Band 70:
Kappenberg, Arne (2017): Geochemical reconstruction of fire regimes: Methodological considerations and application to lacustrine sediments (Geochemische Rekonstruktion von Feuerregimen: Methodische Deliberationen und Anpassungen an Seesedimente).
Bonner Bodenkundl. Abh. 70, 120 S., 15,- €
Kurzfassung Band 70
Kappenberg, Arne (2017): Geochemische Rekonstruktion von Feuerregimen: Methodische Deliberationen und Anpassungen an Seesedimente.
Kurzfassung
Sowohl natürliche als auch anthropogene Feuer beeinflussen seit jeher die Landnutzung, das Klima und die Vegetation. Trotz dieser zentralen Bedeutung ist nur wenig über das Zusammenspiel von Klima, Vegetation und den Feuerereignissen im Quartär bekannt. Gerade dieses Wissen ist jedoch essentiell um die Interaktion von Mensch und Feuer zu verstehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Brandrückstände (mittels black carbon, BC), deren Ausgangsmaterial und die Vegetationsrückstände (mittels Lignin) in Seesedimenten, die bis in das mittlere Pleistozän zurückreichen, untersucht.
Zunächst wurde die Benzol- Polycarbonsäuren (BPCA)- Methode zur Analyse von BC angepasst, um Proben mit hoher organischer Konzentration messen zu können. Anschließend wurde in zwei Maarsedimentkernen der Eifel aus dem frühen Pleistozän untersucht, ob ein Zusammenhang zwischen der Vegetation (mittels Lignin) und den Brandereignissen (mittels BC) besteht. Darüber hinaus wurde ein Sedimentkern des mittleren Pleistozäns aus dem Vansee (Türkei) auf eine mögliche Zyklizität von Bränden via BC analysiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit überprüft, ob sich mit Hilfe von stabilen Isotopen (via δ15N, δ13C), Lignin (via verzweigten Ligninphenolen), BC (via BPCA) und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) der ursprüngliche Brennstoff, die Brandtemperatur und die Transportweite von Brandrückständen rekonstruieren lassen. Hierfür wurden im Labor Holzkohlen und Aerosolen aus verschieden Materialien (Hartholz, Weichholz, Gräser) bei verschiedenen Temperaturen hergestellt.
Die Messungen von BC-freien Materialien aus Maishalmen und aus Paprikablättern zeigten, dass es notwendig ist die BPCA- Methode zur Bestimmung von BC zu überarbeiten. Die Methode ist nur dann zuverlässig, wenn eine Grenze von maximal 5 mg Kohlenstoff (C) eingehalten wird. Darüber hinaus sollten nur fünf- und sechsfach carboxylierte BPCAs (B5CA = Benzolpentacarbonsäure, B6CA = Mellitsäure) zur Auswertung verwendet werden. Drei- bis vierfach carboxylierte BPCAs (B3CA und B4CA) entstehen bei dieser Methode auch aus geringen C Mengen (<5 mg OC), während B5CA und B6CA nur bei sehr hohen C- Einwaagen entstehen (> 5 mg C).
Die zweite Studie beschreibt eine Korrelation zwischen der Vegetation (mit Hilfe von Lignin bestimmt) und den Brandereignissen (mit Hilfe von BC bestimmt). Kalte und trockene Steppenvegetation der letzten 120.000 Jahre führte zu geringen Lignin und BC Einträgen (Lignin: 0-0,05 g/kg; BC: 0-0,2 g/kg), während feuchte und bewaldete Zeitphasen erhöhte BC- (bis zu 3 kg/g) und Lignin- Werte (bis zu 1,5 g/kg) aufzeigten. Sowohl Unterschiede in der Zusammensetzung der Vegetation bedingt durch Reliefunterschiede, als auch Feuerereignisse könnten die Mobilität der Menschen in der Sauerstoff-Isotopenstufe 3 (MIS3) stark beeinflusst haben.
Die dritte Studie bestätigte, dass Brandereignisse eher in Perioden mit warmen und feuchten klimatischen Bedingungen und Bewaldung stattgefunden haben. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die BC-Konzentrationen der letzten 600.000 Jahre den sogenannten Milanković- Zyklen folgten. Hierbei handelt es sich um wiederkehrende Muster der Sonnenstrahlungsintensität und damit einhergehende Klimaschwankungen, die sich in einem Zyklus von ca. 1000.000 Jahren ereignen.
In der vierten Studie wurde unter anderem die Möglichkeit zur Unterscheidung von Brennmaterialen (Holzkohlen und Aerosolen) aus Hartholz, Weichholz und Gräsern mit Hilfe des Verhältnisses von (1.7 /1.8) zu [(1.7 + 2.6)/(1.7 + 1.8 + 2.6)] Dimethylphenanthrenen aufgezeigt. Lignin war nicht beständig gegen Verbrennungstemperaturen> 300 ° C. Weiterhin zeigen die Ergebnisse von δ15N- und δ13C-Analysen, dass Isotopenunterschiede in Holzkohlen und Aerosolen eher wachstumsbedingt (z. B. Boden, Wasser, (N-) Düngung und Klima), als verbrennungsbedingt sind. Ferner konnte mit Hilfe der Analysen von BPCA und PAK identifiziert werden, ob es sich bei den Brandrückständen um Holzkohle oder Aerosole handelte. Die Verhältnisse von B5CA zu B6CA in Aerosolen waren höher als die Verhältnisse in Holzkohlen. Des Weiteren unterschieden sich Holzkohlen und Aerosole signifikant in der Konzentration von Phenanthren (p <0,01), vier Ring-PAK (Fluoranthen, Pyren, Chrysen und Benz(a)anthracen, p <0,01), sowie in den Verhältnissen von Indeno[1,2, 3-cd]pyren zu Benzo[ghi]perylen (IP/(IP + B[ghi]P) und Fluoranthren zu Pyren (Flua/(Flua + Py). Dies könnte Rückschlüsse auf mögliche Transportweiten der Brandrückstände erlauben (Holzkohle= Kurztransport; Aerosole= Ferntransort).
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Feuerereignisse der letzten 600.000 Jahre bevorzugt während feuchten und warmen klimatischen Perioden mit dichter Vegetation (Wald) stattgefunden haben. Aufgrund der Tatsache, dass BC und die Vegetation den Milanković -Zyklen folgt, könnte der Eintrag von Brandrückständen in Seesedimente global zur gleichen Zeit erfolgt sein.
Abstract Band 70
Kappenberg, Arne (2017): Geochemical reconstruction of fire regimes: Methodological considerations and application to lacustrine sediments.
Abstract
Fire occurs naturally and anthropogenically. It accompanies land use, climate and vegetation change. However, only little is known about the relationship between climate change and the variability of natural fires in the Quaternary. Such knowledge, however, is needed to understand the interaction between men and fire in the Holocene and the Pleistocene. Therefore, the residues of fire (black carbon, BC) and of the fuel of fire, i.e. vegetation (lignin), have been analysed in stratified lake sediments that reach back until the Mid Pleistocene.
First, methodological issues in BC analysis had to be addressed. I evaluated whether markers of fire residue, quantity and composition (benzene polycarboxylic acids, BPCAs) were produced artificially during sample treatment in the lab from non-pyrogenic organic matter (OM). Second, I elucidated on the relationship between fuel of fire (via lignin-derived phenols) and fire residue composition (BPCAs) in Young Pleistocene sediments of two Eifel maar lakes. Third, I looked for the cyclicity of natural fires as recorded by BC deposits since the Mid Pleistocene in the sediment record of Lake Van, Turkey. Fourth and finally, I conducted a laboratory study to further fuel source identification (via δ15N, δ13C and detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)) and differentiation of charcoals from fire aerosols (via BPCA and PAH composition), to improve the detection of anthropogenic fires before the onset of agricultural activity.
This dissertation comprises four studies. The first study revealed that BC-free plant materials (stems of Zea mays L. and leaves of Capsicum annuum L.) yielded BPCAs, especially when > 5 mg organic C was used for oxidation. However, small amounts (< 0.1 g kg C) of three to four times carboxylated BPCAs (B3CA= hemimellitic, trimellitic, trimesic acids; B4CA= Σ pyromellitic, mellophanic, prehnitic acids) were also detected below this limit. I can hence recommend to restrict BC quantity and composition assessment on five to six carboxylated BPCAs only (B5CA= benzene pentacarboxylic acid; B6CA= mellitic acid).
The second study, revealed a significant correlation between vegetation composition changes, as derived from lignin analysis, and the quantity and composition of BC in the Eifel maar lakes. In cold and dry periods (polar desert, tundra and steppe), lignin and BC inputs were comparatively low (lignin: 0-0.05 g/kg; BC: 0.02-0.2 g/kg). Largest BC (up to 3 kg/g) and lignin (up to 1.5 g/kg) concentrations could be found in warm and humid periods (spruce and hornbeam forest). I found strong hints on an altitudinal control on vegetation and wild fire development and thus on potential barriers for human mobility in the Eifel area during Marine Isotope Stage 3 (MIS3).
Thirdly, in Lake Van I also found high BC inputs during warm and humid periods when steppe-forests were present and I found low BC inputs during cold and dry periods in desert steppe landscapes. The data thus supported the hypothesis of a natural fire cyclicity paralleling climate change and solar irradiance with a repeatedly frequency of ~ 100,000 years (Milankovitch cycles).
With the fourth study, I was able to reconstruct fuel sources, such as hardwood, softwood and grasses in fire residues (charcoals and aerosols) by the ratios of (1,7 / 1,8) to [(1,7 + 2,6)/(1,7 + 1,8 + 2,6)]- dimethylphenanthrenes. Lignin was not resistant to combustion temperatures > 300°C. Analyses of δ15N and δ13C analyses suggested that isotopic differences in charcoals and aerosols are controlled by the condition of growth (e.g. soil, water, (N-) fertilisation and climate). I was further able to differentiate between aerosols and charcoals by the composition of BPCA and PAH. Aerosols revealed higher ratios of B5CA to B6CA than charcoals. Combustion products of aerosols and charcoals differed significantly in phenanthrene (p < 0.01) and four ring PAHs (fluoranthene, pyrene, chrysene and benz(a)anthracene, p < 0.01), as well as in the ratios of indeno[1,2,3-cd]pyrene to benzo[ghi]perylene (IP/(IP + B[ghi]P) versus fluoranthrene to pyrene (Flua/(Flua + Py). This gives potential to reconstruct the range of spatial transportation of fire residues, such as the differentiation of short-distance input (charcoals) and long-distance input (aerosols) in sediments and soils.
This thesis shows that fire events preferentially occurred, at least for the last 600,000 years, during humid and warm periods with dense forest vegetation. Therefore, I see this as an evidence that BC input in sediments is globally controlled by natural climate change, especially by the Milankovitch cycles.