Tracking environmental changes of the Baltic Sea coastal zone since mid-Holocene

Abstract

In this thesis, I used two coastal sediment sequences from SE Sweden to study how Baltic Sea coastal environment has changed since the mid-Holocene. The results show the coastal environment has been influenced by multi-stressors, such as climate change, shoreline regression and anthropogenic activities.

Using the sediment sequence from Karlskrona Bay, past coastal environment between 7300 and 3500 cal. yr BP was reconstructed, with a focus on sea surface salinity (SSS). To quantitatively determine the SSS, two methods were employed: measurements of the 87Sr/86Sr ratios in carbonate shells (SSSSr) and the process length variations of dinoflagellate cysts Operculodinium centrocarpum (SSSpl). The SSSSr was ~6–7 between 6800 and 6400 cal. yr BP, similar to modern conditions. Between 6000 and 3900 cal. yr BP, SSSSr was consistently higher, with a range between 9 and 13. Microfossils sensitive to salinity variations, such as Radiosperma corbiforum and Spiniferites spp., supported the SSSSr estimate. The recorded salinity variations were most likely caused by climate changes in the Baltic Sea region. In comparison with the SSSSr, the SSSpl values were not as reliable and the process length-based method overestimated the salinity.

Environmental conditions for the past 5,400 years at Gåsfjärden were reconstructed, with a focus on bottom water oxygen condition. Between 5400 and 4100 cal. yr BP, hypoxic bottom water (O2<2 mg L-1) prevailed in Gåsfjärden, despite its large connection with the open sea. This extended hypoxic interval was most likely caused by a warm and dry climate during the Holocene Thermal Maximum. The most intense hypoxic interval was recorded between 4400 and 4100 cal. yr BP, and coincided with a similar hypoxic interval in the Baltic Sea deep basin. As regional climate became wetter and colder between 4100 and 2700 cal. yr BP, bottom water oxygen conditions improved and salinity decreased. The environment in Gåsfjärden changed to close to modern conditions after 2700 cal. yr BP, which was characterized by less hypoxia and lower salinity. The study shows that climate condition and hydrographic configuration have been important drivers to the hypoxia formation.

I further explored the drivers for the sediment grain-size variations in Gåsfjärden. Over the last 5,400 years, relative sea level decreased 17 m in the region, caused by isostatic land uplift. As a consequence, Gåsfjärden changed gradually from a highly open coastal site into a semi-enclosed inlet surrounded with numerous islands. To examine whether the long-term coastal morphology changes in Gåsfjärden have had important impact on sediment grain-size, a digital elevation model-based openness index was calculated to quantitatively estimate the morphological changes. Between 5400 and 4400 cal. yr BP, Gåsfjärden was characterized with the highest openness index. During this interval, the highest sand content and silt/clay ratios were recorded, indicating relatively high hydrodynamic energy. The average sand content decreased to about 0.2% between 4400 and 200 cal. yr BP, caused by large openness decline. The maximum sand content has been less than 1% in the Gåsfjärden sediments, implying generally low hydrodynamic energy compared with other open coastal areas.

Lastly the thesis studies the linkage between land use and coastal ecosystem over the last millennium. Pollen-based land cover for the Gåsfjärden catchment was reconstructed and I further compared it with paleoenvironmental variables from Gåsfjärden. Prior to 1800s, the minor changes in sedimentary diatom assemblages, C and N isotopes from the Gåsfjärden record were possibly caused by natural climate variations and small-scale anthropogenic activities. The onset of eutrophication in Gåsfjärden can be traced to the early 1800s and intensified land use is the main driver. Anthropogenic activities in the 20th century, mostly associated with agricultural expansion, have caused unprecedented ecosystem changes in the coastal inlet, as reflected in increased pelagic diatoms and the geochemistry proxies.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I min avhandling har jag studerat marina sedimentkärnor från två kustområden i SE Sverige, dels från Gåsfjärden, strax söder om Västervik i Småland, och dels från kusten utanför Karlskrona i Blekinge. Med syftet att studera hur Östersjöns kustmiljö har förändrats sedan mitten av Holocen (~5000 år sedan). Resultaten visar att kustmiljön har påverkats av flera stressfaktorer såsom klimatförändringar, strandförskjutning och mänsklig påverkan.

Marina sedimentkärnor kan ses som miljöarkiv som vi kan användas oss för att förstå hur forna tiders hav såg ut. Med hjälp av en lång sedimentkärna, provtagen utanför Karlskrona, har ytvattnets salthalt (SSS) bestämt för tiden mellan 7300 och 3500 år sedan. Jag har bestämt salthalten på två olika sätt, dels genom att analysera isotopsammansättningen av strontiums stabila isotoper 87Sr och 86Sr (87Sr/86Sr) i kalkskal av olika musslor (SSSSr) och dels genom att mäta längden på utskott på dinoflagellaten Operculodinium centrocarpums vilceller (cystor) (SSSpl). Dinoflagellater är kiselalger och vanligt förekommande växtplankton, en del arter bildar cystor som bevaras väldigt väl i sedimenten.

Mellan 6800 och 6400 år sedan var salthalten (SSSSr) ~ 6-7 (salthalt rapporteras utan enhet) och är i samma storleksordning som idag. Mellan 6000 och 3900 år sedan var SSSSr genomgående högre, med ett intervall mellan 9 och 13. Mikrofossil som är känsliga för salthalts variationer såsom Radiosperma corbiforum och Spiniferites spp., stödjer SSSSr uppskattningen. Salthalts variationerna var troligen orsakade av klimatförändringar i Östersjöområdet. I jämförelse med SSSSr är de rekonstruerade salthalts data baserade på SSSpl inte lika tillförlitliga och SSSpl metoden där man använder längden på cystornas utskott överskattar generellt salthalten.

Miljöförhållanden under de senaste 5400 åren i Gåsfjärden har återskapats, med fokus på syrgassituationen i fjärdens bottenvatten. Mellan 5400 och 4100 år sedan förekom det syrebrist i bottenvattnet (hypoxi, O2 <2 mg L-1), trots fjärdens stora och breda mynning till det öppna havet. Den här perioden med syrebrist vad troligtvis orsakad av varmt och torrt klimat under det Holocena klimatoptimumet. Syrebristen var som kraftigast mellan 4400 och 4100 år sedan och sammanfaller i tid med ett liknande syrebrist intervall noterat i de djupare delarna av Östersjön. Klimatet förändrades mellan 4100 och 2700 år sedan till ett med mer nederbörd och lägre temperaturer, vilket gjorde att salthalten minskade och syreförhållandena förbättrades. Från ungefär 2700 år sedan fick Gåsfjärden sin mer instängda morfologi och kännetecknas av syrebrist (dock inte lika kraftig som tidigare) och låg salthalt. Mina studier visar att klimatförhållanden och hydrografin var viktiga orsaker till syrebristen i bottenvattnet.

Vidare, har jag undersökt vilka processer som styr kornstorleksfördelningen i Gåsfjärdens sediment. Under de senaste 5400 år har den relativa havsytenivån i området minskat med 17 m, orsakat av landhöjning. Som en konsekvens har Gåsfjärden förändrades gradvis från en mycket öppen kust till en halvslutet fjärd omgiven av många öar. En digital höjdmodell baserad på ett öppenhets index (Openness index) har använts för att dels undersöka om förändringar i Gåsfjärdens kustmorfologi har haft en stor påverkan på sedimentens kornstorlek och dels för att kvantitativt uppskatta de morfologiska förändringarna. Mellan 5400 och 4400 år sedan kännetecknades Gåsfjärden av de högsta värdena i öppenhets index. Under samma tidsperiod noterades den högsta sandhalten och den högsta kvoten av silt/lera, vilket tyder på relativt hög hydrodynamisk energi. Därefter, mellan 4400 och 200 år före nu, minskade det genomsnittliga sandinnehållet till ca 0,2%, vilket orsakades av en stor minskning i öppenhet. Sandinnehållet har allmänt varit mindre än 1% i Gåsfjärdens sediment, vilket tyder på en generell låg hydrodynamisk aktivitet jämfört med andra öppna kustområden.

Slutligen, har jag studerat kopplingen mellan markanvändning och kustekosystem under de senaste 1000 åren. Genom att analysera pollensammansättningen i en sedimentkärna från Gåsfjärdens dräneringsområde har vi kunnat återskapa markanvändning och jämfört det med olika variabler i Gåsfjärdens marina miljöarkiv såsom kiselalger (diatoméer) och geokemi. Före 1800-talet noteras smärre variationer i bottenlevande diatoméers sammansättning och i fördelningen av kol - och kväveisotoper, troligen orsakade av klimatvariationer och småskalig mänsklig verksamhet. Övergödningen i Gåsfjärden kan spåras redan till det tidiga 1800-talet och intensifierad markanvändning är den främsta drivkraften. Mänsklig verksamhet under 1900-talet, främst i samband med jordbrukets expansion, har orsakat stora ekosystemförändringar i fjärden, vilket avspeglas i ökade mängder av pelagiska kiselalger och förändringar i geokemi.

• author: Ning, Wenxin
• supervisor: Helena Filipsson
• opponent: Zonneveld, Karin, Bremen University
• organization: Quaternary Sciences; Centre for Environmental and Climate Science (CEC); BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Sciences
• in: Lundqua thesis
• issue: 81
• pages: 105 pages
• defense location: Room Pangea, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2016-04-15 13:15:00
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-8784-716-5
• ISBN: 978-91-8784-717-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4a0ceb32-8521-4297-874b-64d1ba16316c (old id 8865607)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:51:16
• date last changed: 2020-09-25 15:30:26