High resolution palaeo-ecological analysis of an Arctic ice-wedge polygon mire (Kytalyk, NE Siberia)

Ice-wedge polygon mires are typical features of the Artic and therefore especially affected by climate change. They show, caused by soil-ice action, an amazing regular polygonal structure in meter dimension of higher and lower elevated dry and wet parts, and to this microtopography adapted vegetation. Polygon mires play, analogous to other mires, an important role in carbon sequestration, water balance, wildlife habitat and archive value with local to global significance. By storing enormous amounts of the global soil carbon polygon mires are crucial for our climate. Despite this relevance by covering large areas, polygon mires are comparatively poorly scientifically investigated and understood. It is still difficult to make forecasts on how polygon mires will develop under a changing climate in the Arctic, especially because internal factors and self-organisation complicate the understanding of their functioning. Therefore the investigation of modern and past polygon mires is necessary. This dissertation presents high resolution palaeo-ecological studies of a Northeast Siberian model polygon: ice-wedge polygon Lhc11 located in the Indigirka Lowlands at the scientific station Kytalyk. During field work in July 2011 the study site, covering an area of 26 × 21 m was divided into 546 plots, in which vegetation composition and microtopographical elevation characteristics were assessed and surface samples were collected. For palaeoecological analysis a 105.5 cm long peat section was excavated from the same site. Cluster analysis revealed five plant communities, which are clearly separated with respect to ground surface height, frost surface height and coverages of open water and vegetation, confirming the pattern already identified in other studies of Arctic ice-wedge polygons. The correct recognition of these patterns is crucial in palaeoecological studies in order to reconstruct landscape elements and their dynamics. This recognition requires insight in the short-distance relationships between surface elevation/wetness, vegetation and pollen deposition. The applied pollen-vegetation reference study shows that in general modern pollen deposition in polygon Lhc11 corresponds well with actual vegetation, allowing accurate reconstruction of local site conditions from fossil palynomorph sequences, including the reconstruction of the dynamics of closely spaced microtopographical elements. We conducted an evaluation of common palaeo proxies to compare their wetness reconstruction potential. The analysed proxies macrofossils, pollen, testate amoebae, geochemistry and sediment properties show similar wetness trends. Macrofossils provided the most detailed wetness reconstruction, spanning several wetness classes from very dry to wet, because they could be identified to genus or species level. However, as the proxies sometimes show contradictory results, a multi-proxy approach is preferable over a single proxy interpretation as it allows the reconstruction of environmental development in a broader palaeoecological context. For a better understanding of polygon dynamics and former greenhouse gas fluxes, more detailed and better quantified palaeo-microtopographical information is required. Therefore we developed a new transfer approach for modelling past Ground Surface Heights (GSH) in polygon mires from plant fossils. Based on the composition of modern vegetation we constructed two sets of potential fossil types (plant macrofossils and pollen), an extensive and a more restricted one. We applied Canonical Correspondence Analysis to model the relationships between potential fossil types and measured GSH. Both models show a strong relationship between modelled and measured GSH values and a high accuracy in prediction. Finally, we used the models to predict GSH values for Holocene peat samples. We found a fair correspondence with expert-based multi-proxy reconstruction of wetness conditions, even though only a minor part of the encountered fossils were represented in the GSH models, illustrating the robustness of the approach. The method can thus be used to reconstruct palaeoenvironmental conditions in a more objective way and can serve as a template for further palaeoecological studies. The 4000 years lasting history of the Lhc11 polygon site started with the establishment of a low-centre polygon in a drained thermokarst lake basin. Polygon Lhc11 formed part of a low-centre polygon for about 2000 years, experiencing enormous environmental influences discernible by incidence of silt, charred detritus, change of fossils composition and strongly declined peat accumulation rates and finally developed into a mature and degradation stage, into a low-high-centre polygon, currently characterized by high elevation differences. In the context of less studied but large-scale polygon mire occurrence, the high-resolution analysed ice-wedge polygon Lhc11 delivers insights into state and dynamics of a representative Siberian polygon site, in terms of modern and past vegetation and elevation characteristics. Furthermore the present study provides facilities for palaeoecological polygon studies including a new quantitative elevation modelling approach and provides valuable datasets for future research, e.g. greenhouse gas emissions and therefore contributes to a better understanding of these climate relevant ecosystems.Eiskeil-Polygonmoore sind typische Elemente der Arktis und somit im besonderen Maße vom aktuellen Klimawandel betroffen. Sie zeigen, bedingt durch Boden-Eis-Aktivitäten, eine erstaunlich reguläre polygonale Struktur in Meterdimension. Erhöhte trockene und tiefergelegene feuchte Bereiche weisen entsprechend ihrer Mikrotopographie eine adaptierte Vegetation auf. Polygonmoore spielen, analog zu anderen Mooren, eine wichtige Rolle für die Kohlenstoff-Sequestration, den Wasserhaushalt und die Archivierung vergangener Umweltbedingungen mit lokaler bis globaler Signifikanz. Da Polygonmoore enorme Mengen des globalen Bodenkohlenstoffs speichern, sind sie für unser Klima von grundlegender Bedeutung. Trotz dieser Relevanz und der Bedeckung großer Landflächen sind Polygonmoore vergleichsweise wenig erforscht. Es ist weiterhin schwierig, Voraussagen zu machen, wie sich Polygonmoore unter den verändernden Klimabedingungen der Arktis entwickeln werden. Besonders machen interne Faktoren und das Selbstorganisationsvermögen der Eiskeilpolygone die Situation komplexer und erschweren das Verstehen ihrer Wirkungsweise. Folglich ist die Erforschung moderner und vergangener Polygonmoore erforderlich. Die vorliegende Dissertation präsentiert hochauflösende paläo-ökologische Studien eines nordost-sibirischen Modellpolygons, dem Eiskeilpolygon Lhc11, das sich im Indigirka-Tiefland nahe der wissenschaftlichen Station Kytalyk befindet. Während der Feldarbeit im Juli 2011 wurde die Untersuchungsfläche (26 x 21 m) in 546 Aufnahmeflächen unterteilt, auf jeder wurden Vegetationsaufnahmen und mikrotopographische Geländehöhenmessungen durchgeführt sowie Oberflächenproben entnommen. Für paläoökologische Analysen wurde eine 105,5 cm lange Torfsektion aus derselben Untersuchungsfläche entnommen. Die Auswertung mittels Cluster-Analyse ergab fünf Pflanzengesellschaften, die sich hinsichtlich Boden- und Frostoberflächenhöhe sowie Bedeckung offener Wasserflächen und der Vegetation deutlich voneinander abgrenzen. Die identifizierten Muster decken sich mit denen anderer arktischer Eiskeilpolygonstudien. Das richtige Erkennen dieser Muster ist in paläoökologischen Studien zur Rekonstruktion der verschiedenen Landschaftselemente und deren Dynamiken entscheidend. Dieses Erkennen erfordert Einblicke in die Kurzdistanz-Beziehungen zwischen Geländehöhe/Feuchtigkeit, Vegetation und Pollenniederschlag. Die durchgeführte Pollen-Vegetations-Referenzstudie zeigt, dass im Allgemeinen der moderne Pollenniederschlag gut mit der aktuellen Vegetation korrespondiert und somit eine akkurate Rekonstruktion der lokalen Standortbedingungen anhand fossiler Pollensequenzen möglich ist, einschließlich der Rekonstruktion räumlich dicht beieinander befindlicher mikrotopographischer Elemente. Wir haben eine Evaluation üblicher Paläoproxies bezüglich deren Feuchtigkeits-Rekonstruktionspotential durchgeführt. Die dafür analysierten Proxies Makrofossilien, Pollen, Thekamöben, Geochemie und Sedimente zeigen ähnliche Feuchtigkeitstrends. Makrofossilien erlauben die detaillierteste Feuchtigkeitsrekonstruktion, die eine Differenzierung über mehrere Feuchtigkeitsklassen von sehr trocken bis feucht ermöglicht. Grund dafür ist die bis zur Ebene der Gattung bzw. Art mögliche Identifizierung der Makrofossilien. Da jedoch die Proxies mitunter widersprüchliche Ergebnisse zeigen, ist eine Multiproxie- einer Einzelproxie-Studie vorzuziehen, da diese die Rekonstruktion der Umweltbedingungen in einem breiteren paläoökologischem Kontext erlaubt. Für ein besseres Verständnis der Polygondynamiken und vergangener Treibhausgasflüsse werden detailliertere und besser quantifizierbare paläo-mikrotopographische Informationen benötigt. Dafür haben wir einen neuen Transferansatz zur Modellierung ehemaliger Bodenoberflächenhöhen (GSH) in Polygonmooren mit Hilfe von Pflanzenfossilien entwickelt. Basierend auf der modernen Vegetation erstellten wir ein umfangreicheres und ein begrenzteres Set potenzieller Fossiltypen (Pflanzenmakrofossilien und Pollen). Zur Modellierung der Beziehungen zwischen potenziellen Fossiltypen und gemessenen Bodenoberflächenhöhen (GSH) führten wir eine Kanonische Korrespondenzanalyse durch. Beide Modelle zeigen eine enge Beziehung zwischen modellierten und gemessenen Bodenoberflächenhöhenwerten (GSH) und eine hohe Vorhersagegenauigkeit. Schließlich nutzen wir die Modelle zur Ermittlung vergangener GSH-Werte holozäner Torfproben. Wir stellten eine gute Übereinstimmung mit expertenbasierter Multiproxy-Rekonstruktion der Feuchtigkeitsbedingungen fest, obwohl nur ein geringer Anteil der ermittelten Fossilien in den GSH-Modellen repräsentiert war. Dies illustriert die Robustheit des Modell-Ansatzes. Die Methode kann zur Rekonstruktion paläoökologischer Bedingungen in einer objektiven Art und Weise verwendet werden und zudem als Vorlage für weitere paläoökologische Studien dienen. Die 4000 Jahre lange Geschichte des Lhc11 Polygon-Standortes beginnt mit der Etablierung eines Low-centre Polygons in einem drainierten Thermokarstseebecken. Polygon Lhc11 durchlief eine 2000 Jahre andauernde Low-centre Polygon-Phase. Starken Umwelteinflüssen ausgesetzt, die an einem erhöhten Aufkommen an Schluff, verkohltem Detritus, Wechsel der Fossilienzusammensetzung und stark abnehmenden Torfakkumulationsraten erkennbar sind, entwickelte sich Polygon Lhc11 schließlich zu einem reiferen, von Degradation gekennzeichnetem Stadium, in ein Low-high-centre Polygon. Dieses ist aktuell durch ausgeprägte Geländehöhenunterschiede gekennzeichnet. Im Kontext der vergleichsweise gering erforschten aber großflächig vorkommenden Polygonmoore liefert die hochauflösende Studie des Eiskeilpolygons Lhc11 Einblicke in Zustand und Reaktion eines sibirischen Polygonmoorstandortes bezüglich moderner und vergangener Vegetation und Geländecharakteristika. Weiterhin bietet die vorliegende Arbeit Hilfen für paläoökologische Polygonstudien einschließlich eines neuen quantitativen Geländemodellierungsansatzes und stellt umfangreiche und wertvolle Datensätze für zukünftige Forschungen, wie zum Beispiel zum Thema Treibhausgasemissionen zur Verfügung und leistet damit einen Beitrag zum besseren Verständnis dieser klimarelevanten Ökosysteme