Plant organic matter mobilization and export in fluvial systems

Mobilisierung und Export pflanzlicher Biomasse in Flusssystemen

  • The global carbon cycle is closely linked to Earth’s climate. In the context of continuously unchecked anthropogenic CO₂ emissions, the importance of natural CO₂ bond and carbon storage is increasing. An important biogenic mechanism of natural atmospheric CO₂ drawdown is the photosynthetic carbon fixation in plants and the subsequent longterm deposition of plant detritus in sediments. The main objective of this thesis is to identify factors that control mobilization and transport of plant organic matter (pOM) through rivers towards sedimentation basins. I investigated this aspect in the eastern Nepalese Arun Valley. The trans-Himalayan Arun River is characterized by a strong elevation gradient (205 − 8848 m asl) that is accompanied by strong changes in ecology and climate ranging from wet tropical conditions in the Himalayan forelad to high alpine tundra on the Tibetan Plateau. Therefore, the Arun is an excellent natural laboratory, allowing the investigation of the effect of vegetation cover, climate, and topography on plantThe global carbon cycle is closely linked to Earth’s climate. In the context of continuously unchecked anthropogenic CO₂ emissions, the importance of natural CO₂ bond and carbon storage is increasing. An important biogenic mechanism of natural atmospheric CO₂ drawdown is the photosynthetic carbon fixation in plants and the subsequent longterm deposition of plant detritus in sediments. The main objective of this thesis is to identify factors that control mobilization and transport of plant organic matter (pOM) through rivers towards sedimentation basins. I investigated this aspect in the eastern Nepalese Arun Valley. The trans-Himalayan Arun River is characterized by a strong elevation gradient (205 − 8848 m asl) that is accompanied by strong changes in ecology and climate ranging from wet tropical conditions in the Himalayan forelad to high alpine tundra on the Tibetan Plateau. Therefore, the Arun is an excellent natural laboratory, allowing the investigation of the effect of vegetation cover, climate, and topography on plant organic matter mobilization and export in tributaries along the gradient. Based on hydrogen isotope measurements of plant waxes sampled along the Arun River and its tributaries, I first developed a model that allows for an indirect quantification of pOM contributed to the mainsetm by the Arun’s tributaries. In order to determine the role of climatic and topographic parameters of sampled tributary catchments, I looked for significant statistical relations between the amount of tributary pOM export and tributary characteristics (e.g. catchment size, plant cover, annual precipitation or runoff, topographic measures). On one hand, I demonstrated that pOMsourced from the Arun is not uniformly derived from its entire catchment area. On the other, I showed that dense vegetation is a necessary, but not sufficient, criterion for high tributary pOM export. Instead, I identified erosion and rainfall and runoff as key factors controlling pOM sourcing in the Arun Valley. This finding is supported by terrestrial cosmogenic nuclide concentrations measured on river sands along the Arun and its tributaries in order to quantify catchment wide denudation rates. Highest denudation rates corresponded well with maximum pOM mobilization and export also suggesting the link between erosion and pOM sourcing. The second part of this thesis focusses on the applicability of stable isotope records such as plant wax n-alkanes in sediment archives as qualitative and quantitative proxy for the variability of past Indian Summer Monsoon (ISM) strength. First, I determined how ISM strength affects the hydrogen and oxygen stable isotopic composition (reported as δD and δ18O values vs. Vienna Standard Mean Ocean Water) of precipitation in the Arun Valley and if this amount effect (Dansgaard, 1964) is strong enough to be recorded in potential paleo-ISM isotope proxies. Second, I investigated if potential isotope records across the Arun catchment reflect ISM strength dependent precipitation δD values only, or if the ISM isotope signal is superimposed by winter precipitation or glacial melt. Furthermore, I tested if δD values of plant waxes in fluvial deposits reflect δD values of environmental waters in the respective catchments. I showed that surface water δD values in the Arun Valley and precipitation δD from south of the Himalaya both changed similarly during two consecutive years (2011 & 2012) with distinct ISM rainfall amounts (~20% less in 2012). In order to evaluate the effect of other water sources (Winter-Westerly precipitation, glacial melt) and evapotranspiration in the Arun Valley, I analysed satellite remote sensing data of rainfall distribution (TRMM 3B42V7), snow cover (MODIS MOD10C1), glacial coverage (GLIMSdatabase, Global Land Ice Measurements from Space), and evapotranspiration (MODIS MOD16A2). In addition to the predominant ISM in the entire catchment I found through stable isotope analysis of surface waters indications for a considerable amount of glacial melt derived from high altitude tributaries and the Tibetan Plateau. Remotely sensed snow cover data revealed that the upper portion of the Arun also receives considerable winter precipitation, but the effect of snow melt on the Arun Valley hydrology could not be evaluated as it takes place in early summer, several months prior to our sampling campaigns. However, I infer that plant wax records and other potential stable isotope proxy archives below the snowline are well-suited for qualitative, and potentially quantitative, reconstructions of past changes of ISM strength.show moreshow less
  • Da der globale Kohlenstoffkreislauf stark mit dem Klima der Erde verknüpft ist, sind im Zusammenhang mit dem weiterhin ungebremsten anthropogenen CO₂-Ausstoß die natürliche Bindung von CO₂ und die langfristige Speicherung von Kohlenstoff um so wichtiger. Einer der wesentlichen Mechanismen des natürlichen CO₂-Abbaus ist die photosynthetische Kohlenstoffbindung in Pflanzen verknüpft mit der anschließenden langfristigen Ablagerung von Pflanzenmaterial in Sedimenten. Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist daher, jene Faktoren zu identifizieren, die für den Abtransport toten Pflanzenmaterials in Flüssen hin zu Sedimentationsräumen verantwortlich sind. Das entsprechende Untersuchungsgebiet ist das ost-nepalesische Arun Tal. Der Arun durchschneidet den Himalaya von Nord nach Süd und sein Einzugsgebiet ist geprägt vom stärksten Höhengradienten der Erde (8848-205 m ü.N.N.). Entsprechend durchfließt er mehrere Klimazonen von alpiner Tundra auf dem Tibetischen Plateau hin zu subtropischen Bedingungen im Süden Nepals. Wegen dieses starkenDa der globale Kohlenstoffkreislauf stark mit dem Klima der Erde verknüpft ist, sind im Zusammenhang mit dem weiterhin ungebremsten anthropogenen CO₂-Ausstoß die natürliche Bindung von CO₂ und die langfristige Speicherung von Kohlenstoff um so wichtiger. Einer der wesentlichen Mechanismen des natürlichen CO₂-Abbaus ist die photosynthetische Kohlenstoffbindung in Pflanzen verknüpft mit der anschließenden langfristigen Ablagerung von Pflanzenmaterial in Sedimenten. Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist daher, jene Faktoren zu identifizieren, die für den Abtransport toten Pflanzenmaterials in Flüssen hin zu Sedimentationsräumen verantwortlich sind. Das entsprechende Untersuchungsgebiet ist das ost-nepalesische Arun Tal. Der Arun durchschneidet den Himalaya von Nord nach Süd und sein Einzugsgebiet ist geprägt vom stärksten Höhengradienten der Erde (8848-205 m ü.N.N.). Entsprechend durchfließt er mehrere Klimazonen von alpiner Tundra auf dem Tibetischen Plateau hin zu subtropischen Bedingungen im Süden Nepals. Wegen dieses starken Gefälles bietet der Arun die Möglichkeit, die Mobilisierung und den Abtransport von Pflanzenmaterial unter sehr unterschiedlichen klimatischen, ökologischen und topographischen Gegenbenheiten zu untersuchen. Zunächst entwickelte ich ein auf Wasserstoff-Isotopen-Messungen an Pflanzenwachsen in Flusssedimenten basierendes Modell, das es ermöglicht, indirekt den Pflanzendetritus-Beitrag der Nebenflüsse in Relation zur Gesamtmasse des vom Arun abtransportierten Pflanzenmaterials zu quantifizieren. Um jene klimatischen und topografischen Eigenschaften der Seitenflüsse zu ermitteln, welche die jeweils exportierte Menge an Pflanzenmaterial kontrollieren, suchte ich im nächsten Schritt nach einem statistischen Zusammenhang zwischen exportierten Pflanzenrestmengen der Nebenflüsse sowie der Größe ihrer Einzugsgebiete, Pflanzenbedeckung, Niederschlagsmenge (bzw. Abfluss), und ihrer Topografie als Maß für Erosionsvermögen. Mit diesen Methoden kann ich einerseits klar belegen, dass das vom Arun transportierte Pflanzenmaterial nicht flächendeckend gleichmäßig aus seinem Einzugsgebiet stammt. Andererseits zeigt sich, dass dichter Pflanzenbewuchs zwar ein notwendiges, jedoch kein hinreichendes Kriterium für hohe Exportraten ist. Meine Untersuchung im Arun Tal führte letztlich zu dem Ergebnis, dass die für die Mobilisierung und den Export von Pflanzenmaterial wesentlichen Faktoren Niederschlagsmenge und Erosion sind, wobei Pflanzenbedeckung zwar vorausgesetzt ist, oft jedoch als Resultat hohen Niederschlags auftritt. Dass Erosion hierbei eine Schlüsselrolle zukommt, legt auch die Analyse von kosmogenen Nuklid-Konzentrationen in Flusssanden zur Bestimmung von Erosionsraten nahe. Ich fand eine sehr gute räumliche Übereinstimmung von hohen Erosionsraten und maximalem Pflanzendetritus-Abtransport, die den Zusammenhang beider Parameter zusätzlich belegt. Der zweite, im Rahmen der beschriebenen Untersuchung näher beleuchtete Aspekt, ist die potentielle Nutzung der Isotopenzusammensetzung von in Sedimenten enthaltenen Pflanzenwachsen als quantitativer Marker für Monsun-Variabilität in der Vergangenheit. Voraussetzung für eine entsprechende Nutzung ist einerseits, dass sich Schwankungen der Monsun-Intensität in der Isotopie des Regenwassers niederschlagen (der sogenannte amount effect, Dansgaard, 1964) und andererseits, dass die Blattwachsproduzierenden Pflanzen Monsun-Wasser aufnehmen und ausschließlich dessen Isotopie in ihre Blattwachse übernehmen. Die erste Voraussetzung konnte ich als gegeben bestätigen, da sich die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser im Arun-Tal während zwei aufeinanderfolgender, sehr unterschiedlich starker Monsun-Regenzeiten (2011 & 2012) gleichermaßen änderte, wie es an einer Wetterstation südlich des Himalaya in Bangladesh beobachtet wurde. Zur Überprüfung der zweiten Bedingung wurde zunächst mit Fernerkundungsmethoden die Regenverteilung (TRMM 3B42V7) und Schneebedeckung (MODIS MOD10C1) im Arun-Tal vor und während der Probenkampagnen 2011 und 2012 ausgewertet. Unter Hinzuziehung der stabilen Wasserstoff und Sauerstoff Isotopen-Messungen an Oberflächenwassern konnte der Einfluss verschiedenerWasserquellen (Indischer Sommer-Monsun, Schnee der Winter-Westwinde, Gletscherschmelze) sehr gut beurteilt werden: Ich konnte zeigen, dass der Arun-Fluss stark von Monsun und Eisschmelze beeinflusst wird und dass darum davon auszugehen ist, dass Blattwachse seines Einzugsgebietes nicht nur die Isotopenzusammensetzung des Monsun-Regens repräsentieren. Die Nebenflüsse jedoch, welche südlich des Himalaya-Hauptkammes unterhalb der Schneegrenze liegen, sind klar dominiert von Monsun-Regen. Das bedeutet, dass potentielle stabile Isotopen-Archive in den entsprechenden Einzugsgebieten quantitativ interpretiert werden können und die Variabilität des Sommer-Monsuns in der Vergangenheit dort absolut rekonstruiert werden könnte.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Bernd Hoffmann
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99336
Subtitle (English):a case study from the eastern Nepalese Arun Valley
Subtitle (German):Fallstudie im ost-nepalesischen Arun-Tal
Supervisor(s):Dirk Sachse
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Publication year:2016
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/09/29
Release date:2016/12/05
Tag:Erosion; Pflanzenwachs; Satelliten-Fernerkundung; stabile Isotope
erosion; plant waxes; remote sensing; stable isotopes
Number of pages:xiii, 131
RVK - Regensburg classification:TI 8210, TG 8500, TP 6660, RR 41357
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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