Open Access

Marie-Luise Adolph

• Global change is one of the major challenges our society faces in recent times and is becoming increasingly noticeable in all aspects of our lives. In the last ten years, reports about droughts in Europe increased, contrary to expected natural climate variations and are attributed as indicators of climate change. Droughts resulted in a severe decrease in water levels of lakes, rivers and reservoirs, posing socio-economic and environmental challenges. Climate scenarios by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) project increasing temperatures, more frequent, longer and/or more intense heat waves and warm spells, and an increase in aridity with short-term droughts in the upcoming decades for Western and Central Europe. Some areas – such as Northeast Germany – are already affected by negative water balances and the lowering of lake and groundwater levels. Additionally to possible challenges in water availability, excess nutrients and heavy metals from industrial emissions, agricultural fertilisers and land use changes lead to declining water quality. In the past century, extensive eutrophication and environmental pollution have become major water quality issues in many freshwater bodies. Nonetheless, water and its availability in a sufficient quantity and quality are prerequisites for life and must be prioritised in future development. The European Union aims for a good status in all surface and groundwater bodies by 2027 regarding their ecological, chemical and quantitative status. However, a profound understanding of eutrophication, pollution sources, and water bodies' reference conditions – referring to pre-anthropogenic conditions – should be available for each system to apply integrated restoration strategies. Moreover, an in-depth understanding of long-term climate variability and its dynamics is indispensable to approach these climate change challenges and reliably predict water availability. During the past decades, numerous paleoenvironmental studies have been carried out on Northern German sediment archives, using mainly lacustrine sediments to reconstruct hydroclimatic variability, often inferring lake-level variations as key indicators. However, most studies were carried out in areas affected by more maritime or continental climate. Studies from the transition zone are rare. Only few existing studies offer high-resolution records and/or robust chronologies, which limits the understanding of past environmental changes significantly. Besides, the Northern German lowlands have been anthropogenically affected since at least the Neolithic (~5.6 ka cal BP) and, in particular, forest composition and density have recently been shown to have at least partially an impact on lake-level variations. However, a reliable distinction between climatic impacts and anthropogenic interferences is widely missing, which is a problem because many studies were conducted on rather small lacustrine systems in which expected anthropogenic signals are higher, and single events may overprint the climatic signals. These biases lead to an incoherent picture of the past hydroclimatic variability in Northern Germany during the Holocene. To overcome this situation, it is inevitable to identify a suitable sedimentary archive from the transition zone – preferably a large lacustrine system in which natural (supra-)regional paleoenvironmental signals are expected to be not overprinted by single events. Moreover, it is necessary to establish robust chronologies and apply high-resolution methods to infer past environmental changes in a high temporal resolution. Taken together, this could contribute to an enhanced understanding of past environmental and climatic changes in Northern Germany. This thesis consolidates the evidence for Schweriner See to act as a suitable sedimentary archive in Northern Germany for (supra-)regional climate reconstructions. Schweriner See is a large lowland lake in Northern Germany located within the transition zone from maritime to continental climate. In the first step, (paleo)lacustrine landforms, i.e. beach ridges, subaerial nearshore bar, and a silting-up sequence, are investigated along the north-eastern shoreline using a combined approach of sedimentology (e.g. grain size variations) and the relatively novel method of luminescence profiling offering relative age determinations to understand depositional processes and their chronological framework. Absolute age information is mainly inferred by OSL dating. Secondly, an important prerequisite to interpreting information obtained from lacustrine sediment archives is a thorough understanding of processes controlling sedimentation. Schweriner See is characterized by a complex morphometry, which influences in-lake processes, i.e. i) in-lake productivity, ii) carbonate precipitation and iii) wind- and wave-induced processes, resulting in a distinct spatial heterogeneity. This thesis shows that it is crucial first to understand sedimentary depositional processes and controlling mechanisms to i) select suitable coring location(s) and ii) reconstruct paleoenvironmental and hydroclimatic variations reliably. Based on bathymetric considerations and inferred in-lake processes, two main coring locations were identified to infer i) the anthropogenic impacts and ii) hydroclimatic variations. Short sediment records from the shallow water areas (< 15 m water depth) cover the most recent environmental history of Schweriner See. A well-dated sedimentary record (210Pb/137Cs and 14C dating) links distinct sedimentary and geochemical changes with historical events. Schweriner See was extensively affected by lake-wide eutrophication and contamination, closely related to sewage and population dynamics within the catchment. The water quality only improved after the German Reunification in 1990 CE when sewage was precluded from Schweriner See. Contamination trends at Schweriner See showed similar trends to different archives along the southern Baltic Sea, implying a common regional driving mechanism, e.g. environmental legalisation. A well-dated sediment record from the profundal zone (52 m water depth) allowed the reconstruction of large-scale atmospheric conditions during the past 3 ka cal BP by inferring winter temperature variability, the moisture source region and/or evaporative lake water enrichment, which resemble variations in the North Atlantic Oscillation (NAO). The NAO greatly influences the Central European climate, affecting, for example, surface air temperature, precipitation or storm tracks. During 3-2.8 ka and 2.1-0.8 ka cal BP, predominantly positive NAO conditions are reconstructed, which are characterized by warmer winter temperatures, moisture conditions bringing isotopically enriched precipitation from the southern/central North Atlantic to Northern Central Europe and/or warmer temperatures that may result in a higher evaporative isotopic lake water enrichment as a result of northwards displaced westerlies. Conversely, during 2.8-2.1 ka and 0.8-0.1 ka cal BP, results correspond to predominantly negative NAO phases influenced by southwards displaced westerlies. Frequent atmospheric blocking allows for the intrusion of northerly or easterly winds, resulting in colder winter temperatures, isotopically depleted precipitation from the Northern Atlantic and Arctic region and/or a lower evaporative lake water enrichment. In addition to these long-term changes in atmospheric conditions, short-term hydroclimatic variations have been reconstructed, mainly reflecting lake-level variations in conjunction with precipitation variability, with the proxy signal being additionally amplified by wind speed and wave motion. Comparisons with other archives support these results. So far, the paleoenvironmental reconstruction is limited to the Late Holocene, but initial dating results imply possible interferences until the Late Pleistocene. Therefore, future studies should focus on extending the profundal record from Schweriner See further back in time, providing a high-resolution record covering both the Holocene and possibly the Late Pleistocene.
• Der globale Wandel ist eine der größten Herausforderungen, dem sich unsere Gesellschaft aktuell stellen muss und der sich zunehmend in allen Bereichen unseres Lebens bemerkbar macht. In den letzten zehn Jahren häuften sich Berichte über Dürren in Europa, die gegenläufig zu erwartbaren natürlichen Klimaschwankungen sind und als Indikator für den Klimawandel gewertet werden. Dürren führten insbesondere zu starken Rückgängen der Wasserstände von Seen, Flüssen und Stauseen, was zu gravierenden sozioökonomischen und ökologischen Herausforderungen führte. Klimaszenarien des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) prognostizierenfür die kommende Jahrzehnte steigende Temperaturen, häufigere, längere und/oder intensivere Hitzewellen und Wärmeperioden sowie eine Zunahme der Trockenheit mit kurzfristigen Dürren für West- und Mitteleuropa. Einige Gebiete – darunter Nordostdeutschland – sind bereits von einer negativen Wasserbilanz und sinkenden See- und Grundwasserspiegel betroffen. Neben den Herausforderungen der Wasserverfügbarkeit führen überschüssige Nährstoffe und Schwermetalle aus Industrieemissionen, landwirtschaftlichen Düngemitteln und eine veränderte Landnutzung zu einer zunehmenden Verschlechterung der Wasserqualität. Im vergangenen Jahrhundert haben sich Eutrophierung und Umweltverschmutzung in vielen Süßwasserkörpern zu einem großen Problem der Wasserqualität entwickelt. Nichtsdestotrotz, Wasser und seine Verfügbarkeit in ausreichender Menge und Qualität ist eine Voraussetzung für jegliches Leben und sollten daher in zukünftigen Entwicklungen priorisiert sein. Die Europäische Union strebt einen guten Zustand in Bezug auf ihren ökologischen, chemischen und mengenmäßigen Zustand für alle Oberflächen- und Grundwasserkörper bis 2027 an. Um Sanierungsmaßnahmen durchführen zu können, sollte jedoch für jedes System ein umfassendes Verständnis der Eutrophierungs- und Verschmutzungsquellen sowie der Referenzbedingungen der Wasserkörper – bezogen auf die präanthropogenen Bedingungen – vorhanden sein. Darüber hinaus ist ein tiefgreifendes Verständnis der langfristigen Klimaschwankungen und ihrer Dynamik unerlässlich, um die Herausforderungen des Klimawandels zu bewältigen und die Verfügbarkeit von Wasser unter sich ändernden Umweltbedingungen zu gewährleisten. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Paläoumweltstudien in norddeutschen Sedimentarchiven durchgeführt, wobei hauptsächlich lakustrine Sedimente zur Rekonstruktion hydroklimatischer Schwankungen verwendet wurden. Dabei wurden oft Seespiegel-schwankungen als Indiz für hydroklimatische Veränderungen herangezogen. Die meisten Studien wurden jedoch in Gebieten durchgeführt, die von einem eher maritimen oder kontinentalen Klima geprägt sind. Studien aus dem Übergangsbereich sind selten. Außerdem haben nur wenige Untersuchungen hochaufgelöste Records und/oder zuverlässige Chronologien, was das Verständnis vergangener Umweltveränderungen erheblich einschränkt. Des Weiteren wurde das norddeutsche Tiefland mindestens seit dem Neolithikum (~5.6 ka cal BP) anthropogen beeinflusst und die Walddichte und -zusammensetzung wurde zuletzt zumindest teilweise als Einflussfaktor auf Seespiegelschwankungen diskutiert. Eine zuverlässige Unterscheidung zwischen klimatischen Einflüssen und anthropogenen Störungen fehlt jedoch weitgehend, was problematisch ist, da bisher eher kleine Seesystemen untersucht wurden, in denen die erwartbaren anthropogenen Signale höher sind, und Einzelereignisse das klimatische Signal überlagern können. Dieser Bias führt zu einem inkohärenten Bild der holozänen hydroklimatischen Variabilität Norddeutschlands. Um diese Problematik zu lösen, ist es essenziell, ein geeignetes Sedimentarchiv aus der Übergangszone zwischen maritimem und kontinentalem Klima zu identifizieren – idealerweise ein großes lakustrines System, in dem zu erwarten ist, dass natürliche (über-)regionale Paläoumweltsignale nicht durch einzelne Ereignisse überlagert werden. Darüber hinaus ist es unerlässlich, robuste Alters-Tiefen-Modelle zu erstellen und hochauflösende Methoden anzuwenden, um vergangene Umweltveränderungen in hoher zeitlicher Auflösung ableiten zu können. Nur dann kann ein besseres Verständnis der Paläoumwelt- und Paläoklimageschichte Norddeutschlands erlangt werden. Der Schweriner See wurde als geeignetes Sedimentarchiv identifiziert. Er ist ein großer Tieflandsee in Norddeutschland, der in der Übergangszone vom maritimen zum kontinentalen Klima liegt. Im Folgenden wurden in einem ersten Schritt (paläo-)lakustrine Landformen, d.h. Strandrücken, subaeriale küstennahe Barren und eine Verlandungssequenz, entlang der nordöstlichen Uferlinie mit einem kombinierten Ansatz aus Sedimentologie (z.B. Korngrößenvariationen) und der relativ neuen Methode des Luminescence Profiling untersucht. Luminescence Profiling ermöglichte die relative Altersbestimmungen der Ablagerungsprozesse und deren chronologischen Einordnung. Absolute Alter wurden hauptsächlich durch OSL-Datierungen abgeleitet. Eine weitere wichtige Vorrausetzung für die Interpretation von lakustrinen Sedimenten ist ein tiefgreifendes Verständnis der Sedimentationsprozesse und ihren beeinflussenden Faktoren. Der Schweriner See ist durch eine komplexe Morphometrie gekennzeichnet, die maßgeblich die Prozesse im See beeinflusst, d.h. i) die seeinterne Produktivität, ii) die Karbonatausfällung und iii) wind- und welleninduzierte Prozesse, was zu einer ausgeprägten räumlichen Heterogenität führt. Im Folgenden zeigt diese Thesis, dass es entscheidend ist, zunächst die sedimentären Ablagerungsprozesse und Kontrollmechanismen zu verstehen, um dann i) geeignete Stellen für die Sedimentkernentnahme auszuwählen und um ii) Paläoumwelt- und hydroklimatische Veränderungen zuverlässig rekonstruieren zu können. Auf der Grundlage bathymetrischen Karte und der Sedimentationsprozesse wurden zwei Lokationen für die Sedimentkernentnahme ausgewählt, um i) die anthropogenen Einflüsse und ii) hydroklimatische Schwankungen zu untersuchen. Kurze Sedimentkerne aus den Flachwasserbereichen (< 15 m Wassertiefe) decken die jüngste Umweltgeschichte des Schweriner Sees ab. Ein gut datierter Sedimentkern (210Pb/137Cs und 14C-Datierung) erlaubt die Zuordnung von sedimentären und geochemischen Veränderungen zu historischen Ereignissen. Des weiteres wird gezeigt, dass der Schweriner See stark von der Eutrophierung und z.T. Schwermetallverschmutzung, die eng mit der Abwasser- und Bevölkerungsdynamik im Einzugsgebiet zusammenhängt, betroffen war. Die Wasserqualität verbesserte sich erst nach der deutschen Wiedervereinigung im Jahr 1990, als die Abwässer nicht mehr in den Schweriner See eingeleitet wurden. Ähnliche Trends der Schwermetallverschmutzung zeigen verschiedene Archive entlang der südlichen Ostseeküste, was auf einen gemeinsamen (supra-)regionalen Mechanismus, z.B. Einführung von Umweltgesetzgebungen, schließen lässt. Ein gut datierter Profundal-Sedimentkern (52 m Wassertiefe) ermöglicht die Rekonstruktion von großräumigen atmosphärischen Veränderungen der letzten 3 ka cal BP. Es wurden Schwankungen der Wintertemperatur, atmosphärischen Niederschlagsquellen und/oder der Verdunstungsanreicherung des Seewassers rekonstruiert. Diese Veränderungen entsprechen dem Muster der Nordatlantischen Oszillation, die einen erheblichen Einfluss auf das mitteleuropäische Klima hat. Zwischen 3-2,8 ka und 2,1-0,8 ka cal BP werden überwiegend positive NAO-Bedingungen widergespiegelt, die sich durch wärmere Wintertemperaturen und einen isotopisch angereicherten Niederschlag aus dem südlichen/zentralen Nordatlantik und/oder einer höheren isotopischen Anreicherung des Seewassers durch Verdunstung kennzeichnen. Das wird verursacht durch nordwärts verlagerte Westwinde. Im Gegensatz, zwischen 2,8-2,1 ka und 0,8-0,1 ka cal BP überwiegen negative NAO-Phasen, in denen die Westwinde nach Süden umgelenkt werden. Das führt zu häufigeren atmosphärischen Blockaden, die das Vordringen von Nord- und Ostwinden ermöglicht, was zu kälteren Wintertemperaturen, isotopisch abgereicherten Niederschlägen aus dem nördlichen Atlantik und der Arktis und/oder einer geringeren isotopischen Anreicherung des Seewasser durch Verdunstung entspricht. Zusätzlich zu diesen langfristigen atmosphärischen Veränderungen wurden kurzfristige hydroklimatische Schwankungen rekonstruiert, die hauptsächlich die Schwankungen des Seespiegels in Verbindung mit der Niederschlagsvariabilität widerspiegeln, wobei das Proxysignal zusätzlich durch Windgeschwindigkeit und Wellenbewegung verstärkt wird. Vergleiche mit anderen Archiven stützen die Interpretation dieser Ergebnisse. Bisher ist die Paläoumweltrekonstruktion auf das späte Holozän beschränkt, aber erste Datierungsergebnisse deuten auf eine mögliche Rekonstruktion der supraregionalen klimatischen Veränderungen bis zum Spätpleistozän hin. Daher sollten sich künftige Studien darauf konzentrieren, das Alters-Tiefenmodell des Profundalkerns des Schweriner Sees zu erweitern, um hochaufgelöste Umweltrekonstruktionen bis in das Spätpleistozän zu ermöglichen.