Stable isotope variations in tree rings as indicators of environmental change and paleohydroclimate variability in north Iran

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-01-18
Issue Year
2021
Authors
Foroozan, Zeynab
Editor
Abstract

Summary Precise knowledge about the long-term hydroclimatic variability is essential to analyze the impact of natural and anthropogenically induced climate change, especially in the world's arid to semi-arid regions. Iran is located in one of the world's most water-scarce and dry areas in Southwestern Asia. Hence, the country is highly subjected to water scarcity, water-related natural hazards such as drought and flash flood, and thus prone to their consequences on the ecosystem and human society. Besides, the growing population and the thirst for socio-economic development, in turn, increase the region's vulnerability to climate change. However, the current solutions to the aggravating water crisis are inadequate and inefficient without a clear picture of regional water availability in the future. In this context, a major defect is the lack of hydroclimate (precipitation) data of the past and present. A neglected area in this regard is the high potential of natural climate archives for extending our knowledge about past and present variations in hydroclimate. This research was thus initiated to explore the potential of a natural climate proxy for paleoclimate reconstructions to improve our understanding of long-term regional climate variability in Iran. Accordingly, we evaluated the potential of stable isotopes in tree-ring cellulose to serve as paleoclimate indicators. We determined the climate signal recorded in δ13C and δ18O variations in tree-ring cellulose. Besides, this study tested the ecological responses of two tree species belonging to different plant functional types, an evergreen conifer (Juniperus polycarpos) and a broadleaved deciduous oak (Quercus macranthera), growing under distinct climate conditions to their environments, to increased CO2, and recent climate change by analyzing trends of intrinsic water-use efficiency (iWUE). In this thesis, we evaluated species-specific responses to drought of those tree species to provide baseline data for possible forest management efforts alleviating the impacts of expected climate change. The observed increasing trends in iWUE indicated reduced stomatal conductance in both study species in response to the changing climate and elevated atmospheric CO2. The mean correlations among individual δ13C series in each site and between the site δ13C chronologies provide strong evidence of a robust common climate signal in isotope series. The proxy-climate analysis revealed that the interplay between the combined influence of climate and local site conditions and species behavior determines δ13C variations in both species. The results showed that drought stress, which is controlled by precipitation, is the dominant climatic control on the δ13C fluctuations in both oak and juniper trees. In general, juniper responded more sensitive to moisture stress and is thus a more suitable proxy for paleohydroclimatic studies in northern Iran. Furthermore, δ18O-climate analysis indicated a strong effect of moisture availability on δ18O of tree-ring cellulose in juniper. Accordingly, the first set of analyses and data comparison indicated a high potential of δ18O variations in juniper tree-ring cellulose for paleohydroclimatic investigations in northern Iran. In the next step, this thesis assessed various pooling techniques for combining cross-dated tree-rings from different tree individuals before isotopic analysis. The evaluations indicated that an alternative approach to individual-tree isotope measurements, combined with high time and cost efficiency, is inter-tree pooling. Accordingly, the results confirmed that a pooled δ18O chronology can be used for paleoclimate reconstructions in northern Iran without compromising high-frequency climate signals. Subsequently, we were able to develop a well-replicated 501-year spanning tree-ring δ18O chronology, representing the first stable isotope archive with annual resolution for paleohydroclimatic investigations in Iran. The statistical characteristics of the tree-ring δ18O chronology, such as the expressed population signal (EPS), confirmed that the isotope chronology contained a robust climate signal. The regional δ18O chronology showed a significant negative correlation with precipitation and vapor pressure deficit, and a positive correlation with temperature during the growing season. Therefore, it was concluded that the proxy record reflects site moisture conditions controlled mainly by precipitation and is thus useful for the reconstruction of past hydroclimate conditions, like long-term precipitation variations. Consequently, we succeeded in reconstructing hydroclimatic variability for the northern semi-arid region of Iran over the period 1515-2015 using the juniper δ18O chronology. The reconstructed precipitation series captured the magnitude of inter-annual and long-term variability in precipitation and the intensity, duration, and frequency of dry/wet events. During the past 500 years, pronounced phases with wetter (18th century) and drier (16th century) conditions than today are apparent. The reconstructed spring precipitation record gradually declined from the beginning of the 19th century and culminated in a drier period in the early 20th century. It is also evident that since the 18th century, the overall frequency of years with dry events has increased significantly. The study suggests the strong influence of regional atmospheric factors such as the nearby Caspian Sea, the local topography, the high elevation, and the influence of the westerlies on precipitation variations at the study site. This thesis managed to obtain conclusive evidence for the high potential of stable isotope dendroclimatology to investigate long-term hydroclimate variability in a semi-arid region of Iran. The findings of this study could support decision-makers in sustainable water resource management and climate change adaptation plans. An additional important implication of this research is the contribution to complement the sparse network of available instrumental climate stations and available proxy records, and the projection of future changes in the region's climate.

Abstract

Zusammenfassung Präzise Kenntnisse über die langfristige hydroklimatische Variabilität sind unerlässlich, um die Auswirkungen des natürlichen und anthropogen verursachten Klimawandels zu analysieren, insbesondere in den ariden bis semiariden Regionen der Welt. Der Iran liegt in einem der wasserärmsten und trockensten Gebiete der Welt in Südwestasien. Daher ist das Land in hohem Maße von Wasserknappheit und mit Wasser verbundenen Naturgefahren wie Dürren und Sturzfluten betroffen und sehr anfällig für deren Folgen für das Ökosystem und die menschliche Gesellschaft. Außerdem erhöhen die wachsende Bevölkerung und der Drang nach sozioökonomischer Entwicklung die Anfälligkeit der Region für den Klimawandel. Die derzeitigen Lösungen für die sich verschärfende Wasserkrise sind jedoch unzulänglich und ineffizient, weil es keine klare Vorstellung der zukünftigen regionalen Wasserverfügbarkeit gibt. Ein großer Mangel stellt in diesem Zusammenhang ist das Fehlen von Hydroklima- (Niederschlags-) Daten der Vergangenheit und Gegenwart dar. Ein in dieser Hinsicht bisher vernachlässigter Bereich besteht in dem hohen Potenzial natürlicher Klimaarchive zur Erweiterung des Wissens über vergangene und gegenwärtige Schwankungen des Hydroklimas. Die vorliegende Studie wurde daher initiiert, um das Potenzial eines natürlichen Klima-Proxies für Paläoklima-Rekonstruktionen zu untersuchen, um unser Verständnis der langfristigen regionalen Klimavariabilität im Iran zu verbessern. Dementsprechend untersuchten wir das Potenzial stabiler Isotope in Baumringzellulose als Paläoklimaindikatoren. Wir bestimmten das Klimasignal, das in δ13C- und δ18O-Variationen der Baumringzellulose aufgezeichnet wurde. Außerdem testete diese Studie die ökologischen Reaktionen zweier Baumarten, die zu verschiedenen Pflanzenfunktionstypen gehören, einer immergrünen Nadelbaumart (Juniperus polycarpos) und einer Laubbaumart (Quercus macranthera), die an Standorten mit unterschiedlichen Klimabedingungen wachsen, auf den erhöhten CO2-Gehalt der Atmosphäre und den jüngsten Klimawandel, indem Trends der intrinsischen Wassernutzungseffizienz (iWUE) analysiert wurden. In dieser Dissertation wurden die artspezifischen Reaktionen dieser Baumarten auf Trockenheit bewertet, um Basisdaten für mögliche Waldbewirtschaftungsmaßnahmen zur Linderung der Auswirkungen des erwarteten Klimawandels zu liefern. Die beobachteten steigenden Trends bei der iWUE deuten bei beiden untersuchten Baumartens auf eine reduzierte stomatäre Leitfähigkeit als Reaktion auf das sich ändernde Klima und erhöhtes atmosphärisches CO2 hin. Die mittleren Korrelationen zwischen den einzelnen δ13C Serien an jedem Standort und zwischen den mittleren δ13C Standorts-Chronologien liefern starke Hinweise auf ein robustes gemeinsames Klimasignal in den Isotopenzeitreihen. Die Proxy-Klima-Analyse ergab, dass das Zusammenspiel zwischen dem kombinierten Einfluss von Klima und lokalen Standortbedingungen und dem Verhalten der Arten die δ13C-Variationen bei beiden Arten bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass Trockenstress, , gesteuert durch Niederschläge die dominierende Klimakontrolle auf die δ13C-Schwankungen sowohl bei Eichen als auch bei Wacholderbäumen ist. Wacholder reagierte im allgemeinen empfindlicher auf Trockenstress und ist daher ein geeigneterer Proxy für paläohydroklimatische Studien im nördlichen Iran. Darüber hinaus zeigte die δ18O-Klimaanalyse einen starken Einfluss der Feuchtigkeitsverfügbarkeit Wacholder auf das δ18O von Baumringzellulose. Dementsprechend zeigte die erste Reihe von Analysen und Datenvergleichen ein hohes Potenzial von δ18O-Variationen von Wacholder-Baumringzellulose für paläohydroklimatische Untersuchungen im Nordiran an. Im nächsten Schritt wurden in dieser Dissertation verschiedene Pooling-Techniken zur Kombination von datierten Baumringen von verschiedenen Baumindividuen vor der Isotopenanalyse bewertet. Die Auswertungen ergaben, dass ein alternativer Ansatz für Einzelbaum-Isotopenmessungen, verbunden mit hoher Zeit- und Kosteneffizienz, das Pooling von Bäumen ist. Dementsprechend haben die Ergebnisse gezeigt, dass eine gepoolte δ18O Chronologie für Paläoklima-Rekonstruktionen im Nordiran verwendet werden kann, ohne Verluste an hochfrequenten Klimasignalen hinnehmen zu müssen. In der Folge konnten wir eine gut belegte, 501 Jahre umfassende Baumring- δ18O-Chronologie entwickeln, die das erste Archiv stabiler Isotope mit jährlicher Auflösung für paläohydroklimatische Untersuchungen im Iran darstellt. Die statistischen Merkmale der δ18O Chronologie, wie z.B. das “expressed population signal (EPS)ˮ, bestätigten, dass die Isotopenchronologie ein robustes Klimasignal enthält. Die regionale δ18O-Chronologie zeigte eine signifikant negative Korrelation auf den Niederschlag und Dampfdruckdefizit sowie eine positive Korrelation mit der Temperatur während der Vegetationsperiode. Daher wurde der Schluss gezogen, dass der Proxy-Record die Feuchtigkeitsbedingungen des Standorts widerspiegelt, die hauptsächlich durch den Niederschlag gesteuert werden. Somit kann die Isotopenchronologie für die Rekonstruktion vergangener hydroklimatischer Bedingungen, wie z.B. langfristige Niederschlagsschwankungen, genutzt werden. Folglich gelang es uns, die hydroklimatische Variabilität für die nördliche semi-aride Region des Iran über den Zeitraum 1515-2015 anhand der Wacholder δ18O-Chronologie zu rekonstruieren. Die rekonstruierten Niederschlagsreihen erfassten die Stärke der interannuellen und langfristigen Variabilität des Niederschlags sowie die Intensität, Dauer und Häufigkeit von Trocken-/Feuchteereignissen. Während der letzten 500 Jahre sind ausgeprägte Phasen mit feuchteren (18. Jahrhundert) und trockeneren (16. Jahrhundert) Bedingungen als heute erkennbar. Die rekonstruierten Niederschlagsmengen im Frühjahr nahmen seit Beginn des 19. Jahrhunderts allmählich ab und gipfelten in einer trockenen Periode zu Beginn des 20. Es ist auch offensichtlich, dass seit dem 18. Jahrhundert die Gesamthäufigkeit von Jahren mit trockenen Ereignissen deutlich zugenommen hat. Die Studie deutet auf den starken Einfluss regionaler atmosphärischer Faktoren hin, wie das nahe gelegene Kaspische Meer, die lokale Topographie, die Höhenlage und den Einfluss der Westwinde auf die Niederschlagsvariationen am Studienort. Mit dieser Dissertation gelang es, schlüssige Beweise für das hohe Potenzial der Dendroklimatologie stabiler Isotope zur Untersuchung der langfristigen hydroklimatischen Variabilität in einer semi-ariden Region des Iran zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Studie könnten Entscheidungsträger bei der nachhaltigen Bewirtschaftung von Wasserressourcen und bei Plänen zur Anpassung an den Klimawandel unterstützen. Eine weitere wichtige Auswirkung dieser Forschung ist der Beitrag zur Ergänzung des spärlichen Netzes verfügbarer instrumenteller Klimastationen und verfügbarer Proxy-Aufzeichnungen sowie die Projektion zukünftiger Veränderungen des Klimas in der Region.

DOI
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