The study of a past interglacial vegetation change as a tool to understand the human role in hydrological changes

Abstract

Examining sedimentary records from previous interglacial periods provides valuable insights into past climate variability and ecosystem responses to warmer conditions. This research addresses important gaps in our understanding of the global water cycle and ecological adaptations of vegetation to past climate changes that could be directly compared to changes during current global warming. This PhD thesis analysed pollen samples from the carbonated sediments from Fucino Basin in the Central Apennines, which is an ideal location to study vegetation dynamics within a mountainous and Mediterranean climate during the interglacial period corresponding to Marine Isotope Stage (MIS) 11 (ca. 424-367 ka). The first stage of MIS 11 interglacial complex (MIS 11c; ca. 426–396 ka) is particularly interesting due to the fact that it represents one of the longest and warmest interglacial phases within the last 800 ka, with approximate mean global temperatures 0.5–0.7°C higher and sea level around 6–13 meters above pre-industrial Holocene ones, respectively. In absence of anthropogenic influences, MIS 11c, being an orbital analogue of the late Holocene (MIS 1), facilitates the examination of ecosystem responses to naturally warmer climates. Highresolution palynological analyses conducted on Fucino Basin sediments reveal millennial-scale climatic oscillations spanning from 430 ka to 388 ka, including the latter phase of MIS 12 glacial period, the Glacial Termination V (T-V), and most of MIS 11. The Fucino F4-F5 composite record provides one of the few independent radiometrically constrained chronologies for MIS 11, allowing direct comparisons to other regional and global climatic and palynological datasets. The T-V was one of the most pronounced climatic transitions of the Pleistocene, forming part of the major climatic reorganisation known as the Mid-Brunhes Event (MBE). This event, recorded at 424.5 ± 4.0 ka in Fucino, reflects a substantial shift from a cold, arid phase, with a dominance of herbaceous and xerophytic taxa including Poaceae, Artemisia, Amaranthaceae, Ephedra, and Hippophäe and siliciclastic-dominated sedimentation, to a warm, humid phase marked by increased Abies and a deciduous arboreal assemblage including Quercus, Carpinus, Corylus, and Ulmus, and dominated by a calcareous sedimentation, more organic than in the glacial. The warm and humid conditions recorded throughout MIS 11c in Fucino are consistent with climate reconstructions from other lakes in the Mediterranean region, such as Lake Ohrid and Ioannina, where similarly humid conditions are recorded. Notably, Abies dominated the surrounding vegetation in the Fucino Basin, evidencing high regional humidity. The Fucino Basin pollen record reveals the sensitivity of mesothermic and altitudinal taxa to insolation fluctuations. A significant arid event occurred between 415 ka and 413 ka, dividing the two precessional cycles that formed the MIS 11c interglacial. This event, described in the palynological record for the first time, may correspond to a global climate signal, as it aligns with lower sea surface temperatures and drier conditions in other records from marine context. This study also calculated pollen-based quantitative paleoclimatic reconstructions using weighted averaging partial least squares (WA-PLS) regression. These reconstructions allow for direct comparisons with current climate parameters, elucidating the impact of natural climatic oscillations on vegetation dynamics during MIS 11c. The results show that vegetation dynamics in the Fucino Basin was highly influenced by insolation-driven climate variability, which contributes to a better understanding of past climate dynamics and vegetation responses. This PhD thesis provides both qualitative and quantitative data that are important for contextualising current anthropogenic impacts on ecosystems by contrasting them with natural climatic and ecological trends observed in the orbital interglacial analogue MIS 11c. These findings highlight the relevance of paleoclimatic studies in improving our understanding of natural climate variability and its implications for future climate responses.

Lo studio de gli archivi documenti sedimentari dei periodi interglaciali passati fornisce importanti indicazioni sulla variabilità climatica del passato e sulle possibili risposte degli ecosistemi a condizioni più calde. Questa ricerca affronta importanti lacune nella comprensione del ciclo globale dell'acqua e degli adattamenti ecologici della vegetazione ai cambiamenti climatici del passato, che potrebbero essere direttamente confrontati con i cambiamenti durante l'attuale riscaldamento globale. Questa tesi di dottorato ha analizzato campioni di pollini provenienti da sedimenti carbonatici del bacino del Fucino nell'Appennino centrale, un sito ideale per la definizione delle dinamiche della vegetazione in un ambiente montuoso mediterraneo durante il periodo interglaciale corrispondente allo Stadio Isotopico Marino (MIS) 11 (ca. 424-367 ka). La prima fase del MIS 11 (MIS 11c; circa 426-396 ka) è particolarmente interessante poichè rappresenta una delle fasi interglaciali più lunghe e calde degli ultimi 800 ka, con temperature medie globali superiori di 0.5-0.7 °C rispetto all’attuale e livello del mare di circa 6-13 m più elevato rispetto ai valori dell'Olocene preindustriale. Il MIS 11c è considerato un analogo orbitale dell'Olocene e consente lo studio delle risposte degli ecosistemi a climi naturalmente più caldi, non essendo interessato dall'impatto antropico. Le analisi palinologiche ad alta risoluzione dei sedimenti del bacino del Fucino rivelano oscillazioni climatiche millenarie tra 430 ka e 388 ka, nell'intervallo compreso tra l'ultima fase del periodo glaciale MIS 12, la Terminazione Glaciale V (T-V), e gran parte del MIS 11. L'indagine della carota Fucino F4-F5 offre una delle rare cronologie indipendenti con datazione radiometrica per il MIS 11, permettendo confronti diretti con i dati climatici e palinologici provenienti da registri regionali e globali. La T-V è stata una delle transizioni climatiche più marcate del Pleistocene e parte di una delle maggiori riorganizzazioni climatiche note come Mid-Brunhes Event (MBE). Questa transizione, datata a 424.5 ± 4.0 ka nel Fucino, evidenzia un sostanziale passaggio da una fase fredda e arida - caratterizzata dalla dominanza di taxa erbacei e steppici come Poaceae, Artemisia, Amaranthaceae, Ephedra e Hippophäe e da sedimentazione prevalentemente siliciclastica - a una fase calda e umida, contraddistinta dalla presenza di Abies e da un’associazione di alberi decidui (Quercus, Carpinus, Corylus, e Ulmus), con sedimentazione prevalentemente organica e calcarea. Le condizioni calde e umide registrate lungo il MIS 11c nel Fucino trovano riscontro nelle ricostruzioni climatiche di altri altri laghi della regione mediterranea, come i laghi di Ohrid e Ioannina. In particolare, la dominanza di Abies nella vegetazione circostante nel bacino del Fucino testimonia un'elevata umidità regionale. Il record pollinico del bacino nel Fucino rivela la sensibilità dei taxa mesotermici e altitudinali alle variazioni dell'insolazione. Un significativo evento arido, identificato tra 415 ka e 413 ka, separa i due cicli precessionali dell'interglaciale MIS 11c. Questo evento, documentato per la prima volta in un record palinologico, potrebbe rappresentare un segnale climatico globale, correlandosi con temperature superficiali marine inferiori e condizioni più aride in altri record del contexto marino. Le ricostruzioni paleoclimatiche quantitative, basate su analisi polliniche mediante regressione dei minimi quadrati parziali medi ponderati (WA-PLS), consentono un confronto diretto con i parametri climatici attuali, chiarendo l'impatto delle oscillazioni climatiche naturali sulle dinamiche della vegetazione durante il MIS 11c. I risultati mostrano che le dinamiche della vegetazione nel bacino del Fucino sono state fortemente influenzate dalla variabilità climatica dovuta all'insolazione, contribuendo a una migliore comprensione delle dinamiche climatiche passate e delle risposte della vegetazione. In conclusione, questa tesi di dottorato fornisce importanti dati qualitativi e quantitativi per contestualizzare gli attuali impatti antropici sugli ecosistemi, confrontandoli con le tendenze climatiche ed ecologiche naturali osservate nell'analogo interglaciale MIS 11c. I risultati sottolineano l'importanza degli studi paleoclimatici per la comprensione della variabilità climatica naturale e le sue implicazioni per le risposte climatiche future.

El estudio de los registros sedimentarios de los periodos interglaciares pasados proporciona datos importantes sobre la variabilidad climática en el pasado y las posibles respuestas de los ecosistemas ante condiciones más cálidas. Esta investigación aborda importantes lagunas en nuestra comprensión sobre el ciclo global del agua y las adaptaciones ecológicas de la vegetación ante cambios climáticos pasados que podrían compararse directamente con los cambios producidos durante el calentamiento global actual. Esta tesis doctoral investiga muestras de polen de los sedimentos carbonatados provenientes de la cuenca del Fucino en los Apeninos Centrales, el cual es un lugar ideal para estudiar la dinámica de la vegetación dentro de un clima montañoso y Mediterráneo durante el periodo interglaciar correspondiente al estadio isotópico marino (MIS) 11 (ca. 424-367 ka). La primera etapa del complejo interglaciar MIS 11 (MIS 11c; ca. 426-396 ka) es particularmente interesante, debido a que representa una de las fases interglaciares más largas y cálidas dentro de los últimos 800 ka, registrando temperaturas globales medias de aproximadamente 0.5-0.7°C más altas y niveles del mar alrededor de 6-13 metros por encima de los respectivos valores del Holoceno preindustrial. En ausencia de la influencia antropogénica, el MIS 11c al ser un análogo orbital del Holoceno, facilita el estudio de las respuestas de los ecosistemas a climas naturalmente más cálidos. El análisis palinológico realizado a alta resolución temporal en los sedimentos de la cuenca del Fucino revelan oscilaciones climáticas a escala milenaria que abarcan el periodo comprendido entre 430 ka hasta 388 ka, incluyendo la última fase del periodo glaciar MIS 12, la Terminación Glaciar V (T-V), y la mayor parte del MIS 11. El sondeo Fucino F4-F5 posee una de las pocas cronologías independientes radiométricamente constreñidas para el MIS 11, permitiendo realizar comparaciones directas con datos climáticos y palinológicos de registros regionales y globales. La T-V fue una de las transiciones climáticas más pronunciadas ocurridas durante el Pleistoceno, formando parte de una de las principales reorganizaciones climáticas conocida como Evento de Mid-Brunhes (MBE). Este acontecimiento, registrado en 424.5 ± 4. 0 ka en Fucino, refleja un cambio sustancial de una fase fría y árida, caracterizada por la dominancia de taxones herbáceos y esteparios como Poaceae, Artemisia, Amaranthaceae, Ephedra, e Hippophäe y por una sedimentación dominada por material siliciclástico, a una fase cálida y húmeda, marcada por una mayor representación de Abies y un conjunto arbóreo caducifolio Quercus Carpinus, Corylus, y Ulmus, y dominada por una sedimentación más orgánica y calcárea. Las condiciones cálidas y húmedas registradas a lo largo del MIS 11c en Fucino concuerdan con las reconstrucciones climáticas de otros lagos del de la región mediterránea, como el lago Ohrid y Ioannina, donde se registraron condiciones húmedas similares. En particular, Abies dominaba la vegetación circundante en la cuenca de Fucino, lo que evidencia una elevada humedad regional. El registro polínico de la Cuenca de Fucino revela la sensibilidad de los taxones mesotérmicos y altitudinales a las fluctuaciones de la insolación. Un evento árido significativo se registra en la cuenca entre 415 ka y 413 ka, dividiendo los dos ciclos precesionales que formaron parte del interglaciar MIS 11c. Este evento, el cual este estudio lo describe por primera vez en un registro palinológico, puede corresponder a una señal climática global, ya que se alinea con temperaturas superficiales del mar más bajas y condiciones más secas en otros registros marinos. También se han realizado reconstrucciones paleoclimáticas cuantitativas basadas en el polen utilizando la regresión de mínimos cuadrados parciales con promedio ponderado (WA-PLS). Estas reconstrucciones permiten comparaciones directas con los parámetros climáticos actuales, dilucidando el impacto de las oscilaciones climáticas naturales en la dinámica de la vegetación durante el MIS 11c. Los resultados muestran que la dinámica de la vegetación en la cuenca del Fucino estuvo muy influenciada por la variabilidad climática debida a la insolación, lo que contribuye a una mejor comprensión de la dinámica climática del pasado y de las respuestas de la vegetación. Esta tesis doctoral proporciona datos cualitativos y cuantitativos importantes para contextualizar los impactos antropogénicos actuales sobre los ecosistemas, los cuales se pueden contrastar con las tendencias climáticas y ecológicas naturales observadas en el análogo interglaciar orbital MIS 11c. Estos resultados ponen de relieve la relevancia de los estudios paleoclimáticos para mejorar nuestra comprensión de la variabilidad natural del clima y sus implicaciones para las respuestas climáticas futuras.