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«Tracking climate signals in tropical trees New insights from Indonesian stable isotope records Doctoral thesis Karina Schollän Centre Potsdam ...»

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Tracking

climate

signals

in

tropical

trees

New

insights

from

Indonesian

stable

isotope

records

Doctoral

thesis

Karina

Schollän

Centre

Potsdam

Faculty

of

Science

GFZ

German

Centre

for

GeoSciences

University

of

Potsdam,

Germany

Institut für Erd- und Umweltwissenschaften

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Universität Potsdam

und

Sektion 5.2 Klimadynamik und Landschaftsentwicklung

Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Tracking climate signals in tropical trees New insights from Indonesian stable isotope records

DISSERTATION

zur Erlangung des akademischen Grades "doctor rerum naturalium" (Dr. rer. nat.) in der Wissenschaftsdisziplin Paläoklimadynamik eingereicht in Form einer publikationsbasierten Arbeit an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam von Karina Schollän Potsdam, Februar 2014

Principal supervisor:

apl. Prof. Dr. Achim Brauer Universität Potsdam Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Second supervisor:

Dr. Gerhard Helle Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Published online at the

Institutional Repository of the University of Potsdam:

URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2014/7194/ URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-71947 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-71947 “Trees are poems that earth writes upon the sky.” Khalil Gibran, Sand and Foam (1926) Dedicated to the ones I love.

In memory of my grandfathers.

Abstract

The tropical warm pool waters surrounding Indonesia are one of the equatorial heat and moisture sources that are considered as a driving force of the global climate system. The climate in Indonesia is dominated by the equatorial monsoon system, and has been linked to El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events, which often result in severe droughts or floods over Indonesia with profound societal and economic impacts on the populations living in the world's fourth most populated country. The latest IPCC report states that ENSO will remain the dominant mode in the tropical Pacific with global effects in the 21st century and ENSO-related precipitation extremes will intensify. However, no common agreement exists among climate simulation models for projected change in ENSO and the Australian-Indonesian Monsoon. Exploring high-resolution palaeoclimate archives, like tree rings or varved lake sediments, provide insights into the natural climate variability of the past, and thus helps improving and validating simulations of future climate changes.

Centennial tree-ring stable isotope records | Within this doctoral thesis the main goal was to explore the potential of tropical tree rings to record climate signals and to use them as palaeoclimate proxies. In detail, stable carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) isotopes were extracted from teak trees in order to establish the first well-replicated centennial (AD 1900-2007) stable isotope records for Java, Indonesia. Furthermore, different climatic variables were tested whether they show significant correlation with tree-ring proxies (ring-width, δ13C, δ18O). Moreover, highly resolved intra-annual oxygen isotope data were established to assess the transfer of the seasonal precipitation signal into the tree rings.

Finally, the established oxygen isotope record was used to reveal possible correlations with ENSO events.

Methodological achievements | A second goal of this thesis was to assess the applicability of novel techniques which facilitate and optimize high-resolution and high-throughput stable isotope analysis of tree rings. Two different UV-laser-based microscopic dissection systems were evaluated as a novel sampling tool for high-resolution stable isotope analysis. Furthermore, an improved procedure of tree-ring dissection from thin cellulose laths for stable isotope analysis was designed.

The most important findings of this thesis are: I) The herein presented novel sampling techniques improve stable isotope analyses for tree-ring studies in terms of precision, efficiency and quality. The UV-laser-based microdissection serve as a valuable tool for sampling plant tissue at ultrahigh-resolution and for unprecedented precision. II) A guideline for a modified method of cellulose extraction from wholewood cross-sections I and subsequent tree-ring dissection was established. The novel technique optimizes the stable isotope analysis process in two ways: faster and high-throughput cellulose extraction and precise tree-ring separation at annual to high-resolution scale. III) The centennial treering stable isotope records reveal significant correlation with regional precipitation. Highresolution stable oxygen values, furthermore, allow distinguishing between dry and rainy season rainfall. IV) The δ18O record reveals significant correlation with different ENSO flavors and demonstrates the importance of considering ENSO flavors when interpreting palaeoclimatic data in the tropics.

The findings of my dissertation show that seasonally resolved δ18O records from Indonesian teak trees are a valuable proxy for multi-centennial reconstructions of regional precipitation variability (monsoon signals) and large-scale ocean-atmosphere phenomena (ENSO) for the Indo-Pacific region. Furthermore, the novel methodological achievements offer many unexplored avenues for multidisciplinary research in high-resolution palaeoclimatology.





Keywords oxygen and carbon stable isotopes, tree rings, multi-parameter approach, UV-laser microdissection, cellulose cross-sections, Tectona grandis, tropics, dendroclimatology, seasonal rainfall variability, ENSO flavors

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Die tropischen Gewässer um Indonesien sind eine der äquatorialen Wärme- und Feuchtigkeitsquellen, die als treibende Kraft des globalen Klimasystems betrachtet werden können. Das Klima in Indonesien ist geprägt durch das Australisch-Indonesische Monsunsystem. Weiterhin besteht eine Verknüpfung mit El Niño-Southern Oszillation (ENSO) Ereignissen, die oft zu schweren Dürren oder Überschwemmungen in der Region mit tiefgreifenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Folgen führen. Der neueste IPCC-Bericht legt dar, dass ENSO auch in den nächsten 100 Jahren das vorherrschende Klimaphänomen im tropischen Pazifik bleiben wird. Ferner wird davon ausgegangen, dass sich die ENSO-bezogenen Niederschlagsextrema intensivieren werden. Wenig Übereinstimmung herrscht jedoch bislang zwischen den Klimasimulationsmodellen in Bezug auf die voraussichtlichen Veränderungen von ENSO und dem AustralischIndonesischen Monsunsystem. Hochaufgelöste Paläoklima-Archive, wie z.B. Jahrringe oder warvierte Seesedimente, geben Auskunft über die natürliche Klimavariabilität der Vergangenheit und können somit dazu beitragen, die Computersimulationen der künftigen Klimaentwicklung zu verbessern und zu validieren.

Hundertjährige stabile Jahrring-Isotopenchronologien | Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war es, dass Potenzial von tropischen Jahrringen zur Aufzeichnung von Klimasignalen herauszustellen und deren Evaluierung als Paläoklimaproxys. Im Detail wurden stabile Kohlenstoff- (δ13C) und Sauerstoff- (δ18O) Isotopenverhältnisse in Teakbäumen analysiert, und die ersten gut replizierten hundertjährigen (AD 1900-2007) stabilen Isotopenchronologien aus Java (Indonesien) erstellt. Dabei wurden verschiedene klimatische Einflussgrößen getestet, ob diese signifikante Korrelationen mit den Jahrringparametern aufzeigen. Weiterhin wurden hochaufgelöste intra-annuelle Sauerstoffisotopenzeitreihen erstellt, um den Transfer des saisonalen Niederschlagssignals in den jeweiligen Jahrring zu bemessen. Die ermittelte Sauerstoff-Isotopenchronologie wurde anschließend auf mögliche ENSO Signale hin untersucht.

Methodische Errungenschaften | Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es neue Verfahren zur Analyse stabiler Isotope in Baumjahrringen zu entwickeln und zu optimieren. Zwei verschiedene UV-Lasermikrodissektions-Systeme wurden getestet als neues präzises Präparationswerkzeug für stabile Isotopenstudien. Darüber hinaus wurde eine verbesserte Methode für die Probenaufbereitung stabiler Isotopenmessungen anhand von ZelluloseDünnschnitten entwickelt.

III Die wichtigsten Ergebnisse dieser Doktorarbeit sind: I) Die hier vorgestellten neuartigen Techniken zu Probenvorbereitung verbessern die Analyse stabiler Isotope für Jahrringstudien in Hinsicht auf Präzision, Effizienz und Qualität. Es wurde gezeigt, dass die UV-Lasermikrodissektion eine wertvolle Technik ist, um die Beprobung von Pflanzengewebe in höchster Auflösung und beispielloser Präzision durchzuführen. II) Es ist gelungen, einen Leitfaden für ein modifiziertes Verfahren der Zelluloseextraktion an Gesamtholz-Dünnschnitten und der anschließenden Jahrringaufbereitung zu erstellen.

Diese neuartige Methode optimiert die Analyse stabiler Isotopenzeitreihen in zweierlei Hinsicht: schnellere und effiziente Zelluloseextraktion und präzise Trennung der Jahrringsequenzen in inter-annueller bis intra-annuelle Auflösung. III) Die hundertjährigen stabilen Jahrring-Isotopenchronologien weisen signifikante Korrelationen mit dem regionalen Niederschlag auf. In den hochaufgelösten stabilen Sauerstoffisotopenwerten spiegelt sich deutlich das Niederschlagssignal der Trocken- und der Regenzeit wieder. IV) Die stabile Sauerstoffisotopenzeitreihe zeigt signifikante Korrelationen mit verschiedenen ENSO Phasen. Dies betont, dass die verschiedenen ENSO Phasen bei der Interpretation von tropischen Paläodaten zu berücksichtigen sind.

Die Ergebnisse der Dissertation zeigen, dass saisonal aufgelöste stabile Sauerstoffisotopenchronologien von indonesischen Teakbäumen ein geeigneter Proxy für mehrhundertjährige Rekonstruktionen der regionalen Niederschlagsvariabilität (MonsunSignale) und großräumiger Ozean-Atmosphären-Systeme (ENSO) für den Indopazifik ist.

Darüber hinaus bieten die neuartigen methodischen Errungenschaften viele neue Ansätze für multidisziplinäre hochaufgelöste Studien in der paläoklimatologischen Forschung.

Stichworte Stabile Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope, Jahrringe, Multiparameter Ansatz, UVLasermikrodissektion, Zellulose-Dünnschnitte, Tectona grandis, Tropen, Dendroklimatologie, saisonale Niederschlagsvariabilität, ENSO Phasen

–  –  –

FIGURE 1.1 | Map of the observed temperature and precipitation changes in Southeast Asia of the last 110 years

FIGURE 1.2 | Thesis structure as a flow chart.

FIGURE 2.1 | Possible steps of wood sample preparation and high-precision sampling using UV-laser-based microscopic dissection systems

FIGURE 2.2 | Schematic examples of different dissected wood tissues from several tree species for cutting process with an UV-laser microscopic dissection system.

FIGURE 2.3 | Microscopic image of a teak (Tectona grandis) cross-section

FIGURE 2.4 | Comparison between δ13C values from resin-extracted wood and cellulose of ray parenchyma and xylem tissue in tree rings of an oak sample.

FIGURE 2.5 | Intra-annual δ18Owd variations from teak (Tectona grandis) collected in the eastern part of Central Java, Indonesia and corresponding precipitation data.

FIGURE 2.6 | Seasonal variations of wood density and stable isotope ratios of a pine tree (Pinus strobus) from northwestern Germany for 1977 and corresponding daily temperature, precipitation and relative humidity data.

FIGURE 2.7 | Non-linear seasonal growth increments and longevity of cells during the vegetation period for conifers at temperate sites

FIGURE 3.1 | Scheme of the cellulose extraction from wholewood cross-sections.

......... 36 FIGURE 3.2 | Tree-ring dissection technique using cellulose cross-sections

FIGURE 3.3 | FTIR Spectra of untreated wholewood, resin extracted wholewood, holocellulose of wood samples and α-cellulose standards…………………………….

..…40 FIGURE 3.4 | Comparison between δ13C and δ18O values from cellulose of two teak trees using the standard method of cellulose extraction and the cross-section method………....41 FIGURE 3.5 | Tree species that have been tested for cellulose extraction on wholewood crosssections………………………………………………………………………………42 FIGURE 4.1 | Map showing the location of the study site in a lowland rain forest in the eastern part of Central Java (07°52’S, 111°11’E).

FIGURE 4.2 | Mean monthly rainfall and temperature at the study site derived from a regional mean of different stations for rainfall (1900-2002) and gridded climate data for temperature……………………………………………………………………………….

..54 FIGURE 4.3 | Tree-ring series of ring width, δ13C and δ18O

FIGURE 4.4 | Correlations of TRW, δ13CTR and δ18OTR chronologies with monthly and seasonal rainfall (1900-2002).

FIGURE 4.5 | A conceptional model of oxygen isotope fractionation and the seasonal cycle of rainfall in the tropics.

VII FIGURE 4.6 | Comparison of the influence of different rainfall conditions during dry and rainy season on the tree-ring δ18O values. ‘’+‘’ and ‘’-’’ represent below or above average rainfall amount for corresponding season.

FIGURE S4.1 | Map of Central/Eastern Java indicating the study site and climate stations with rainfall data………………………………………………………………………….

..70 FIGURE S4.2 | Annual rainfall data from climate stations……………………………….70 FIGURE 5.1 | Regression coefficients (mm day-1 °C) of precipitation on the Warm Pool (WP) and the Cold Tongue (CT) El Niño index.

FIGURE 5.2 | Time series of the tree-ring δ18O chronology and the January to February time-averaged indices of Warm Pool (WP) El Niño and La Niña



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