Kurzfassung Band 59

Wolf, M. (2014): Die Rekonstruktion (prä)historischer Brände mittels geochemischer Proxies in Böden des Späten Quartärs

Kurzfassung:

Veränderungen in Ökosystemen und der Landnutzung werden von Brandereignissen begleitet. Inwiefern Feuer die Entwicklung des Menschen begleitet hat (z.B. den Beginn der Landnutzung) ist bis heute unklar. Ich gehe davon aus, dass vergangene Brandereignisse mithilfe von geochemischen Analysen an Schwarzem Kohlenstoff (black carbon, BC), den Rückständen unvollständiger Verbrennung, rekonstruiert werden können. Daher waren die Ziele meiner Arbeit i) BC aus verschiedenen Brandtypen quantitativ und qualitativ zu charakterisieren, ii) die Eigenschaften von BC in Pleistozänen terrestrischen Archiven (Paläoböden) zu verfolgen und iii) anhand von Maarsedimenten die Holozäne Brandgeschichte der Eifel zu rekonstruieren. Die Analysen umfassten spezifische geochemische Marker wie Benzenpolykarbonsäuren (BPCAs), Gehalte an organischem Kohlenstoff (Corg) und Stickstoff (N), den Sauerstoff Index (OI: CO2/Corg) und Wasserstoff Index (HI: HC/Corg), die maximale Entstehungstemperatur (Tmax) und Mittel-Infrarot Spektroskopie (MIRS). Diese Methoden wurden an einem von mir erstellten Kalibrationsprobensatz aus verschiedenen Holzkohlen und an Proben aus terrestrischen und limnischen Archiven angewendet.

Für i) wurde eine Literaturstudie zu unterschiedlichen Feuertypen durchgeführt durch die schließlich drei unterschiedliche Brandtypen charakterisiert wurden: Waldboden- und Grasbrände (285 ± 143 °C), Strauchbrände (503 ± 211 °C) und Hausbrand (797 ± 165°C). In welchem Maß die chemische Signatur von BC als Fingerabdruck zur Unterscheidung von Brandtypen verwendet werden kann, wurde im Labor an Kalibrationsmaterialien aus Hölzern und Gräsern (verbrannt bei 300-700 °C und unterschiedlichen Verbrennungsdauern) und an Holzkohlen aus natürlichen Bränden getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass Graskohle immer deutlich niedrigere Corg und HI Werte aufweisen als Holzkohle. Diese Parameter zeigten immer einen systematischen Versatz zu den natürlichen Kohlen. Dies lässt sich durch den höheren Anteil an mineralischer Substanz oder den größeren O2-Einfluss während der Verbrennung erklären. Trotzdem lassen sich die natürlichen Kohlen in drei unterschiedliche Brandtypen einteilen: Waldbodenbrand (B5CA/B6CA 1,3-1,9; OI >20; intensive CH2 Banden, Tmax <488 °C), Grasbrand (B5CA/B6CA 0,8-1,4; OI >20; schwache CH2 Banden, Tmax <425 °C), und Hausbrand (B5CA/B6CA Werte <0,8, OI Werte <20 und geringe MIR-Absorption).

Die Anwendung der Analysen an ii) drei Pleistozänen Löss-Paläoböden Profile aus Westdeutschland (60 – 130.000 Jahre vor heute (ka BP)) haben gezeigt, dass diese Böden, unabhängig von ihren Entstehungs- oder Substratbedingungen, vergleichbare BC-Gehalte und BC-Qualität aufweisen, und sich somit eine neue Perspektive zur Identifizierung früherer Brandereignisse eröffnet.

Mithilfe von zwei, durch Pollenanalysen und Geochemie, gut charakterisierten Maarsedimentkernen mit einem Alter von 14,7 bzw. 11,5 ka BP konnte ich iii) deren Brandgeschichte rekonstruieren: im späten Pleistozän weisen ein hoher BC-Eintrag und die BC-Qualität auf Grasbrände einer Tundra ähnlichen Landschaft hin (4,1 g C m-2 a-1, B5CA/B6CA = 1,4). Mit dem Übergang zu Laubwäldern im Holozän, zeigte sich ein geringerer BC-Eintrag (2,2 g C m-2 a-1). Ab 7.500 Jahren zeigte sich die erste landwirtschaftliche Landnutzung in einem signifikant erhöhten BC-Eintrag (4,2 g C m-2 a-1) und niedrigeren Brandtemperaturen (B5CA/B6CA steigt auf 2). Später veränderte sich die BC-Qualität und zeigte erhöhte Brandtemperaturen seit Beginn der Industrialisierung ab 4 ka BP (B5CA/B6CA-Werte sanken auf 1). In der heutigen Zeit veränderte sich durch die Zunahme an fossilen Brennstoffen die BC-Qualität weiter in Richtung hoher Verbrennungstemperaturen. Dies ging interessanterweise nicht mit einer Zunahme der Brandrückstände einher. Insgesamt war der BC-Gehalt und die BC-Qualität in den Maaren besser mit den Werten aus den BC-Kalibrationskohlen vergleichbar, was mich vermuten lässt, dass Seesedimente BC vollständiger konservieren als Böden.

Die Ergebnisse zeigten, dass im Pleistozän Brände vor allem durch Klimaveränderungen beeinflusst wurden, während mit dem Beginn der landwirtschaftlichen Landnutzung der Mensch zunehmend für Brände verantwortlich wurde, zuerst mit Waldrodung und Ackerbau, später durch Industrialisierung.

Abstract Band 59

Wolf, M. (2014): Reconstructing past fire regimes from geochemical proxies in Late Quaternary soils

Abstract:

Changes in ecosystems and land use frequently went along with regional burning events, but how fires accompanied human development, the onset of agriculture and changes in climate has eluded researchers. I hypothesised that information on past burning events may be reconstructed from the geochemical analyses of black carbon (BC), the residue of incomplete combustion. To test this hypothesis, it was the aim of my theses i) to elucidate the quantitative and qualitative characteristics of BC produced by different fire regimes, ii) to trace the properties of preserved BC remains in Pleistocene terrestrial archives (palaeosols), and iii) to reconstruct the Holocene fire history from limnic maar sediments in the Eifel, Germany. The analyses comprised the production of BC calibration materials in the lab, as well as the assessment of benzene polycarboxylic acids (BPCAs) as specific markers for BC, the organic carbon (Corg) and nitrogen content, oxygen index (OI: CO2/Corg) and hydrogen index (HI: HC/Corg), temperature of maximum heating (Tmax) and mid-infrared spectroscopy (MIRS). Methods were applied to artificial charcoals and environmental samples from terrestrial and limnic archives.

For i) the identification of different fire regimes a fire literature compilation was conducted. Three fire regimes were identified by fuel composition and temperature: grass and forest ground (285 ± 143 °C), shrub (503 ± 211 °C) and domestic fires (797 ± 165 °C). To evaluate the degree to which the chemical signatures of charcoal may serve as a fingerprint for fires, I analysed BC calibration materials, which comprised charcoals of wood and grass produced at 300-700 °C with varying combustion duration, as well as charcoals from natural fire events. The results showed that grass charcoal has consistently lower Corg contents and HI than wood. However, these values showed a bias towards the natural charcoals, probably because the latter contained higher amounts of mineral matter or because they were combusted under greater O2 supply. Nevertheless, the analyses of five-to six-times carboxylated BPCA (B5CA and B6CA, respectively) as well as analyses of OI and HI allowed a clear differentiation of natural charcoals, particularly of those stemming from forest ground fires (B5CA/B6CA 1.3-1.9; OI >20; intense CH2 stretching, Tmax <488 °C), grass fires (B5CA/B6CA 0.8-1.4; OI >20; weak CH2 stretching, Tmax <425 °C), and domestic fires, which, in contrast, revealed B5CA/B6CA values <0.8, OI values <20 and little MIR absorbance.

Applying these analyses to ii) three Pleistocene loess-palaeosol profiles in Western Germany (60 - 130,000 years before present (ka BP)) showed that these soils were able to archive BC amount and quality independent of differing soil formation and substrate properties, thus opening new perspectives for identifying past fire events.

The BC analyses of two palynological and geochemically well pre-described limnic maar lake sediment cores (14.7 and 11.5 ka BP to recent; objective iii) yielded reasonable fire history reconstruction: high BC inputs and BC quality in the Late Pleistocene revealed grass fires in a tundra-like ecosystem (average 4.1 g C m-2 a-1, B5CA/B6CA = 1.4), while with upcoming deciduous forests in the Early Holocene BC input decreased to 2.2 g C m-2 a-1 by stable quality. From 7.5 ka BP first agricultural land use impact was recorded by significantly higher BC inputs and low combustion temperatures (4.2 g C m-2 a-1; B5CA/B6CA increasing to 2). Later BC quality shifted to higher combustion temperatures with starting industrialisation from about 4 ka BP on (decreasing B5CA/B6CA ratio to 1). In modern times BC quality shifted further to higher combustion temperatures from the use of fossil fuels, which, intriguingly, do not go along with higher BC load. Overall, the BC amount and quality in the maar lakes was closer to the values from the BC calibration materials, suggesting that lake sediments preserve BC more completely than soils. The results showed that climatic changes only controlled the very early Pleistocene fire events; with onset of agriculture it was increasingly man who first set fires for the clearance of land, and finally controlled fires at later stages of industrialisation.