Deciphering organic matter degradation in the continuous permafrost zone of Alaska based on biomarker analyses
Human-induced climate change has led to a significant rise in global temperatures, with the Arctic warming nearly four times faster than the global average. This accelerated warming makes the Arctic to one of the most vulnerable regions on Earth. A major component of this region is permafrost, permanently frozen grounds that covers around 22 % of the exposed land are of the northern Hemisphere. Permafrost regions store vast amounts of carbon and are therefore a key point in the carbon-climate-cycle, as the strong warming threatens the stability of the frozen ground and makes these storages available for microbial decomposition, which increases the greenhouse gas production. In particular thermo-karst processes–ground subsidence caused by the thawing of ice-rich permafrost – re-shape permafrost landscapes, resulting in degeneration features as thermokarst lakes, drained thermokarst lake basins and coastal erosion. This mobilizes previously frozen organic matter, altering its composition, reactivity and greenhouse gas potential. Thus, knowledge about the origin, quantity and quality are essential to estimate the future fate of organic matter in a changing permafrost landscape. This study addresses these knowledge gaps by analysing OM characteristics in northwestern Alaska. The aim of this study is to investigate (1) the paleoenvironment of the landscape and (2) the characterization of the OM by its quantity, source and quality. Therefor a multiproxy approach of bio-geochemistry, hydrochemistry, sedimentology and biomarker analyses for a transect along the four main features Upland, Thermokarst lake, Drained Thermokarst Lake Basin and Marine on the Baldwin Peninsula was used. The deposition in this region started > 50 cal ka BP in a strongly aeolian regime. The sediments are mostly of coarse silt, indicating parent material at all four sites, and show with high water contents, organic-rich layers and high radiocarbon ages typically characteristics of late Pleistocene Yedoma, while the bottom layers show signs of an ancient fluvial environment and former thermokarst processes. Also, the biomarker analysis suggests a common terrestrial origin of the OM, also for the marine site, indicating a secondary ma-rine infiltration, as well as a slightly aquatic influences, especially in the deeper layers, resulting from ancient thermokarst processes and the lake / marine phases. The carbon quantity decreases significantly from the Upland to the Marine site. It has a high quality without statistically significant differences between the sites. Due the high ice amount and carbon quality, the studied deposits are highly vulnerable to thawing under future warming and thus constitute a high greenhouse gas release potential. German version Der anthropogene Klimawandel hat zu einem signifikanten Anstieg der globalen Temperatur geführt, wobei sich die Arktis fast viermal so schnell wie der globale Durchschnitt erwärmt. Diese beschleunigte Erwärmung macht sie zu einer der vulnerabelsten Regionen der Welt. Einer der Hauptbestandteile dieser Region ist Permafrost, dauerhaft gefrorener Boden, der ~22 % der freiliegenden Landfläche der nördlichen Hemisphäre bedeckt. Permafrost Regionen speichern große Mengen an Kohlenstoff und sind dadurch ein Kern-punkt im Kohlenstoff-Klima-Kreislauf, da die starke Erwärmung die Stabilität des gefrorenen Bodens und damit des Kohlenstoffes gefährdet. Besonders Thermokarstprozesse – Bodenabsenkung infolge des Tauens von eisreichem Permafrost – verändern diese Landschaften und schaffen Strukturen wie Thermokarstseen, drainierte Thermokarstseebecken und Küstenerosion. Das wiederum mobilisiert zuvor eingefrorenes organisches Material, verändert dessen Zusammensetzung und Treibhausgaspotential. Daher ist es essenziell, mehr Wissen über die Charakteristik des organischen Materials zu erlangen, um dessen zukünftige Entwicklung in einer sich wandelnden Permafrost Landschaft abzuschätzen. Diese Studie fokussiert sich auf diese Wissenslücke. Ziel ist die Untersuchung (1) der Paläoumwelt und Entstehung der Landschaft sowie (2) die Charakterisierung der OM an-hand ihrer Quantität, Herkunft und Qualität. Dafür wird ein Multi-Proxy-Ansatz aus Biogeochemie, Hydrochemie, Sedimentologie und Biomarker Analyse entlang eines Transekts mit vier Hauptmerkmalen – Hochebene, Thermokarstsee, drainiertes Thermokarstseebecken und marine Ablagerungen – auf der Baldwin-Halbinsel angewendet. Die Ablagerung startet vor über 50 cal ka BP in einem stark äolischen Regime. Die Sedimente bestehen überwiegend aus grobem Schluff, was auf dasselbe Ausgangsmaterial an allen Standorten hinweist. Sehr hohe Eisgehalte, organikreiche Schichten und Radiokarbonalter > 30 cal ka BP deuten auf typische Eigenschaften spätpleistozänen Yedomas hin, während tiefere Schichten Spuren früherer fluvialer Bedingungen und Thermokarstprozesse auf-weisen. Die Biomarker Analyse bestätigt einen gemeinsamen terrestrischen Ursprung der OM, auch am marinen Standort, der terrestrisch abgelagert und später durch Erosion und Infiltration marin überprägt wurde. Die Kohlenstoffmenge nimmt vom Hochland zum marinen Standort deutlich ab. Sie weist eine hohe Qualität auf, ohne signifikante Unter-schiede zwischen den Standorten. Aufgrund hoher Eismengen, potenzieller Talikbildung und undegradierten Kohlenstoffs sind die untersuchten Ablagerungen sehr anfällig für Auftauen unter zukünftiger Erwärmung und stellen somit ein hohes Treibhausgas Freisetzungspotenzial dar.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4678-4982
,
G. Grosse
and
F. Seemann
(editors)
Master thesis,
