 und ~6 Jahren reflektieren vermutlich den Einfluss der „El Niño-Southern Oscillation“ (ENSO) und der „Nordatlantischen Oszillation“ (NAO) auf die winterliche Lagenbildung. Im Licht dieser Ergebnisse ist die Vergleichbarkeit der klimatreibenden Faktoren während der Holstein- und Holozän-Interglaziale nicht auf die bereits etablierte Analogie bezüglich der langfristigen astronomischen Konstellation beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf kurze (subdekadische bis dekadische) Zeitskalen. Somit sollten bei Modellierungen zukünftiger Klimaszenarios, denen die MIS-11/MIS-1-Analogie zugrunde liegt, auch auf kurzfristigen Skalen agierende Klimafaktoren berücksichtigt werden.