Aquatische Organismen als Indikatoren für quantitative Umwelt- und Klimaänderungen in der Paläoökologie: Methoden und Anwendungen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin
Logos-Verl.
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XIV, 200 S. graph. Darst. 21 cm |
| ISBN: | 9783832516390 3832516395 |
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INHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis
Thesen zur quantitativen Paläolimnologie xiü
1 Einleitung und Zielsetzung 1
2 Die Entwicklung der Paläolimnologie als Teil der Paläoökologie 3
3 Eigenschaften iimnischer Ökosysteme 7
3.1 Der Wärmehaushalt in Seen . 8
3.2 Der Nährstoffhaushalt in Seen. 10
3.2.1 Phosphor als Nährstoff. 11
3.2.2 Stickstoff als Nährstoff. 12
3.2.3 Silizium als Nährstoff. 14
3.3 Die Produktivität und der Trophiestatus von Seen. 15
3.4 Weitere abiotische Steuergrößen. 17
4 Methoden zur quantitativen Rekonstruktion 19
4.1 Aquatische Organismen als paläoökologische Indikatoren. 19
4.1.1 Diatomeen . 19
4.1.2 Chironomiden . 24
n_INHALTSVERZEICHNIS
4.1.3 Weitere Indikatoren.27
4.2 Statistische Methoden zur quantitativen Rekonstruktion.29
4.2.1 Der Kalibrationsdatensatz.29
4.2.2 Statistische Analyse von Spezies-Umweltbeziehungen.31
4.2.3 Methoden zur Erstellung von Transferfunktionen.34
4.2.4 Validierung von Transferfunktionen und statistische Bewertung von Re-
konstruktionen .42
4.3 Räumliche Heterogenität in aquatischen Ökosystemen .45
4.3.1 Räumliche Variabilität von Kenngrößen in limnischen Systemen.45
4.3.2 Methoden zur Analyse räumlicher Variabilität.46
5 Anwendungen der Methoden in paläolimnologischen Untersuchungen - Ergebnisse
und Diskussion 51
5.1 Analyse der Sedimentationsbedingungen am Beispiel des Lamasees, Zentralsibirien 52
5.1.1 (Jntersuchungsgebiet und Probenahme. 52
5.1.2 Analyse des Probenmaterials. 55
5.1.3 Statistische Analysen. 56
5.1.4 Ergebnisse und Diskussion. 57
5.1.5 Schlussfolgerungen. 69
5.2 Paiäotemperaturrekonstruktion mittels Diatomeen. 71
5.2.1 Untersuchungsgebiet, Probenahme und Sedimentanalyse. 71
5.2.2 Verwendeter Kalibrationsdatensatz. 72
5.2.3 Statistische Analyse und Transferfunktion. 73
5.2.4 Ergebnisse und Diskussion. 75
INHALTSVERZEICHNIS_Ml
5.2.5 Schlussfolgerungen. 86
5.3 Phosphorrekonstruktion mittels Diatomeen . 88
5.3.1 Untersuchungsgebiet und Probenahme. 88
5.3.2 Analyse des Probenmaterials. 90
5.3.3 Verwendete Kalibrationsdatensätze .91
5.3.4 Statistische Analyse und Transferfunktionen .93
5.3.5 Ergebnisse .94
5.3.6 Diskussion und Schlussfolgerungen.111
5.4 Aufbau eines Kalibrationsdatensatzes in Jakutien - Erste Ergebnisse.115
5.4.1 Untersuchungsgebiet und Probenahme.116
5.4.2 Analyse des Probenmaterials.117
5.4.3 Statistische Analysen.118
5.4.4 Ergebnisse und Diskussion.119
5.4.5 Schlussfolgerungen.130
6 Schlussfolgerungen und weiterer Forschungsbedarf 133
6.1 Repräsentativität paläolimnologischer Untersuchungen.133
6.2 Aquatische Organismen als Indikatoren der Umwelt- und Klimageschichte.135
6.3 Regionale oder nichtregionale Transferfunktionen - Ein Vergleich .137
6.4 Auswahl von Bewertungsverfahren.139
6.5 Ausblick für laufende und künftige Untersuchungen.141
7 Zusammenfassung 145
IV _INHALTSVERZEICHNIS
8 Literaturverzeichnis 149
A Symbolverzeichnis 173
B WAPLS-Algorithmus zur Umwelt- und Klimarekonstruktion 177
C Standorte der Probenahmestellen im Lamasee 179
D Statistik ausgewählter Messgrößen der Sedimente des Lamasees 183
E AMS "C-Datierungen der Sedimentproben des Kerns PG1111, Lamasee 185
F Experimentgestaltung zur Analyse von Bewertungsverfahren 187
G Geografische Charakteristika der untersuchten Seen in Zentraljakutien 189
H Korrelationsmatrix physiko-chemischer Eigenschaften 193
Danksagung 195
Index 197
ABBILDUNGS VERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis
3.1 Beispielhaftes Schema für die physikalische Struktur eines kleinen Sees während
des Sommers nach Hörne Goldman (1994). 7
3.2 Schematische Darstellung eines Temperatur- und Lichtprofils geschichteter Was-
serkörper. . 9
3.3 Vereinfachte schematische Darstellung des Phosphorkreislaufs in Seen nach Home
Goldman (1994). 1 !
3.4 Der Stickstoffkreislauf in idealisierter Form in geschichteten Seen mit anaerobem
Hypolimnion (nach Home Goldman, 1994). 13
3.5 Der Siliziumkreislauf in Seen in vereinfachter Form mit Bezug auf das Algenwachs-
tum (nach Hörne Goldman, 1994). 14
4.1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Diatomeentaxa Cyclotella radiosa
(links) und Stephanodiscus minutulus (rechts, Baier, unveröffentlicht).21
4.2 Schematische Darstellung des Lebenszyklus von Chironomiden. Der hellgraue Hin-
tergrund bezeichnet den Lebensabschnitt auf bzw. im Wasser, der dunkelgraue den
Lebensabschnitt auf dem Sediment. 25
4.3 Mikroskopische Aufnahmen der Larven Tanytarsus gr. chinyensis (links) und Gut-
tipelopia (rechts, Nazarova, unveröffentlicht). 26
4.4 Schema der Arbeitsschritte zu einer quantitativen Rekonstruktion der regionalen
Umwelt- und Klimageschichte mit aquatischen Organismen.29
4.5 Die Gaussfunktion als Modellansatz der Beziehungen zwischen Spezies und Gra-
dienten. 37
5.1 Geografische Lage der Untersuchungsgebiete aller Anwendungsbeispiele (geändert
nach Kumkeetal, 2004b).51
VI_ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.2 Geografische Lage des Lamasees in Zentralsibirien (geändert nach Kienel Kum-
ke, 2002).53
5.3 Der Lamasee mit seinen vier morphologischen Abschnitten (I bis IV) sowie seinen
Zu- und Abflüssen. Die Punkte und Quadrate markieren die Probenahmestellen flir
Oberflächensedimente bzw. Planktonproben (geändert nach Kienel Kumke, 2002). 54
5.4 Streudiagramme der ersten gegen die zweite Hauptachse einer CA der subfossilen
Diatomeenvergesellschafiungen des Lamasees (nach Kienel Kumke, 2002). Das
obere Diagramm stellt die Objektwerte und das untere Diagramm die Spezieswerte
dar. .58
5.5 Abstandsbiplot der ersten gegen die zweite Hauptachse einer PCA der sedimento-
logischen Eigenschaften des Lamasees (nach Kumke et al, 2005b). Die Symbole
stellen die Objektwerte, zugeordnet nach ihrer Position im See, dar. Die Vektoren
markieren die Beiträge der Variablen.59
5.6 Streudiagramme der ersten gegen die zweite Hauptachse einer CA der Diatomeen-
vergesellschaftungen im Plankton des Lamasees. Das obere Diagramm stellt die
Objektwerte und das untere Diagramm die Spezieswerte dar. 61
5.7 Variogramme der Objektwerte der ersten und zweiten CA-Hauptachse der subfos-
silen Diatomeenvergesellschaftungen (a) und der ersten und zweiten PC-Hauptachse
der sedimentologischen Eigenschaften (b) im Lamasee (geändert nach Kienel
Kumke, 2002 sowie Kumke et ai, 2005b). Die durchgezogenen Linien stellen die
angepassten Modelle dar. 63
5.8 Karte der interpolierten Objektwerte der ersten beiden CA-Hauptachsen der sub-
fossilen Diatomeenvergesellschaftungen des Lamasees (nach Kienel Kumke, 2002).
Das obere Diagramm stellt die interpolierten Objektwerte der ersten Hauptachse
und das untere Diagramm die der zweiten Hauptachse dar.65
5.9 Karte der interpolierten Hauptkomponentenwerte der ersten beiden PC-Hauptachsen
der sedimentologischen Eigenschaften des Lamasees (nach Kumke et ai, 2005b).
Das obere Diagramm stellt die interpolierten Hauptkomponentenwerte der ersten
Hauptachse und das untere Diagramm die der zweiten Hauptachse dar. .66
5.10 Position des Sedimentkerns PGllll im Westbecken des Lamasees, Zentralsi-birien
(verändert nach Kumke et ai, 2004a).72
5.11 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten Julitemperaturen (links)
und Restwertdiagramm der Modellrestwerte gegen die beobachteten Julitempera-
turen (rechts) nach Kumke et al. (2004a).74
5.12 Streudiagramm der kalibrierten AM S llC-Alter gegen die Sedimenttiefe (:seä)- D e
durchgezogene Linie repräsentiert das angepasste Regressionsmodell.75
ABBILDUNGS VERZEICHNIS_vu
5.13 Fossile Diatomeenstratigraphie des Sedimentkerns PG1III des Lamasees. Dar-
gestellt sind die fossilen Diatomeentaxa, die mindestens 35% der Speziesvarianz
der ersten beiden Hauptachsen der PCA der fossilen Diatomeen des Lamasees re-
präsentieren. Flächen mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren
unterschiedliche Lokale Diatomeenvergesellschaftungszonen (LDVZ). Die Pfeile
zeigen die Proben mit einer geringen Anzahl von Diatomeenschalen (ca. 150) an
(nach Kumke et ai, 2004a). 76
5.14 Biplot der ersten beiden Hauptachsen einer PCA der fossilen Diatomeentaxa des
Lamasees (nach Kumke et al., 2004a). Dargestellt sind nur die Proben und Ta-
xa, die mindestens zu 35% der Varianz der ersten beiden Hauptachsen beitra-
gen. Flächen mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren die un-
terschiedlichen LDVZ. . 77
5.15 Chronologischer Verlauf der Hauptkomponentenwerte der ersten beiden PC-Haupt-
achsen (PC 1 und PC 2), des Shannon-Index (H1 ), der Vergesellschaftungsände-
rungen (RC/IOO a) sowie der rekonstruierten mittleren Julitemperaturen (TJui,j
aus den fossilen Diatomeenvergesellschaftungen des Lamasees. Die Julitempera-
turen sind als Abweichungen vom Mittelwert dargestellt. Die durchgezogene Linie
ist der gleitende Mittelwert über drei Punkte (nach Kumke et ai, 2004a).79
5.16 Streudiagramme der Vergesellschaftungsänderungen pro Zeiteinheit (RC/100 a,
oben) und der rekonstruierten mittleren Julitemperaturen (Tjuu, unten) basierend
auf fossilen Pollenspektren und Diatomeen aus dem Lamasee. 83
5.17 Geografische Lage des Holzmaars, Westeifel (a) sowie die Morphologie des Holz-
maars und die Lokation der Sedimentkerne HZM4a,b fb, verändert nach Baier et
ai, 2004). 89
5.18 Fossile Diatomeenstratigraphie des Sedimentprofils HZM4a,b des Holzmaars (ver-
ändert nach Baier. 2003). Dargestellt sind die fossilen Diatomeentaxa. die in min-
destens drei Proben eine relative Häufigkeit von 1% erreichen. Flächen mit un-
terschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren unterschiedliche Lokale Dia-
tomeenvergesellschaftungszonen (LDVZ). 95
5.19 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes NWE und der 1:1-Linie (a) sowie Restwert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).98
5.20 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes WE und der l:l-Linie (a) sowie Restwert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).98
5.21 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes NOD und der I:l-Linie (a) sowie Resniert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).99
VIII_ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.22 Prozentuale Übereinstimmungen zwischen den Diatomeentaxa des Kalibrations-
datensatzes NWE (a), WE (b) sowie NOD (c) und den fossilen Taxa des Holzmaars
während des Untersuchungszeitraumes. .'01
5.23 Speziesanalogien zwischen den subfossilen Diatomeentaxa des Kalibrationsdaten-
satzes NOD (a), NWE (b) sowie WE (c) und den fossilen Taxa des Holzmaars
während des Untersuchungszeitraumes.102
5.24 Biplots der kanonische Korrespondenzanalysen der Datensätze NWE (a), WE (b)
sowie NOD (c). Dargestellt ist die erste kanonische Achse, repräsentiert durch TP
und die erste nicht-kanonische Achse. Die fossilen Proben des Holzmaars wurden
passiv in den Biplot gestellt und nach ihren LDVZ gruppiert.104
5.25 Zeitlicher Verlauf der quadrierten Restwertabstände D2 der Proben des Holz-
maars zu den Massenschwerpunkten der Spezies der Datensätze NWE (a), WE
(b) sowie NOD (c).105
5.26 Das Bestimmtheitsmaß (R2), der maximale Verzerrungskoeffizient (Biasmax) und
der Vorhersagefehler des Modells (RMSEP) in Abhängigkeit der Flächenzunah-
me, Kalibrationsdatensatz Westeuropa.106
5.27 Das Verhältnis nsul /nf0B (a) sowie n~min (b) in Abhängigkeit der Flächenzunahme,
Kalibrationsdatensatz Westeuropa.107
5.28 Die quadrierten Restwertabstände (D2) in Abhängigkeit der Flächenzunahme. Ka-
librationsdatensatz Westeuropa. Die D~-Werte der Kategorien 1 und 2 fehlen auf-
grund der zu geringen Anzahl an Freiheitsgraden bei der Berechnung.108
5.29 Rekonstruierte TP-Konzentrationen im Holzmaar auf der Grundlage der TP-Trans-
ferfunknon des Kalibrationsdatensatzes NOD (verändert nach Kumke et ah, 2005a).
Die vertikalen Strich-Punkt-Linien stellen die Grenzen der Trophieklassen nach
Vollenweider Kerekes (1982) dar. Horizontale Linien sind die Grenzen der loka-
len Diatomeenvergesellschafiungszonen.110
5.30 Geografische Karte Jakutiens mit den gerahmten Untersuchungsgebieten Wiljuisk
(Ï) und Jakutsk (11).117
5.31 Boxphts der Variablen elektrische Leitfähigkeit (a), pH (b), TIC (c) und Ca (d)
gruppiert nach den Untersuchungsgebieten Wiljuisk (1) und Jakutsk (II) (nach
KumkeetaL 2007).123
5.32 Boxplols der Variablen Na (a), Cl (b), Mg (c) und K (d) gruppiert nach den Vege-
tationsmerkmalen Wald und Grünland (nach Kumke et ai. 2007).124
5.33 Dendrogramm der Clusteranalyse der untersuchten Seen in Zentraljakutien grup-
piert nach den Vegetationsmerkmalen Wald und Grünland (nach Kumke et ai,
2007). Die senkrechte Strichlinie stellt das Gruppierungskriterium dar.125
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX
5.34 Biplots der RDA der untersuchten Seen in Zentraljakutien (nach Kumke et al.,
2007). Dargestellt sind die signifikanten Steuergrößen für die physiko-chemischen
Eigenschaften und die Probenahmepunkte (a) sowie die gemessenen Variablen, die
mindestens 20% der Varianz der Hauptachsen repräsentieren, und die signifikan-
ten Steuergrößen (b).126
5.35 Biplots der CCA der Chironomidenvergesellschaftungen jakutischer Seen (Kumke
et al, 2006). Dargestellt sind die signifikanten Steuergrößen fiir die subfossilen
Vergesellschaftungen und die Taxa, die mindestens 10% der Varianz der Achsen
repräsentieren (a) sowie die Probenahmepunkte, die mindestens 10% der Varianz
der Hauptachsen repräsentieren, und die signifikanten Steuergrößen (b).129
TABELLENVERZEICHNIS XI
Tabellenverzeichnis
3.1 Gewässerklassifikation zum Tmphiestatus nach der OECD-Studie (Vollenweider
Kerekes, 1982). 16
3.2 Klassifikation von Diatomeen nach ihren Ansprüchen bezüglich des pH-Wertes im
Wasser nach Hustedt ( 1937-38, 1939). 18
4.1 Zusammenstellung ausgewählter Datensätze zur paläolimnologischen Rekonstruk-
tion mittels Diatomeen. Die Abkürzung LA. steht für keine Angaben.23
4.2 Zusammenstellung ausgewählter Datensätze zur paläolimnologischen Rekonstruk-
tion mittels Chironomiden. 27
5.1 Ausgewählte mittlere klimatische und hydrologische Eigenschaften des Lamasees
und seines Einzugsgebietes nach Kienel Kumke (2002).55
5.2 Zusammenfassung der Modellparameter Reichweite (a), Schwellenwert (C) und
Nuggeteffekt (Co), des Modellfehlers (RMSEP) und des Restwertfehlers (BE)
für die Variogramme der CA-Achsen 1 und 2 und der PC-Achsen 1 und 2.64
5.3 Statistische Zusammenfassung der Anzahl (nTaxa) der subfossilen Diatomeen, des
Gleichmäßigkeits-Index (I), des Diversitäts-Index nach Shannon (H1), der Was-
sertiefen (z\va.,.,er) sowie der mittleren Julitemperaturen (TJult) an den Standorten
der Seen des finnischen Kalibrationsdatensatzes (verändert nach Weckström, 2001 ). 73
5.4 Zusammenfassung der Anzahl der Spezies (n) und der effektiven Diversitätszahl
(N2) des Kalibrationsdatensatzes und des fossilen Datensatzes nach Kumke et al.
(2004a). Es sind nur die Taxa aufgelistet, die in mindestens 20% der Seen des
Kalibrationsdatensatzes vorkommen.82
5.5 Ausgewählte mittlere klimatische und hydrologische Eigenschaften des Holzmaars
und seines Einzugsgebietes nach Scharf Menn (1992), Scharf Oehms (1992)
sowie Baier (2003).90
xn_TABELLENVERZEICHNIS
5.6 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zwasser), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nraxa). des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des west-
europäischen Kalibrationsdatensatzes."'
5.7 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zwasser), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nTaxa), des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des nord-
westeuropäischen Kalibra-tionsdatensatzes.92
5.8 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zWais„), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nraxa), des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des nord-
ostdeutschen Kalibrationsdatensatzes.93
5.9 Statistische Zusammenfassung der Modellvalidierungsgrößen für die Transferfunk-
tionen Westeuropa (WE), Nordwesteuropa (NWE) und Nordostdeutschland (NOD).
Die Abkürzung n.b. steht für nicht bekannt. 94
5.10 Statistische Zusammenfassung der probenspezifischen Fehler (esam) der TP-Rekon-
struktionen mit den Transferfunktionen Westeuropa (WE), Nordwesteuropa (NWE)
und Nordostdeutschland (NOD).100
5.11 Korrelationsmatrizen der rekonstruierten TP-Konzentrationen, des probenspezi-
fischen Fehlers (esam), des minimalsten \2-Abstandes (xLi,J der effektiven Di-
versitätszahl (N2), des quadrierten Restwertabstandes (D2) und der beiden ersten
PCA-Hauptachsen (PCI, PC2) mit den Transferfunktionen Nordwesteuropa, West-
europa und Nordostdeutschland. Fettgedruckte Koeffizienten sind signifikant bei
P 0.05.103
5.12 Statistische Zusammenfassung der Messergebnisse der untersuchten phvsiko-che-
mischen Eigenschaften zentraljakutischer Seennach Kurnke et al. (2007).120
5.13 Zusammenfassung der Ergebnisse der ANOVAs und des V-Testes auf signifikante
Unterschiede in den Mittelwerten der physiko-chemischen Eigenschaften der un-
tersuchten Seen nach Kurnke et al. (2007). Aufgelistet ist die Anzahl der Beobach-
tungen in den jeweiligen Gruppen und die Irrtumswahrscheinlichkeit des F-Testes
auf Unterschiede in den Varianzen und des U-Testes auf Mittelwertunterschiede.
Signifikante Unterschiede (P 0.05) sind fett markiert.122
5.14 Statistische Zusammenfassung der Anzahl der Chironamidentaxa (n), der effekti-
ven Diversitätsz.ah.1 (S2), des Gleichmäßigkeitsindex (I) und des Shannon-Index
{}{', nach Nazarova et al, 2005).128 |
| adam_txt |
INHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis
Thesen zur quantitativen Paläolimnologie xiü
1 Einleitung und Zielsetzung 1
2 Die Entwicklung der Paläolimnologie als Teil der Paläoökologie 3
3 Eigenschaften iimnischer Ökosysteme 7
3.1 Der Wärmehaushalt in Seen . 8
3.2 Der Nährstoffhaushalt in Seen. 10
3.2.1 Phosphor als Nährstoff. 11
3.2.2 Stickstoff als Nährstoff. 12
3.2.3 Silizium als Nährstoff. 14
3.3 Die Produktivität und der Trophiestatus von Seen. 15
3.4 Weitere abiotische Steuergrößen. 17
4 Methoden zur quantitativen Rekonstruktion 19
4.1 Aquatische Organismen als paläoökologische Indikatoren. 19
4.1.1 Diatomeen . 19
4.1.2 Chironomiden . 24
n_INHALTSVERZEICHNIS
4.1.3 Weitere Indikatoren.27
4.2 Statistische Methoden zur quantitativen Rekonstruktion.29
4.2.1 Der Kalibrationsdatensatz.29
4.2.2 Statistische Analyse von Spezies-Umweltbeziehungen.31
4.2.3 Methoden zur Erstellung von Transferfunktionen.34
4.2.4 Validierung von Transferfunktionen und statistische Bewertung von Re-
konstruktionen .42
4.3 Räumliche Heterogenität in aquatischen Ökosystemen .45
4.3.1 Räumliche Variabilität von Kenngrößen in limnischen Systemen.45
4.3.2 Methoden zur Analyse räumlicher Variabilität.46
5 Anwendungen der Methoden in paläolimnologischen Untersuchungen - Ergebnisse
und Diskussion 51
5.1 Analyse der Sedimentationsbedingungen am Beispiel des Lamasees, Zentralsibirien 52
5.1.1 (Jntersuchungsgebiet und Probenahme. 52
5.1.2 Analyse des Probenmaterials. 55
5.1.3 Statistische Analysen. 56
5.1.4 Ergebnisse und Diskussion. 57
5.1.5 Schlussfolgerungen. 69
5.2 Paiäotemperaturrekonstruktion mittels Diatomeen. 71
5.2.1 Untersuchungsgebiet, Probenahme und Sedimentanalyse. 71
5.2.2 Verwendeter Kalibrationsdatensatz. 72
5.2.3 Statistische Analyse und Transferfunktion. 73
5.2.4 Ergebnisse und Diskussion. 75
INHALTSVERZEICHNIS_Ml
5.2.5 Schlussfolgerungen. 86
5.3 Phosphorrekonstruktion mittels Diatomeen . 88
5.3.1 Untersuchungsgebiet und Probenahme. 88
5.3.2 Analyse des Probenmaterials. 90
5.3.3 Verwendete Kalibrationsdatensätze .91
5.3.4 Statistische Analyse und Transferfunktionen .93
5.3.5 Ergebnisse .94
5.3.6 Diskussion und Schlussfolgerungen.111
5.4 Aufbau eines Kalibrationsdatensatzes in Jakutien - Erste Ergebnisse.115
5.4.1 Untersuchungsgebiet und Probenahme.116
5.4.2 Analyse des Probenmaterials.117
5.4.3 Statistische Analysen.118
5.4.4 Ergebnisse und Diskussion.119
5.4.5 Schlussfolgerungen.130
6 Schlussfolgerungen und weiterer Forschungsbedarf 133
6.1 Repräsentativität paläolimnologischer Untersuchungen.133
6.2 Aquatische Organismen als Indikatoren der Umwelt- und Klimageschichte.135
6.3 Regionale oder nichtregionale Transferfunktionen - Ein Vergleich .137
6.4 Auswahl von Bewertungsverfahren.139
6.5 Ausblick für laufende und künftige Untersuchungen.141
7 Zusammenfassung 145
IV _INHALTSVERZEICHNIS
8 Literaturverzeichnis 149
A Symbolverzeichnis 173
B WAPLS-Algorithmus zur Umwelt- und Klimarekonstruktion 177
C Standorte der Probenahmestellen im Lamasee 179
D Statistik ausgewählter Messgrößen der Sedimente des Lamasees 183
E AMS "C-Datierungen der Sedimentproben des Kerns PG1111, Lamasee 185
F Experimentgestaltung zur Analyse von Bewertungsverfahren 187
G Geografische Charakteristika der untersuchten Seen in Zentraljakutien 189
H Korrelationsmatrix physiko-chemischer Eigenschaften 193
Danksagung 195
Index 197
ABBILDUNGS VERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis
3.1 Beispielhaftes Schema für die physikalische Struktur eines kleinen Sees während
des Sommers nach Hörne Goldman (1994). 7
3.2 Schematische Darstellung eines Temperatur- und Lichtprofils geschichteter Was-
serkörper. . 9
3.3 Vereinfachte schematische Darstellung des Phosphorkreislaufs in Seen nach Home
Goldman (1994). 1 !
3.4 Der Stickstoffkreislauf in idealisierter Form in geschichteten Seen mit anaerobem
Hypolimnion (nach Home Goldman, 1994). 13
3.5 Der Siliziumkreislauf in Seen in vereinfachter Form mit Bezug auf das Algenwachs-
tum (nach Hörne Goldman, 1994). 14
4.1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Diatomeentaxa Cyclotella radiosa
(links) und Stephanodiscus minutulus (rechts, Baier, unveröffentlicht).21
4.2 Schematische Darstellung des Lebenszyklus von Chironomiden. Der hellgraue Hin-
tergrund bezeichnet den Lebensabschnitt auf bzw. im Wasser, der dunkelgraue den
Lebensabschnitt auf dem Sediment. 25
4.3 Mikroskopische Aufnahmen der Larven Tanytarsus gr. chinyensis (links) und Gut-
tipelopia (rechts, Nazarova, unveröffentlicht). 26
4.4 Schema der Arbeitsschritte zu einer quantitativen Rekonstruktion der regionalen
Umwelt- und Klimageschichte mit aquatischen Organismen.29
4.5 Die Gaussfunktion als Modellansatz der Beziehungen zwischen Spezies und Gra-
dienten. 37
5.1 Geografische Lage der Untersuchungsgebiete aller Anwendungsbeispiele (geändert
nach Kumkeetal, 2004b).51
VI_ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.2 Geografische Lage des Lamasees in Zentralsibirien (geändert nach Kienel Kum-
ke, 2002).53
5.3 Der Lamasee mit seinen vier morphologischen Abschnitten (I bis IV) sowie seinen
Zu- und Abflüssen. Die Punkte und Quadrate markieren die Probenahmestellen flir
Oberflächensedimente bzw. Planktonproben (geändert nach Kienel Kumke, 2002). 54
5.4 Streudiagramme der ersten gegen die zweite Hauptachse einer CA der subfossilen
Diatomeenvergesellschafiungen des Lamasees (nach Kienel Kumke, 2002). Das
obere Diagramm stellt die Objektwerte und das untere Diagramm die Spezieswerte
dar. .58
5.5 Abstandsbiplot der ersten gegen die zweite Hauptachse einer PCA der sedimento-
logischen Eigenschaften des Lamasees (nach Kumke et al, 2005b). Die Symbole
stellen die Objektwerte, zugeordnet nach ihrer Position im See, dar. Die Vektoren
markieren die Beiträge der Variablen.59
5.6 Streudiagramme der ersten gegen die zweite Hauptachse einer CA der Diatomeen-
vergesellschaftungen im Plankton des Lamasees. Das obere Diagramm stellt die
Objektwerte und das untere Diagramm die Spezieswerte dar. 61
5.7 Variogramme der Objektwerte der ersten und zweiten CA-Hauptachse der subfos-
silen Diatomeenvergesellschaftungen (a) und der ersten und zweiten PC-Hauptachse
der sedimentologischen Eigenschaften (b) im Lamasee (geändert nach Kienel
Kumke, 2002 sowie Kumke et ai, 2005b). Die durchgezogenen Linien stellen die
angepassten Modelle dar. 63
5.8 Karte der interpolierten Objektwerte der ersten beiden CA-Hauptachsen der sub-
fossilen Diatomeenvergesellschaftungen des Lamasees (nach Kienel Kumke, 2002).
Das obere Diagramm stellt die interpolierten Objektwerte der ersten Hauptachse
und das untere Diagramm die der zweiten Hauptachse dar.65
5.9 Karte der interpolierten Hauptkomponentenwerte der ersten beiden PC-Hauptachsen
der sedimentologischen Eigenschaften des Lamasees (nach Kumke et ai, 2005b).
Das obere Diagramm stellt die interpolierten Hauptkomponentenwerte der ersten
Hauptachse und das untere Diagramm die der zweiten Hauptachse dar. .66
5.10 Position des Sedimentkerns PGllll im Westbecken des Lamasees, Zentralsi-birien
(verändert nach Kumke et ai, 2004a).72
5.11 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten Julitemperaturen (links)
und Restwertdiagramm der Modellrestwerte gegen die beobachteten Julitempera-
turen (rechts) nach Kumke et al. (2004a).74
5.12 Streudiagramm der kalibrierten AM S llC-Alter gegen die Sedimenttiefe (:seä)- D e
durchgezogene Linie repräsentiert das angepasste Regressionsmodell.75
ABBILDUNGS VERZEICHNIS_vu
5.13 Fossile Diatomeenstratigraphie des Sedimentkerns PG1III des Lamasees. Dar-
gestellt sind die fossilen Diatomeentaxa, die mindestens 35% der Speziesvarianz
der ersten beiden Hauptachsen der PCA der fossilen Diatomeen des Lamasees re-
präsentieren. Flächen mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren
unterschiedliche Lokale Diatomeenvergesellschaftungszonen (LDVZ). Die Pfeile
zeigen die Proben mit einer geringen Anzahl von Diatomeenschalen (ca. 150) an
(nach Kumke et ai, 2004a). 76
5.14 Biplot der ersten beiden Hauptachsen einer PCA der fossilen Diatomeentaxa des
Lamasees (nach Kumke et al., 2004a). Dargestellt sind nur die Proben und Ta-
xa, die mindestens zu 35% der Varianz der ersten beiden Hauptachsen beitra-
gen. Flächen mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren die un-
terschiedlichen LDVZ. . 77
5.15 Chronologischer Verlauf der Hauptkomponentenwerte der ersten beiden PC-Haupt-
achsen (PC 1 und PC 2), des Shannon-Index (H1 ), der Vergesellschaftungsände-
rungen (RC/IOO a) sowie der rekonstruierten mittleren Julitemperaturen (TJui,j
aus den fossilen Diatomeenvergesellschaftungen des Lamasees. Die Julitempera-
turen sind als Abweichungen vom Mittelwert dargestellt. Die durchgezogene Linie
ist der gleitende Mittelwert über drei Punkte (nach Kumke et ai, 2004a).79
5.16 Streudiagramme der Vergesellschaftungsänderungen pro Zeiteinheit (RC/100 a,
oben) und der rekonstruierten mittleren Julitemperaturen (Tjuu, unten) basierend
auf fossilen Pollenspektren und Diatomeen aus dem Lamasee. 83
5.17 Geografische Lage des Holzmaars, Westeifel (a) sowie die Morphologie des Holz-
maars und die Lokation der Sedimentkerne HZM4a,b fb, verändert nach Baier et
ai, 2004). 89
5.18 Fossile Diatomeenstratigraphie des Sedimentprofils HZM4a,b des Holzmaars (ver-
ändert nach Baier. 2003). Dargestellt sind die fossilen Diatomeentaxa. die in min-
destens drei Proben eine relative Häufigkeit von 1% erreichen. Flächen mit un-
terschiedlichen Schwarz-Weiß-Kontrasten markieren unterschiedliche Lokale Dia-
tomeenvergesellschaftungszonen (LDVZ). 95
5.19 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes NWE und der 1:1-Linie (a) sowie Restwert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).98
5.20 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes WE und der l:l-Linie (a) sowie Restwert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).98
5.21 Streudiagramm der vorhergesagten gegen die beobachteten TP-Konzentrationen
der Seen des Kalibrationsdatensatzes NOD und der I:l-Linie (a) sowie Resniert-
diagramm der Fehler gegen die beobachteten TP-Konzentrationen (b).99
VIII_ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.22 Prozentuale Übereinstimmungen zwischen den Diatomeentaxa des Kalibrations-
datensatzes NWE (a), WE (b) sowie NOD (c) und den fossilen Taxa des Holzmaars
während des Untersuchungszeitraumes. .'01
5.23 Speziesanalogien zwischen den subfossilen Diatomeentaxa des Kalibrationsdaten-
satzes NOD (a), NWE (b) sowie WE (c) und den fossilen Taxa des Holzmaars
während des Untersuchungszeitraumes.102
5.24 Biplots der kanonische Korrespondenzanalysen der Datensätze NWE (a), WE (b)
sowie NOD (c). Dargestellt ist die erste kanonische Achse, repräsentiert durch TP
und die erste nicht-kanonische Achse. Die fossilen Proben des Holzmaars wurden
passiv in den Biplot gestellt und nach ihren LDVZ gruppiert.104
5.25 Zeitlicher Verlauf der quadrierten Restwertabstände D2 der Proben des Holz-
maars zu den Massenschwerpunkten der Spezies der Datensätze NWE (a), WE
(b) sowie NOD (c).105
5.26 Das Bestimmtheitsmaß (R2), der maximale Verzerrungskoeffizient (Biasmax) und
der Vorhersagefehler des Modells (RMSEP) in Abhängigkeit der Flächenzunah-
me, Kalibrationsdatensatz Westeuropa.106
5.27 Das Verhältnis nsul /nf0B (a) sowie n~min (b) in Abhängigkeit der Flächenzunahme,
Kalibrationsdatensatz Westeuropa.107
5.28 Die quadrierten Restwertabstände (D2) in Abhängigkeit der Flächenzunahme. Ka-
librationsdatensatz Westeuropa. Die D~-Werte der Kategorien 1 und 2 fehlen auf-
grund der zu geringen Anzahl an Freiheitsgraden bei der Berechnung.108
5.29 Rekonstruierte TP-Konzentrationen im Holzmaar auf der Grundlage der TP-Trans-
ferfunknon des Kalibrationsdatensatzes NOD (verändert nach Kumke et ah, 2005a).
Die vertikalen Strich-Punkt-Linien stellen die Grenzen der Trophieklassen nach
Vollenweider Kerekes (1982) dar. Horizontale Linien sind die Grenzen der loka-
len Diatomeenvergesellschafiungszonen.110
5.30 Geografische Karte Jakutiens mit den gerahmten Untersuchungsgebieten Wiljuisk
(Ï) und Jakutsk (11).117
5.31 Boxphts der Variablen elektrische Leitfähigkeit (a), pH (b), TIC (c) und Ca (d)
gruppiert nach den Untersuchungsgebieten Wiljuisk (1) und Jakutsk (II) (nach
KumkeetaL 2007).123
5.32 Boxplols der Variablen Na (a), Cl (b), Mg (c) und K (d) gruppiert nach den Vege-
tationsmerkmalen Wald und Grünland (nach Kumke et ai. 2007).124
5.33 Dendrogramm der Clusteranalyse der untersuchten Seen in Zentraljakutien grup-
piert nach den Vegetationsmerkmalen Wald und Grünland (nach Kumke et ai,
2007). Die senkrechte Strichlinie stellt das Gruppierungskriterium dar.125
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX
5.34 Biplots der RDA der untersuchten Seen in Zentraljakutien (nach Kumke et al.,
2007). Dargestellt sind die signifikanten Steuergrößen für die physiko-chemischen
Eigenschaften und die Probenahmepunkte (a) sowie die gemessenen Variablen, die
mindestens 20% der Varianz der Hauptachsen repräsentieren, und die signifikan-
ten Steuergrößen (b).126
5.35 Biplots der CCA der Chironomidenvergesellschaftungen jakutischer Seen (Kumke
et al, 2006). Dargestellt sind die signifikanten Steuergrößen fiir die subfossilen
Vergesellschaftungen und die Taxa, die mindestens 10% der Varianz der Achsen
repräsentieren (a) sowie die Probenahmepunkte, die mindestens 10% der Varianz
der Hauptachsen repräsentieren, und die signifikanten Steuergrößen (b).129
TABELLENVERZEICHNIS XI
Tabellenverzeichnis
3.1 Gewässerklassifikation zum Tmphiestatus nach der OECD-Studie (Vollenweider
Kerekes, 1982). 16
3.2 Klassifikation von Diatomeen nach ihren Ansprüchen bezüglich des pH-Wertes im
Wasser nach Hustedt ( 1937-38, 1939). 18
4.1 Zusammenstellung ausgewählter Datensätze zur paläolimnologischen Rekonstruk-
tion mittels Diatomeen. Die Abkürzung LA. steht für keine Angaben.23
4.2 Zusammenstellung ausgewählter Datensätze zur paläolimnologischen Rekonstruk-
tion mittels Chironomiden. 27
5.1 Ausgewählte mittlere klimatische und hydrologische Eigenschaften des Lamasees
und seines Einzugsgebietes nach Kienel Kumke (2002).55
5.2 Zusammenfassung der Modellparameter Reichweite (a), Schwellenwert (C) und
Nuggeteffekt (Co), des Modellfehlers (RMSEP) und des Restwertfehlers (BE)
für die Variogramme der CA-Achsen 1 und 2 und der PC-Achsen 1 und 2.64
5.3 Statistische Zusammenfassung der Anzahl (nTaxa) der subfossilen Diatomeen, des
Gleichmäßigkeits-Index (I), des Diversitäts-Index nach Shannon (H1), der Was-
sertiefen (z\va.,.,er) sowie der mittleren Julitemperaturen (TJult) an den Standorten
der Seen des finnischen Kalibrationsdatensatzes (verändert nach Weckström, 2001 ). 73
5.4 Zusammenfassung der Anzahl der Spezies (n) und der effektiven Diversitätszahl
(N2) des Kalibrationsdatensatzes und des fossilen Datensatzes nach Kumke et al.
(2004a). Es sind nur die Taxa aufgelistet, die in mindestens 20% der Seen des
Kalibrationsdatensatzes vorkommen.82
5.5 Ausgewählte mittlere klimatische und hydrologische Eigenschaften des Holzmaars
und seines Einzugsgebietes nach Scharf Menn (1992), Scharf Oehms (1992)
sowie Baier (2003).90
xn_TABELLENVERZEICHNIS
5.6 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zwasser), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nraxa). des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des west-
europäischen Kalibrationsdatensatzes."'
5.7 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zwasser), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nTaxa), des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des nord-
westeuropäischen Kalibra-tionsdatensatzes.92
5.8 Statistische Zusammenfassung der Wassertiefen (zWais„), der TP-Konzentrationen,
der Anzahl der subfossilen Diatomeen (nraxa), des Gleichmäßigkeits-lndex (I) so-
wie des Diversitäts-Index nach Shannon (H1) an den Standorten der Seen des nord-
ostdeutschen Kalibrationsdatensatzes.93
5.9 Statistische Zusammenfassung der Modellvalidierungsgrößen für die Transferfunk-
tionen Westeuropa (WE), Nordwesteuropa (NWE) und Nordostdeutschland (NOD).
Die Abkürzung n.b. steht für nicht bekannt. 94
5.10 Statistische Zusammenfassung der probenspezifischen Fehler (esam) der TP-Rekon-
struktionen mit den Transferfunktionen Westeuropa (WE), Nordwesteuropa (NWE)
und Nordostdeutschland (NOD).100
5.11 Korrelationsmatrizen der rekonstruierten TP-Konzentrationen, des probenspezi-
fischen Fehlers (esam), des minimalsten \2-Abstandes (xLi,J der effektiven Di-
versitätszahl (N2), des quadrierten Restwertabstandes (D2) und der beiden ersten
PCA-Hauptachsen (PCI, PC2) mit den Transferfunktionen Nordwesteuropa, West-
europa und Nordostdeutschland. Fettgedruckte Koeffizienten sind signifikant bei
P 0.05.103
5.12 Statistische Zusammenfassung der Messergebnisse der untersuchten phvsiko-che-
mischen Eigenschaften zentraljakutischer Seennach Kurnke et al. (2007).120
5.13 Zusammenfassung der Ergebnisse der ANOVAs und des V-Testes auf signifikante
Unterschiede in den Mittelwerten der physiko-chemischen Eigenschaften der un-
tersuchten Seen nach Kurnke et al. (2007). Aufgelistet ist die Anzahl der Beobach-
tungen in den jeweiligen Gruppen und die Irrtumswahrscheinlichkeit des F-Testes
auf Unterschiede in den Varianzen und des U-Testes auf Mittelwertunterschiede.
Signifikante Unterschiede (P 0.05) sind fett markiert.122
5.14 Statistische Zusammenfassung der Anzahl der Chironamidentaxa (n), der effekti-
ven Diversitätsz.ah.1 (S2), des Gleichmäßigkeitsindex (I) und des Shannon-Index
{}{', nach Nazarova et al, 2005).128 |
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