Application of Lake Sediment Carbon/Nitrogen Ratio in Post-Glacial Paleoenvironmental Reconstruction

Globaalsed kliima- ja keskkonnamuutused on tänapäeval inimkonna ees seisvatest probleemidest üks tõsisemaid. Tulevikuprognoosid saavad toetuda  looduslikele teguritele ja protsessidele, mis kujundasid maakera kliimat ja keskkonda geoloogilises minevikus. Järvesetetesse on talletunud informatsioon pärastjääaegsete kliima-, keskkonna- ja inimtekkeliste muutuste ning nende põhjuste kohta.

Doktoritöö käsitleb järvesetetesse akumuleerunud orgaanilise aine koostist ja päritolu, hinnates neid näitajaid kliimamuutuste, järve arengu ning inimmõju seisukohast pärastjääaegsel perioodil. Järves settinud orgaaniline aine on erinevate orgaaniliste ühendite segu, mis on moodustunud veekogus ja tema valglal elanud organismide elutegevuse tagajärjel. Orgaanilise aine elementkoostise süsiniku ja lämmastiku (C/N) suhe on paleouuringutes senini laiemat kasutust leidnud orgaanilise aine päritolu määramisel. Suhte väärtus võimaldab identifitseerida, kas aine pärineb veekogu vetikatest või maismaataimedest – taimhõljum on tänu tselluloosi puudumisele lämmastikurikas, samas kui maismaataimede puitjad koed on süsinikurikkad.

Doktoritöö eesmärgiks oli uurida: (1) äärmuslikke kliima- ja keskkonnamuutusi hilisjääajal ning Vara-Holotseenis ajavahemikul 14,600–10,700 aastat tagasi; (2) glatsiokarstilise järvenõo geneesi arenguetappe ning (3) hinnata nii primitiivse eelajaloolise maaviljeluse kui ka tänapäevase inimtegevuse mõju järve ökosüsteemile, tuginedes peamiselt muutustele järvesetete orgaanilise aine C/N suhte väärtustes.

Uuriti kolme Läti (Lielais Svētiņu, Ķikuru, Trikātas) ja ühe Eesti järve (Kooraste Linajärv) setteläbilõiget. Lisaks C/N suhtele hõlmasid komplekssed uuringud erinevaid litoloogilisi, geokeemilisi ja paleobotaanilisi näitajaid. Radiosüsiniku dateeringute ning varvo- ja tefrakronoloogia põhjal määrati uuritud setteläbilõigete vanus.

Lielais Svētiņu setete uuringutulemused näitavad, et C/N suhte väärtustes talletub kompleksne informatsioon nii kliimamuutuste, taimestiku arengu kui veekogu hüdroloogiliste tingimuste kohta. Uuritud ajalõik hilisjääajal ja Vara-Holotseenis 14 600–10 700 aastat tagasi on tuntud oma äärmuslike kliima- ja keskkonnamuutuste poolest. Leiti tugev positiivne korrelatsioon setete C/N suhte ja vetikate bioproduktsiooni ning õietolmust tuletatud keskmise suvetemperatuuri vahel. C/N suhe oli madalam külmematel perioodidel, millal vaatamata väiksemale vetikate produktsioonile oli sette orgaaniline aine valdavalt pärit fütoplanktonist. C/N suhe oli kõrgem soojematel perioodidel, millal domineeris maismaalt pärinev orgaaniline aine. Kliima soojenedes suurenes küll järve taimhõljumi biomass, kuid sellega kaasnes ka järve ümbritseva taimkatte laialdasem levik.

Seniste teadmiste põhjal eeldati, et enamik jääliustiku taganemisest allesjäänud mattunud irdjääpankadest sulas Euroopas hilisjääaja lõpus või Vara-Holotseeni alguses. Doktoritöö tulemused näitavad, et üksikud mattunud irdjääpangad olid Baltikumis alles veel ka Holotseeni kliimaoptimumi ajal 8500 aastat tagasi. Termokarstilise Ķikuru järve setteuuringud kinnitavad selle järk-järgulist arengut maismaast järveks. Mattunud irdjää sulamisel moodustus jääpanga kohal olevale mullakihile madalsoo, jääpanga edasisel sulamisel ning pinnase vajumisel tekkis aga järvenõgu.

Kooraste Linajärve setteuuringud viitavad linaleotusest põhjustatud äärmuslikele keskkonnamuutustele järve ökosüsteemis alates 19. sajandist. Endine läbipaistev ja pehmeveeline, aeglase settimiskiirusega vähetoiteline järv muutus intensiivse linaleotamise tõttu suure settimiskiirusega rohketoiteliseks järveks, kus veesammas oli tugevalt kihistunud, põhjakihtides valitses hapnikuvaegus ning pea aastaringselt leidsid aset veeõitsengud. Vaatamata sellele, et linaleotus järves lõpetati juba üle poole sajandi tagasi, takistab fosfori sisekoormus tänaseni järvevee kvaliteedi paranemist.

Trikātas järve paleolimnoloogiline uuring käsitleb pikaajalist, umbes 2500 aastat kestnud inimmõju järve ökosüsteemile. Tulemused kinnitavad, et põllumajandusliku tegevuse järk-järguline intensiivistumise ja järvevee kvaliteedi halvenemise vahel on tugev seos.

Käesoleva doktoritöö tulemused rõhutavad interdistsiplinaarse lähenemise olulisust järvede ja neid ümbritsevate alade keskkonna- ja kliimamuutuste rekonstrueerimisel.

Abstract

In the light of the current knowledge of global climate and subsequent environmental changes, understanding of the past ecosystem dynamics has become very important in comprehending present-day processes and predicting the future response of an ecosystem. Paleoecological records, preserved in various sedimentary deposits, including lake sediments, can provide a unique insight into the nature of the past.

This dissertation focuses on the composition and origin of lake sediment organic matter during a 14,600-year post-glacial period and assesses the response of organic matter to climate change, lake development, and human impact. The organic matter content of lake sediments comprises a complex mixture of biochemicals contained in the tissues of living and formerly living organisms from the lake itself and its catchment area. In this way, organic material may originate as particulate detritus of phytoplankton, from water plants growing in the shallower areas of the lake, and from terrestrial plants inhabiting the catchment area. The distinction between organic matter sources depends on their biochemical differences; nitrogen-rich non-vascular aquatic algae lack woody cellulosic tissues, whereas terrestrial vascular plants have tissues that contain carbon-rich cellulose. Thus, the carbon/nitrogen (C/N) ratio of lake sediments provides a means to distinguish between in-lake and catchment-derived organic matter.

The specific objectives of this dissertation are: (1) to evaluate the response of sedimentary C/N ratios to extreme climatic variability during the late-glacial and early Holocene period; (2) to evaluate the usability of C/N ratios in reconstructing kettle-hole lake development; and (3) to assess the lake ecosystem reaction to human impact by using C/N ratios.

The research is based on lake sediment sequences from three Latvian lakes (Lake Lielais Svētiņu, Lake Ķikuru, Lake Trikātas) and one Estonian lake (Lake Kooraste Linajärv). In addition to sediment C/N ratio analysis, several other lithological, geochemical, and paleobotanical proxies are used. The chronology of sediment sequences is based on radiocarbon dates, varve counts, and tephra shard analysis. 

In the Lake Lielais Svētiņu sediments, which covered the post-glacial period between 14,600–10,700 years ago, the results reveal that the C/N ratio integrates the signal ofseveral environmental variables and is closely related with an evolving climate, vegetation development, and hydrological conditions. The C/N ratio captures the pattern of climate fluctuations and is significantly positively correlated with pollen-inferred mean summer temperature: C/N is lower under colder conditions, indicating that organic matter originated predominantly from aquatic phytoplankton and is higher during warmer conditions, when both phytoplankton biomass and terrestrial biomass around the lake increase.

It is commonly assumed that the majority of buried ice-blocks in Europe melted at the end of the late-glacial period and during the first part of the early-Holocene. This dissertation shows that scattered dead-ice-blocks in the Baltic area may have been preserved in the ground until the Holocene Thermal Maximum ca. 8500 years ago. The development process of the thermokarstic lake depression formation in western Latvia is reconstructed: successive gradual changes from a terrestrial to an aquatic environment took place due to ice-block melting; terrestrial soil development was followed by fen peat formation, resulting in a subsequent kettle-hole lake.

Lake Kooraste Linajärv sediment sequence studies suggest abrupt and drastic consequences of flax retting since the 19th century, as a clear and soft-water oligotrophic lake with limited sedimentation switched into a hypertrophic high-sedimentation lake with anoxic bottom water, strong stratification, and intense phytoplankton blooms. The research also shows that although flax retting stopped 60 years ago, phosphorus release from the sediments is still so significant today that it hinders the improvement of the water quality of the lake.

The Lake Trikātas paleolimnological study presents a synthesis of the long-term evidence of human impact in the catchment and lake ecosystem over ca. 2500 years and links the development of farming activities and lake-water quality. The results of this research demonstrate the power of multi-proxy paleolimnological analyses together with sediment C/N ratio for investigating past climatic and environmental changes in lakes and their catchments.