Project

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Probing the potential of STalagmite Organic Matter as a direct tracer for terrestrial ecosystem dynamics and their response to past Climate Change (STOM-CC)

Applicant Lechleitner Franziska
Number 186135
Funding scheme Ambizione
Research institution Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.09.2020 - 31.08.2024
Approved amount 974'541.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Geochemistry
Pedology
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Geology

Keywords (9)

organic geochemistry; radiocarbon; stable isotopes; carbon cycle; stalagmite; palaeoclimate; ecosystem; mass spectrometry; isotope analysis

Lay Summary (German)

Lead
Terrestrische Ökosysteme bilden einen wichtigen Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufes. Sie können Kohlenstoff über kurze bis mittelfristige Zeiträume binden, sowie gespeicherten Kohlenstoff als CO2 wieder an die Atmosphäre abgeben und somit den Treibhauseffekt stärken. Daher bestehen weiterhin grosse Unsicherheiten bezüglich der zukünftigen Rolle terrestrischer Ökosysteme in Hinsicht auf den globalen Temperaturanstieg. Der Blick in die Erdgeschichte kann uns dabei helfen, die Sensitivität terrestrischer Ökosysteme auf vergangene Zeiträume starker Klimaschwankungen zu erörtern und damit Rückschlüsse auf mögliche Zukunftsszenarien zu ziehen.
Lay summary

Inhalte und Ziele des Forschungsprojekts

Wir werden Tropfsteine als Archiv für Klima- und Ökosystembedingungen nutzen. Tropfsteine werden in Höhlen über lange Zeiträume durch die inkrementelle Ablagerung von Kalziumkarbonat aus Tropfwasser gebildet. Dadurch speichern sie in ihrer chemischen Zusammensetzung Informationen zu Bedingungen an der Oberfläche über die Zeit ab. Wir werden uns auf die Analyse von stabilen und radioaktiven Kohlenstoffisotopen an Spurenmengen von organischem Kohlenstoff fokussieren, welche als Indikator für Vegetations- und Bodenbedingungen dienen werden. Solche Analysen werden wir an Tropfsteinen verschiedener Alter und aus verschiedenen klimatischen Regionen der Erde durchführen, mit Schwerpunkt auf Zeiten rapider Klimaschwankungen (z.B. das Ende der letzten Eiszeit), und besonders fragilen Ökosystemen (z.B. Permafrostgebiete). Um die Herkunft und Signifikanz von organischem Kohlenstoff in Tropfsteinen besser zu verstehen, werden wir eine hochfrequente Prozessstudie an zwei Höhlensystemen in der Schweiz und in Österreich durchführen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Projekts

Unsere Arbeit wird wichtige neue Erkenntnisse zur Sensitivität terrestrischen Ökosystemen gegenüber Klimaschwankungen erbringen. Die Ergebnisse können helfen, bessere Zukunftsszenarien für Ökosysteme unter fortschreitendem Klimawandel zu erarbeiten, sowie Kohlenstofffluxe aus terrestrischen Ökosystemen in den Untergrund und in die Atmosphäre besser zu quantifizieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 18.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
198127 High-resolution Electron Impact Ionization Mass Spectrometer equipped with a Gas Chromatograph 01.01.2021 R'EQUIP
186693 Exploring the potential of stalagmite organic carbon isotope records as a novel proxy for past ecosystem conditions 01.03.2020 Return CH Postdoc.Mobility

Abstract

Terrestrial ecosystems are an integral component of the global carbon cycle, and significantly impact the global climate system via feedbacks driven by biological and physico-chemical processes. Large uncertainties remain with respect to the magnitude and direction of these feedbacks. This is mainly because of the spatial and compositional heterogeneity of terrestrial ecosystems, which makes their dynamics difficult to assess on a global scale. Here I propose the implementation of a novel multi-proxy approach on stalagmites (secondary cave carbonates) that will provide unprecedented insight into local ecosystem responses (soil, vegetation, microbial communities) to past climate change. This project will pioneer the simultaneous reconstruction of past climatic and local ecosystem changes at high temporal resolution and chronological control, capitalising on the amenability of stalagmites to high precision dating. The novelty of this project is the establishment of stalagmite organic carbon isotope records (d13COC and 14COC) as a routine application for high-resolution reconstructions of past terrestrial ecosystem dynamics. I will apply a previously developed wet oxidation method for extraction and isotopic analysis of stalagmite organic carbon to samples from key climate regions (tropical, monsoonal, mid-latitudes, arid, sub-arctic) and periods (last glacial, deglaciation, Holocene). I will investigate the potential of d13COC and 14COC as palaeo-ecosystem proxies, and deliver high-resolution stalagmite records of coupled organic-inorganic carbon isotopes over crucial periods in Earth’s recent past. Moreover, I will supervise a PhD project focused on a process study of inorganic and organic carbon fluxes in a Swiss cave, which will provide detailed, monthly data over the course of at least one year. This will be the highest resolution and most detailed analysis of karst carbon fluxes available to date, and provide indispensable new data to solve the long-standing scientific debate about the importance and dynamics of different carbon reservoirs in karst environments. With this project, I aim at answering the following questions:•How did the soil-karst carbon cycle respond to past periods of climate change, in particular to warming and drought? Did the organic and inorganic carbon pools in the soil-karst system respond differentially to climate forcing? What types of local ecosystem responses can be reconstructed using stalagmite organic carbon isotopes? (Section 2.3.1.)•What are the sources of OM in stalagmites, and can we single them out using combined organic and inorganic d13C and 14C measurements and characterisation of OM on samples from different carbon reservoirs in karst systems? (Section 2.3.2.)The results from this project are very likely to have high international impact and lead to future research towards the development of quantitative ecosystem proxies from stalagmites, and to provide a much deeper understanding of the impact of climate change on terrestrial ecosystems at local scale. The results will be published in peer-reviewed, open access international journals, in parallel with data release on open access data sharing platforms. As PI of the project, I will be able to gain academic independence and leadership skills, which will greatly aid my future search for faculty-level positions.
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