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Exploring the potential of stalagmite organic carbon isotope records as a novel proxy for past ecosystem conditions

English title Exploring the potential of stalagmite organic carbon isotope records as a novel proxy for past ecosystem conditions
Applicant Lechleitner Franziska
Number 186693
Funding scheme Return CH Postdoc.Mobility
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.03.2020 - 31.08.2020
Approved amount 125'386.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geochemistry
Pedology
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (7)

terrestrial ecosystem; stalagmite; organic carbon; palaeoclimate; radiocarbon; carbon isotopes; climate change

Lay Summary (German)

Lead
Terrestrische Ökosysteme bilden einen wichtigen Teil des globalen Kohlenstoffzyklus. Komplexe biologische und physikalische Prozesse zwischen Ökosystem und Atmosphäre können atmosphärischen Kohlenstoff sowohl binden und speichern, als auch wieder ausstossen. Dadurch bestehen immer noch grosse Unsicherheiten in der Quantifizierung des Netto-Kohlenstoffflusses zwischen terrestrischen Ökosystemen und der Atmosphäre, und der zukünftigen Entwicklung dieses Kohlenstoffspeichers unter anthropogenen Klimaszenarien. In diesem Projekt untersuche ich, inwiefern Tropfsteine (Stalagmiten) als Archiv für terrestrische Ökosystemprozesse fungieren können. Damit lassen sich die Reaktion von Ökosystemen auf starke Klimaschwankungen in der Vergangenheit rekonstruieren, und Rückschlüsse auf zukünftige mögliche Trends machen.
Lay summary

Inhalte und Ziele des Forschungsprojekts

Das Ziel dieses Projekt ist, den lokalen Kohlenstoffzyklus in terrestrischen Ökosystemen (Vegetation, Fauna und Böden) anhand von Stalagmiten zu rekonstruieren, insbesondere über vergangene Zeitintervalle starker Klimaschwankungen, wie der Rückgang der letzten Eiszeit. 

Dafür werde ich eine neue Methode weiterentwickeln, die auf der Extraktion von Spurenmengen von organischem Kohlenstoff aus Stalagmiten basiert. Organischer Kohlenstoff in Tropfsteinen stammt mit grosser Wahrscheinlichkeit aus dem Boden, und geochemische Analysen (Radiokarbon und das Verhältnis stabiler Kohlenstoffisotopen) ermöglichen Rückschlüsse auf Prozesse auf der Ökosystemebene.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Projekts

Die Resultate dieses Projekts werden von grosser Bedeutung sein für das genauere Verständnis von terrestrischen Ökosystemen im globalen Kohlenstoffzyklus, insbesondere mit ansteigenden globalen Temperaturen.

Dieses Projekt wird zudem die Anwendung von in Stalagmiten gespeichertem organischem Kohlenstoff als Umweltarchiv für Ökosystembedingungen testen.

Direct link to Lay Summary Last update: 30.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
180789 Constraining the potential of stalagmites as quantitative archives for past soil carbon dynamics 01.08.2018 Postdoc.Mobility
186135 Probing the potential of STalagmite Organic Matter as a direct tracer for terrestrial ecosystem dynamics and their response to past Climate Change (STOM-CC) 01.09.2020 Ambizione

Abstract

Terrestrial ecosystems are an important component of the global carbon cycle, and they have the potential to significantly acerbate as well as to mitigate anthropogenic climate change. Because of their spatial and compositional heterogeneity, and the highly non-linear responses expected with increasing global temperatures, their response to climate change remains highly uncertain. Improving our understanding of terrestrial ecosystem responses, both at the local and global scale, is therefore a pressing issue. Here I propose the use of stalagmites (secondary cave carbonates) as a novel archive for high-resolution, precisely dated reconstructions of past local ecosystem dynamics. In combination with more established stalagmite proxies for climate reconstruction (e.g., d18O), this has the potential to allow for simultaneous reconstructions of climatic conditions and local ecosystem response over key periods of climate change in the past. To date no stalagmite proxy that offers quantitative information on local ecosystem dynamics exists. With this project, I aim at closing this research gap by assessing the potential of carbon isotopes (d13C and 14C) in stalagmite organic matter (OM) as a novel proxy for specific ecosystem processes, e.g., soil carbon export, and vegetation dynamics. I will refine and validate a previously developed wet oxidation method for the extraction and isotopic characterisation of stalagmite OM, and apply it to samples from key climatic regions (tropical, monsoonal, subarctic). With this project, I will investigate the following research questions:•What is the potential of stalagmite OM isotope records (d13COC and 14COC) as high-fidelity proxies for past ecosystem responses? Can we combine inorganic and organic carbon isotopes to investigate how different carbon pools in the soil-karst system responded to climate change?•Can stalagmites be used to simultaneously assess past climate conditions and the associated local ecosystem responses using a multi-proxy approach? How did the soil-karst carbon cycle respond to past periods of climate change, in particular to warming and drought?The results of this project will likely have high international impact and provide important answers with respect to the past response of terrestrial ecosystems to climatic change. Moreover, the implementation of coupled inorganic-organic carbon isotope records will spur further research towards quantitative reconstructions of local ecosystem dynamics using stalagmites.
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