Seesedimente als Archive von Umweltveränderungen

Seesedimente als Archive von Umweltveränderungen

Monica Tolotti

Fondazione Edmund Mach – S. Michele all’Adige

Überblick

• Wozu und wie untersucht man die Seesedimente?

• Ziele und Methodik von PERMAQUA im Bereich Seesedimente (WP5)

Warum untersucht man die Seesedimente?

Die Untersuchung von Seesedimenten stellt den Zugang zum

historischen Archiv von Seen dar.

Physikalische, chemische und biologische

Ereignisse in Seen hinterlassen Reste und Signale, die Tag für Tag auf den Seeboden sinken und

dann langsam Seesedimente bilden.

Wie untersucht man die Seesedimente?

Sedimentkorer Kernbeprobung Kern-trophäe!

Extrusion

Ausschneiden und Beprobung

Vermessungen

Paläolimnologie - ein multidisziplinäres Verfahren (I)

Geochemische Indikatoren

Visuelles Aussehen, Granulometrie, Dichte: Hydrologie

Wasser- und organischer Gehalt, S, N, P: chemische und trophische Entwicklung

Radionuklide (210_Pb, 137_Cs, 226_Ra, 241_Am), 14_{C: Altersdatierung}

SCPs (Spheroidal Carbonaceous Particles) : indikatoren für fossile Brennstoffe

Schwermetalle (Ni, Cr, Zn), schwer abbaubare Substanzen (zB. PCBs, PAHs):

landwirtschaftliche und industrielle Belastung

S, C, N stabile Isotope: Versauerung, Eutrophierung, Nahrungsnetze

Perylene

Die Paläolimnologie untersucht zahlreiche “proxies”

Paläolimnologie: ein multidisziplinäres Verfahren (II)

Biologische Indikatoren Organismenreste:

- Pflanzen: Pollen, Kieselalgen, Zysten (Chrysophyceen und Cyanobakterien) - Tiere: Wasserflöhe, Muschelkrebse, Insekte, Muscheln, etc...

Biochemische „Reste“:

- Algen- und Bakterienpigmente: Algenproduktion

- Fette, organische Moleküle: Veränderungen der Biodiversität

- DNA: Veränderungen der Biodiversität (genetische Zusammensetzung, Mikroevolution, physiologische Eigenschaften)

Rekonstruktion der vergangenen chmischen Bedingungen

Jeder Organismus kann sich innerhab von bestimmten Bereichen von Umweltfaktoren (z.b. Temperatur, pH, Nahrstoffe) entwickeln und vermehren.

Die Gesamtheit dieser Bereiche stellt die

ökologischer Nische des Organismus dar.

Optimum = Wert, bei welchem der Organismus am besten wachsen kann

(die größste Abundanz erreicht)

Toleranz = suboptimaler Werte, in denen das Organismus noch große

Abundanz erreichen kann. Tolerante Arten haben breitere Toleranzbereiche (gelb)

Optimum

Toleranz

Optimum und Toleranz der verschiedenen Arten können durch ökologische Untersuchungen

A g e ( y e a rs D .C .) 1935 1981 2011 2005 1998 1988 1967 1971 1963 1900 1861 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 D e p th ( c m ) 40 80 Aula cose ira is land ica 50 100 Cyc lote lla d elicat ula 4 8 Cyc lote lla p raet erm issa 0 5 10 15 Disc oste lla s tellig eroi des 8 16 Cyc lote lla a tom us 45 90 Cyc lote lla c oste i 5 10 Disc oste lla s tellig era 45 90 Cyc lote lla c omen sis 13 26 Cyc lote lla o cella ta 15 30 Cyc lote lla p seud ocom ensi s 20 40 Step hano disc us p arvu s 4 8 Frag ilaria nan oide s 4 8 Frag ilaria nan ana 10 20 Frag ilaria acu s va r. an gust issi ma 25 50 Aste rione lla fo rmos a 20 40 Frag ilaria cro tone nsis 2 4 Stau rosir ella pin nata 4 8 Achn anth idiu m m inut issim um 1 2 Ency onop sis mic roce phal a 3 6 Amph ora pedi culu s 1 2 Nitz schi a fo ntic ola 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 %

Umweltveränderungen Veränderungen in der Zusammesetzung und Abundanz der Arten

Die statistische Kombination von Abundanz, Optimum und Toleranz aller Arten in einer Probestelle ergibt eine Schätzung der vergangenen Werten für pH, Nährstoffgehalt oder Wassertemperatur

Rekonstruktion der vergangenen chmischen Bediehnungen

Wozu dient die Paläolimnologie ?

Sie ist nicht (nur) eine akademische Übung, um die Neugier auf die historische Seegeschichte zu stillen …

Wenn man nicht weiß, wohin man geht, sollte man zumindest wissen, woher man kommt.

Sererer Sprichwort (Senegal)

Je weiter man zurückblicken kann, desto weiter wird man vorausschauen.

= gemessene, rekonstruierte, künftig zu erwartende Informationen = unbekannt Heute Vergangenheit Zunkunft Aktuelle limnologische Untersuchungen

Wozu dient die Paläolimnologie ?

Hauptziel: Erkenntnisse über die langfristige ökologische Entwicklung von

Seen in Verbindung mit lokalen und globalen Veränderungen zu

erweitern, um diese Informationen für die Prognose zukünftiger

Entwicklung einsetzen zu können

Paläolimnologische Rekonstruktion

Paläolimnologie - Klassische Anwendungen

Rekonstruktion der langfristigen Entwicklung der Nährstoffe in Seen

Bestimmung der Referenzbedingungen und der Sanierungsziele (Qualitätsniveau nach WFD EU/60 2000)

Bestimmung der Sensitivität vonSeen im Zusammenhang mit künftiger Nährstoffbelastung (scenarios)

Entwicklung von Anpassungsstrategien zur Erhaltung der ökologischen Funktionsfähigkeit und Nutzung durch den Menschen

Zahlreiche europäische Seen erfuhren eine Eutrophierung (Nährstoffbelastung und Zunahme der Produktivität) nach dem 2. Weltkrieg, insbesondere von 1960 bis 1970 (Schindler et al., 2006)

Wichtige Effekte:

• Zunahme der Algenbiomasse • Toxische Algenblüten

• Abnahme der Sichttiefe (Tourismus)

• Abnahme des Sauerstoffgehalts (Abbau von Algenbiomasse) • Fischsterben, Verlust von Biodiversität

Paläolimnologie in Hochgebirgsseen

b) einfachere Nahrungs-netze, Prozesse und Dynamik a) der direkte menschliche Einfluss ist gering

a) diffuse menschliche Belastung (atmosphärische

Verschmutzung)

b) sehr sensitiv gegenüber dem Klimawandel (globale Erwär-mung, Schmelzen der Gletscher und des Permafrost )

c) zunehmende Rolle als Wasser-resource (Wasserkraftwerke, künstliche Beschneidung, Trinkwasser)

Sedimentstudien die Lücken schliessen

• nicht so unbelastete Systeme • optimale Studienobjekte

für die Untersuchung der Effekte des klimawandels

• geringe Kenntnisse (bessere Qualität als viele Niederungsseen) • kaum saisonale und langfristige

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ziele

• Dokumentation der ökologischen Entwicklung von Seen in Permafrostgebieten seit Ende der kleiner Eiszeit (nach ~1850 A.D.)

• Untersuchung von direkten und indirekten Effekten des Klimawandels auf biologische Gemeinschaften in von Permafrost beeinflussten Hochgebirgsseen • Seit wannsind diese Effekte offensichtlich? Kann man sie quantifizieren?

• Vergleichende Untersuchungen von Vertikalkernen aus Blockgletschern und Moorsedimenten

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Methodik

5 Hochgebirgsseen in Permafrostgebieten von Nord- und Südtirol ( )

Sedimentkerne zwischen Spätsommer und Herbst in 2012 und 2013 entnommen

Großer Malersee Reintal, 2501 m Wannenkarsee Windachtal, 2639 m Upiasee Matschertal, 2552 m Wilder Pludersee Ultental, 2483 m Hungerschartensee Schnalstal, 2778 m

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Methodik

Altersdatierung durch Radionuklide (210_Pb, 137_Cs)

Visuelles Aussehen und Dichte

Wasser- und organischer Gehalt: chemische und trophische Entwicklung

Spurelemente und Schwermetalle (Ni, Cr, Zn): atmosphärische Belastung, Auswirkung des Klimawandels auf Permafrost

Diatomeen als:

a) Indikatoren von historischen Umweltveränderungen

b) Rekonstruktion von Wasser-pH (Abschmelzen des Permafrosts) c) Rekonstruktion von Gesamtphophor als Indikator der Seetrophie

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

• Kein deutliches Signal der üblichen Effekte des Wirtschaftsbooms (1960-1970) A lt e r (J a h re N .C .) 1929 2012 2003 1954 1884 1973 1991 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 T ie fe ( c m ) ? 330 A.D. ± 25 Se dim ent atio nsr ate Dic hte Wa sse rge halt Org an isch er G eha lt 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 ~1790?

Cartina ST con puntino

• Deutliche Veränderungen der Textur, Abnahme der Dichte, Zunahme von Wassergehalt und organischem Gehalt in den letzten ~200 Jahren.

• Sehr stabile Bedingungen in den tieferen Schichten bis 11 cm Tiefe14_{C Datierung!}

A lt e r (J a h re N .C .) 1929 2012 2003 1954 1884 1973 1991 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 T ie fe ( c m ) 80 160 Dia tom ee n L O I-1 1 0^9 25 50 DA R 1 0^6 0.1 Zys ten /Dia tom ee n 50 100 Pe nn ale s Be nth isch e F rag ilari ace ae Zen tris ch e 3 6 Sh an non In dex 10 20 He tero ge nei ty H ill's N2 1 Eve ne ss ( J) 50 100 Re st Alk alip hil Zirk um ne utra l Aci do ph il Aci do bio nth ic 50 100 Re st Ind iffe ren t Eu tra ph en t Me so-E utr aph en t Olig o-M eso tra ph ent 50 100 Re st Feu ch t Wa sse r u nd feu cht Me iste ns Wa sse r Wa sse r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

sehr wenige Diatomeen

1) Großer Malersee: Diatomeen

• Zunahme der alkaliphilen, meso-eutraphenten Arten, und Abnahme der säureliebenden und oligotraphenten Arten in den letzten ~150 Jahren.

A lt e r (J a h re N .C .) 1929 2012 2003 1954 1884 1973 19915 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 T ie fe ( c m ) 7.0 7.5 8.0 WA T-I nv LW WA -In v-X 7.0 7.5 8.0 WA -In v LW WA -In v-X 7 10 WA -Cla 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

~1790? 7.6 7,3 7,6 6,8 6,0 aktueller pH: 7,2 aktueller GP: 2-4 µµµµg L-1 7,4 7,3 9,2

• Durchgehende Zunahme des pH und Abnahme des Gesamtphosphors in den tieferen Schichten (Mittelalter) bis 11 cm Tiefe = ?14_{C Datierung!}

• Sehr stabile Bedingungen seit Ende des 19. Jahrhunderts:

keine Permafrosteinflüsse

• Leichte Versauerung zwischen 11 und 7 cm Tiefe:

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

A lt e r (J a h re N .C .) 1929 2012 2003 1954 1884 1973 1991 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 T ie fe ( c m )

SiO2 Al2O3 MgO Cr Rb Zr Pb S Ni Zn Co Cu As

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Die Interpretazion ist durch die Kombination von geologischen, chemischen und biologischen Prozessen erschwert (z.B. SiO₂)

Max: seit Anfang der 2000er

Max: 1970er

• Ab 11 cm Tiefe: - durchnehmende Abnahme der Elemente, die mit der Geologie vom Einzugsgebiet verbuden sind (abnehmende Verwitterung).

- Zunahme der atmosphärische Belastung: Pb, S, Schwermetalle - ausgeprägte Zunahme der Schwermetalle (Permafrosteinfluss)

Se dim ent atio nsr ate Dic hte Wa sse rge ha lt Org an isch er Ge ha lt 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 T ie fe ( c m ) A lt e r (J a h re N .C .) 1953 2008 1999 1967 1935 1977 1986 5 1901 ? 1636 A.D. ± 23 • Kein deutliches Signal des

Wirtschaftsbooms (1960-1970)

2) Leicht säure Seen : Wannenkarsee (pH ~ 6,3)

• Deutliche Veränderungen der Textur, Abnahme der Dichte, leichte Zunahme von Wassergehalt und orga-nischem Gehalt in den letzten

~100 Jahren.

• Sehr stabile Bedingungen in den tieferen Schichten

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 T ie fe ( c m ) 4 8 Dia tom ee n L O I-1 1 0^9 3 6 DA R 1 0^6 0.2 Sto ma tozy ste n / Dia tom een 50 100 Pe nn ale s Be nth isch e F rag ilari ace ae Fäd ige Ze ntr isch en 400 Be nto nisc he F rag il / Pe nn ales 5 Sh an non In dex 6 12 He tero ge nei ty H ill's N2 1 Eve ne ss ( J) 50 100 Re st Alk alip hil Zirk um ne utra l Aci do ph il Aci do bio nth ic 50 100 Re st Ind iffe ren t Me so-E utr aph en t Me sotr ap hen t Olig o-M eso tra ph ent Olig otra ph ent 50 100 Re st Feu cht Wa sse r u nd feu cht Wa sse r 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A lt e r (J a h re N .C .) 1953 2008 1999 1967 1935 1977 1986 1901

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

• Zunahme der säureliebenden und oligotraphenten Arten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, und seit Anfang der 1980er Jahre.

A lt e r (J a h re N .C .) 1953 2008 1999 1967 1935 1977 1986 1901 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 T ie fe ( c m ) 6.0 6.5 WA -Inv LW WA -In v 6.0 6.5 WA -Inv 2 4 6 WA -Cla WA PL S-C 2 2 4 6 WA -Cla 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

6,4 6,0

5,7

• Sehr stabile Werte bis Anfang des 20. Jahrhunderts: sauer und sehr oligotroph

1) Wannenkarsee: Rekonstruktion aktueller pH: 6,3 aktueller GP: 1-2 µµµµg L-1 3,8 2,5 6,1 5,7

• Deutliche Zunahme des pH (und des Gesamtphosphors) im Laufe des 20. Jahrhunderts:

Effekt des milderen Klimas

• Leichte Versauerung seit den 1980er Jahren:

A lt e r (J a h re N .C .) 1953 2008 1999 1967 1935 1977 1986 1901 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 T ie fe ( c m ) 45 50 SiO2 18 24 Al2O3 3 4 MgO 125 150 Cr 150 200 Rb 150 200 Zr 30 40 Pb 1000 1500 S 140 200 Ni 300 450 Zn 45 60 Co 200 300 Cu 500 1000 As 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Sedimentstudie im Projekt PERMAQUA: Ergebnisse

Unterschiedliches Bild im Vergleich zum Großer Malersee: z.B. Abnahme vom SiO₂, sehr geringe

atmospärische Belastung (Pb, S)

Seit 1900: - Zunahme der Schwermetalle (Permafrosteinfluss) Seit den 1980er: - augeprägte Zunahme der Schwermetalle

- leichte Abnahme der Elemente, die mit der Verwitterung verbunden sind

Max: seit Anfang der 2000er

Schlussfolgerungen und Ausblick

Die Sedimentuntersuchung wirft einen Blick in die ökologische Entwicklung der fünf Projektseen während der letzten Jahrhunderte bis (vermutlich) Jahrtausende.

Alle untersuchten Seen zeigen eine deutliche stratigrafische Veränderung, die die Übergangsperiode zwischen dem Maximum der Kleinen Eiszeit (um 1850) und dem

Anfang des 20. Jahrhunderts markiert.

Dank dem sehr geringen menschlichen Einfluss auf die Untersuchungsgebiete sind die üblichen Veränderungen seit dem Wirtschaftsboom zwischen 1960 und 1970

nicht erkennbar.

Die Schwermetalle nehmen in allen untersuchten Seen während der letzten ca. 200 Jahren durchgehend zu, aber sie erreichen die höchsten Werte in den 2000er Jahren. Vermutliche Effekte dieser rezenten Veränderungen sind nur in wenig gepufferten Seen erkennbar (Wannenkarsee).

Die ökologische Antwort der untersuchten Seen ist sehr variabel (jeder See ist ein Individuum), sodass noch keine Generalisierung der Ergebnisse möglich ist. Weitere Untersuchungen sind erforderlich!

Dank

•EU-Interreg-Projekt PERMAQUA

•Bertha Thaler, Andreas Scapin, Danilo Tait, Renate Alber, Bigit Lösch, Biologisches Labor, Leifers.

•Ulrike Nickus, Mathias Hirnsperger, Institut für Meteorologie und Geophysik, Hansjörg Thies, Institut für Geologie, Universität Innsbruck.

•Manuela Milan, Adriano Boscaini, Margherita Obrelli, Michele Zannoni, Fondazione E. Mach, S. Michele all‘Adige.

•Ensis LtD, University College London, UK