Tree-limit ecotonal response to Holocene climate change in the Scandes Mountains of west-central Sweden

Abstract

The aim of this thesis was to reconstruct the Holocene vegetational and climatic development in the Sylarna-Storulvån area, western Jämtland, in the central Scandes Mountains. Temporal trends and fluctuations in the elevation and vegetational character of the tree-limit ecotone were studied mainly by means of pollen and plant macrofossil analysis of two lake sediment sequences (Lakes Stentjärn and Spåime), located above the present-day tree-limit. The lake sediments were also subjected to high-resolution elemental and mineral magnetic measurements, which contributed useful complementary information on the local environmental development. Plant macrofossil data indicate the presence of a short-lived deglaciation flora, dominated by light-demanding herbs and dwarf-shrubs, followed by the establishment of birch-pine forest. The vegetational data obtained were compared with previously published records of radiocarbon-dated subfossil wood remains (megafossils), collected mainly in the study area. A general conformity was revealed between the stratigraphic plant macrofossil data and pollen accumulation rates, and the comparison between the non-stratigraphic megafossil data and the pollen influx/plant macrofossil records also revealed a high level of consistency of the inferred tree-limit variations for Pinus sylvestris, Betula pubescens, and Alnus incana. Records of climatic humidity inferred from peat humification data (DOH) were obtained from two separate profiles at a nearby peat deposit (Klocka Bog), situated below the forest-limit.



Evaluation of the DOH records exhibits millennial-scale trends, which are significantly correlated between profiles during the periods 6500-4000 cal yr BP and 2100-0 cal yr BP. Within these periods, the time between 5800 and 4800 cal yr BP, and 1800 cal yr BP until the present, are recognised as episodes of increasing climatic humidity. In general, the vegetational, geochemical and sedimentary records were shown to correlate with several Holocene climatic events and transitions, identified elsewhere in north-western Europe. The climatic forcing of some of these sub-Milankovitch scale perturbations is unclear, but a coupling to internal circulation dynamics of the North Atlantic Ocean is hypothesized.



Chronologies of the geological archives studied within the project were based on radiocarbon dating and tephrochronology. At Lake Stentjärn, three Holocene cryptotephra horizons were detected, one of which was geochemically correlated with the Icelandic Askja-1875 eruption. At Klocka Bog, at least seven cryptotephra horizons were recorded in the two peat profiles, and five of the horizons were geochemically correlated with the Askja-1875, Hekla-3, Kebister, Hekla-4, and Lairg A tephras, respectively.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Under den geologiska period som kallas kvartärtiden (de senaste 2,6 miljoner åren) har flera istider (glacialer) och mellanistider (interglacialer) avlöst varandra enligt ett mönster där glacialerna varar i ungefär 100000 år och mellanistiderna i ca 10000 år. Under istiderna täcktes stora landområden på norra halvklotet, bl.a. Skandinavien, av väldiga inlandsisar. Då den senaste mellanistiden, kallad Holocen, började för 11500 år sedan, blev klimatet återigen varmare och de flesta inlandsisarna på norra halvklotet smälte undan, förutom på t.ex. Grönland. Det relativt varma klimat som har rått under Holocen har dock inte varit helt stabilt, vilket man tidigare trott. Det har förekommit både gradvisa och plötsliga klimatförändringar.



Det är mycket viktigt att förstå hur det naturliga klimatet utvecklats och förändrats under Holocen om man vill kunna förutsäga framtidens klimat, något som under 1900-talets senare del blivit allt mer aktuellt genom de uppmärksammade utsläppen av växthusgaser, vilka anses ha orsakat en global uppvärmning. Innan frågor kring den eventuella mänskliga påverkan på klimatet och dess framtida konsekvenser kan besvaras krävs det att vi lär oss mer om de naturliga långsiktiga och kortsiktiga svängningarna i klimatsystemet.



Inom mitt avhandlingsarbete har jag huvudsakligen rekonstruerat naturliga miljöförändringar under de senaste 10500 åren genom studier av geologiska arkiv, som sjösediment- och torvlagerföljder, där organogent och minerogent material ackumulerats i sedimentära/stratigrafiska sekvenser. I området kring Sylarna och Storulvån i västra Jämtlandsfjällen har sjöarna Spåime (887 m ö.h.) och Stentjärn (987 m ö.h.), belägna på kalfjället ovanför dagens fjällbjörksbälte, undersökts med målet att rekonstruera de alpina vegetationsförändringarna. I den skandinaviska fjällkedjan förekommer, liksom i de flesta bergsområden, en tydlig vegetationszonering där vegetationen förändras avsevärt med stigande höjd över havet. Huvudsakligen beroende på att lufttemperaturen är lägre på hög höjd, men också på grund av att totala nederbörden och andelen snönederbörd generellt ökar med höjden. Fjällvegetationens zonering, och särskilt trädgränserna, är således mycket känsliga för klimatförändringar då de återspeglar de ingående vegetationselementens klimatiska toleransgränser. På så sätt utlöser ofta eventuella klimatförändringar tydliga förändringar i vegetationens sammansättning och rumsliga utbredning, vilka i sin tur kan rekonstrueras med hjälp av paleoekologiska metoder, såsom pollenanalys och analys av makroskopiska växtrester (makrofossil). Liksom den terrestra vegetationen, påverkas även sjöar direkt av klimat- och miljöförändringar, vilka registreras fysiskt, kemiskt och biologiskt i sedimentlagerföljdernas geologiska arkiv. Tidigare paleoekologiska studier från undersökningsområdet har framför allt varit baserade på fynd av subfossila trädrester (t.ex. stubbar och stammar) i icke-stratigrafiska lägen, s.k. megafossil, vilka visat att huvudsakligen trädslag som björk, tall och al tidigare under Holocen växt på betydligt högre höjd än i modern tid. Pollen- och makrofossilanalyserna utförda på sedimentlagerföljderna från Spåime och Stentjärn indikerar att en kortlivad flora dominerad av humleblomster, fjällsippa, kråkbär, skvattram, bräckor, viden och fjällsyra etablerade sig i landskapet under isavsmältningen (deglaciationen), som inträffade ca 10500 år före nutid. Deglaciationsfloran ersattes en kort tid senare, kring 10300 år före nutid, av expanderande grässamhällen och för ca 9800 år sedan etablerades björkskog på hög höjd i undersökningsområdet.



Analyser av koncentrationen magnetiska mineral och den totala andelen kol i sedimenten från Stentjärn och Spåime, indikerar att perioden mellan 10300 och 9500 år före nutid troligtvis karakteriserades av hög snönederbörd. Denna klimatsituation fördröjde sannolikt etableringen av tall i undersökningsområdet, vilken expanderade först något senare, kring 9200 år före nutid. Den tidigholocena björk- och tallskogen blev dock relativt kortlivad. Kring 8200 år före nutid blev klimatet kallare och tallgränsen retirerade från Stentjärns dräneringsområde. Kring 8000 år före nutid blev klimatet återigen varmare och björkskogen expanderade återigen, denna gång tillsammans med al. Tall återetablerade sig dock aldrig på högre höjd, men växte på lägre nivåer och i dalgångarna. Vid ca 5800 år före nutid, efter en period av relativt varmt klimat, blev vårarna troligtvis kallare i kombination ed ökande humiditet, vilket resulterade i att trädgränserna för både björk och al började dra sig nedåt, och skogen tunnades ut. Kring 3500 år före nutid upplöstes mer eller mindre skogen i sjöarnas dräneringsområden, och endast enstaka fjällbjörkar återstod fram till ca 2000 år före nutid. I höjd med Spåimesjön växte enstaka björkar ända fram till 600-500 år före nutid, då de sista träden retirerade ned i dalen, troligtvis p.g.a. det kallare klima som rådde under Lilla Istiden. Vid en jämförelse mellan de stratigrafiska vegetationsdata (pollen- och makrofossildata) insamlade under doktorandprojektet, och de tidigare publicerade megafossilfynden, framstår det tydligt att resultaten av de olika metoderna överensstämmer med varandra. De skillnader som förekommer i resultaten kan till stor del förklaras genom att megafossilen bevaras dåligt i olika delar av området, vilket leder till att megafossilfynden kan ge en något inkomplett bild av trädskiktets utbredning i tid och rum.



För att kunna rekonstruera de vegetations- och klimatförändringar som inträffat i området under Holocen, krävs noggrann datering av de geologiska arkiv varifrån paleoekologiska data extraheras. Kronologierna i de torv- och sjösedimentsekvenser som undersökts inom projektet har företrädesvis baserats på kol-14-datering av terrestra växtmakrofossil uttagna från lämpliga stratigrafiska nivåer. Men även andra dateringsmetoder har använts inom projektet.



Tidigare undersökningar från Klockamyren (526 m ö.h.), en mosse belägen i barrskogszonen väster om Ånnsjön, har indikerat att flera lager av isländsk vulkanisk aska, tefra, finns inkorporerade i torvlagerföljden. Lager eller horisonter av tefra kan användas som likåldriga nivåer (isokroner) för att korrelera och datera olika geologiska arkiv, tex i Nordatlantaområdet, och på så sätt upprätta en s.k. tefrokronologi. Flera horisonter av mikroskopiska askpartiklar lokaliserades i två profiler från Klockamyren, och flera av askhorisonterna kunde kopplas geokemiskt till de isländska vulkanutbrotten Askja-1875, Hekla-3, Hekla-4 Kebister och Lairg A. Tre isländska tefrahorisonter påträffades även i Stentjärns lagerföljd, varav den översta korrelerades geokemiskt med Askja-1875. Som ett led i arbetet med att studera de holocena lokala förändringarna i klimatisk humiditet i västra Jämtland, har även Klockamyrens grundvattenfluktuationer rekonstruerats genom mätningar av torvlagerföljdens humifieringsgrad (nedbrytningsgrad). Humifieringsgraden reflekterar generellt grundvattennivån i mossen under sommarhalvåret då det torvbildande växtmaterialet (huvudsakligen mossor) på en viss nivå avsätts. Grundvattennivån i sin tur varierar med sommarnederbörden och temperaturen. Humifieringsanalyser från de två profilerna i Klockamyren indikerar att under perioderna 5800-4800 år före nutid, och efter 2000 nutid var klimatet i området mycket fuktigt under somrarna.

• author: Bergman, Jonas
• supervisor: Dan Hammarlund
• opponent: Professor Lowe, John, Royal Holloway, London
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: tree-limit ecotone, alpine vegetation, tephrochronology, peat humification, plant macrofossils, Palaeobotany, fylogeni, Paleobotanik, palynology, phylogeny, palynologi, Geologi, Geology, pedology, geomorphology, Physical geography, klimatologi, geomorfologi, climatology, Fysisk geografi, cartography, Holocene climate, palaeoecology, marklära, kartografi, pollen influx
• in: Lundqua thesis
• issue: 53
• pages: 45 pages
• defense location: GeoBiosphere Science Centre Sölvegatan 12 Pangea
• defense date: 2005-06-03 13:15:00
• external identifiers: scopus:33947131193
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 91-86746-64-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f2e89d68-5a5c-4619-bbe4-34edeab753a5 (old id 544980)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:13:46
• date last changed: 2022-01-28 18:12:16