Reconstructie van milieuveranderingen in het Alaotra-meer, Madagaskar

De mate waarin de centrale hooglanden van Madagaskar ooit bebost waren en of dit gesloten of open bostypes waren vormen het onderwerp van een intens debat. Het reconstrueren van de vroegere omgeving en het ontwarren van de onderliggende factoren, b.v. natuurlijke klimaatschommelingen vs. menselijke invloed, is een complexe taak. Verschillende archieven registreren informatie uit het verleden (bv. meer-sedimenten, jaarringen, fossiele resten, bodemprofielen, grotafzettingen, ...). Deze informatie wordt onttrokken aan de hand van een combinatie van indicatoren, die elk inherente veronderstellingen en onzekerheden hebben. Het stroomgebied van het Alaotra meer, een groot ondiep meer in de centrale hooglanden van Madagaskar, is een regio gekenmerkt door grote ravijnen, "lavaka" genaamd, die tot hoge erosiesnelheden leiden. Sedimentaire archieven in meren zoals het Alaotra meer kunnen helpen bij het oplossen van onze centrale vraag over de natuurlijke en antropogene invloeden op de veranderende omgeving, waarbij het noodzakelijk is de koolstofbronnen en -cyclus in het meer te begrijpen, alsook de connectie met het omliggende landschap door de toevoer van materiaal via instromende rivieren.

Bodemprofielen (2 m diep) van oorspronkelijke bossen en graslanden in de Alaotra regio werden geanalyseerd. Onder grasland (C4-vegetatie, δ13C ~-13‰) was het gehalte aan organische koolstof (SOC) laag, en daalde snel van 0.4 – 1.8% in de toplaag tot ca. 0.2% op 100 cm. De δ13C-OC van de bovenste bodemlagen varieerde echter tussen -23.0‰ en -15,8‰ waarbij in de meeste profielen δ13C-OC afneemt met de diepte. In tegenstelling tot het grasland vertoonden de C3 gedomineerde bosprofielen een typisch diepteverloop waarbij de δ13C-waarden licht toenamen met de diepte. De SOC-opslag van graslanden was ~55.6% lager dan de SOC-opslag onder bos voor de bovenste laag (0-30 cm). De δ13C-waarden in grasland- en bosprofielen convergeren naar vergelijkbare waarden (binnen 2.0 ± 1.8‰) vanaf ~80 cm, wat consistent is met het idee dat de graslanden in de Alaotra regio zich ontwikkeld hebben op bodems die vroeger begroeid werden door C3 planten. Bovendien was het percentage moderne koolstof (pMC) van de bulk OC in de bovenste en middelste hellingsposities onder graslanden ongewoon laag - minder dan 85% nabij het oppervlak. Dit zou kunnen komen door een combinatie van (i) de lange verblijftijd van resterend bos-OC in de bodem, (ii) de trage vervanging van grasland-OC, en (iii) de erosie van de top naar de vallei onder grasland waardoor de diepere bodemlagen het huidige oppervlak vormen.

Om een uitgebreid overzicht te bekomen van de biogeochemie van het Alaotra meer werd de seizoenale variabiliteit van de concentraties en stabiele isotopensamenstelling van (an)organische koolstof onderzocht, evenals een reeks andere relevante indicatoren, waaronder opgeloste broeikasgasconcentraties (pCO2, CH4, N2O), totale alkaliniteit, fysisch-chemische parameters en Chl-a (chlorofyl a) op basis van een ruimtelijke gevarieerde en seizoensgebonden monitoring van verschillende rivieren. De instromende rivieren bevatten veel totaal opgelost sediment (TSM) met een laag gehalte aan organische koolstofdeeltjes (POC), terwijl het meer zelf en de uitstroom gekenmerkt werden door veel lagere TSM-waarden en een hoog %POC. De POC-concentratie van de uitstroom (13.0 ± 7.7 mg L-1) was aanzienlijk hoger dan die van de instromende rivieren (1.9 ± 2.1 mg L-1), en de δ13C-waarden waren eveneens verschillend voor de instromende rivieren (-24.6 ± 1.8‰) en het meer (-26.5 ± 2.1‰) of de uitstroom (-25.2 ± 1.4‰). De uitstroom was ook verrassend rijk aan opgeloste organische koolstof (DOC) (9.5 ± 1.4 mg L-1) in vergelijking met de instromende rivieren (2.6 ± 1.1 mg L-1). Dit wijst erop dat het meer en de omringende moerassen fungeren als een aanzienlijke bron van nieuwe OC die stroomafwaarts geëxporteerd wordt. De δ13C-gegevens wijzen erop dat de moerasvegetatie de voornaamste bron van deze DOC-input is, terwijl fytoplankton waarschijnlijk een belangrijke bron van POC is in het meer: de TSM van het meer heeft een relatief lage POC/Chl-a-verhoudingen (143 - 564), een hoog %POC (10.1% tot 28.9%), en δ13C-waarden die ongeveer 20‰ lager liggen dan de opgeloste anorganische koolstof (DIC) pool (-26.5 ± 2.1‰ tegenover -6.7 ± 1.6‰). Stabiele waterisotopen van instromende rivieren waren sterk verschillend van de uitstroom. De uitstroom vertoonde een sterke verrijking in 18O en 2H, die in de loop van het droge seizoen toenam en wijst op waterverliezen via verdamping. Ondanks het belang van fytoplanktonproductie voor de POC-pool fungeerde het meer als een netto CO2 bron, waarschijnlijk als gevolg van de hoge OC-input van het moeras en sediment respiratie door het ondiepe water. De biogeochemische werking van het Alaotra-meer verschilt sterk van de meeste tot nu toe bestudeerde (sub)tropische meren in Oost-Afrika, waarschijnlijk door een combinatie van de grote oppervlakte, geringe waterdiepte, en omvang van de omringende moerassen en overstromingsgebieden. Het meer fungeert als een abrupt element in de land-oceaangradiënt van het stroomgebied, waarbij de biogeochemische kenmerken van de Maningory rivier sterk worden beïnvloed door processen die plaatsvinden in het Alaotra meer en de moerassen, en niet zozeer een afspiegeling zijn van processen die hogerop in het stroomgebied plaats nemen.

Om sediment en koolstof mobilisatie en transport doorheen het Alaotra bekken te begrijpen werden de OC-concentraties en de δ13C-OC, OC/TN-verhoudingen van bodem- en sedimentprofielen in de afzettingszones onderzocht. Meer-sediment heeft een hoog OC-gehalte (5 tot 18%) en bevat weinig zand, de dominante korrelgrootte op de hellingen. Het hoge OC-gehalte van de meer-sedimenten, in combinatie met C/N-verhoudingen en δ13C toont dat de OC in het sediment hoofdzakelijk afkomstig is van de moerassen en, in mindere mate, van in situ primaire productie, dan van terrestrisch geërodeerde C. De overstromingsvlakten vormen de voornaamste opslagplaats voor hellings-sediment: gelijkaardig aan de bodems onder grasland vertonen de sedimentprofielen in de overstromingsvlakte lage %OC en relatief hoge δ13C-waarden, variërend tussen -21 en -14‰. Het merendeel van de sedimenten en C die op de hellingen gemobiliseerd worden lijken het Alaotra meer dus niet te bereiken ondanks de hoge erosiesnelheden. Dit is van groot belang voor een correcte interpretatie van de sedimentaire gegevens van het Alaotra meer. Onze studie benadrukt dat meer-sediment archieven zorgvuldig beschouwd moeten worden in hun landschappelijke context, zelfs in erosieve stroomgebieden. Bulk indicatoren zoals de stabiele isotopenverhouding in organisch materiaal zullen daarom eerder de veranderingen in het meer en de moerassen reflecteren dan de veranderingen in hogerop gelegen delen van het stroomgebied.

De bulk OC en TN gegevens, evenals hun stabiele isotopensamenstelling uit 8 meer-sedimentboringen werden vergeleken met de pollen en houtskoolgegevens. Pollen-data suggereren een opening in het landschap tussen 2050 en 1700 cal y BP, met een overgang van bebost grasland of een bos/grasland mozaïek naar een open grasland, wat gepaard gaat met een piek in houtskool. Menselijke activiteiten zijn waarschijnlijk (in)direct een belangrijke factor die hebben geleid tot deze veranderingen in vegetatie. Zowel het OC-gehalte als de δ13C-OC toonden een duidelijke verandering in dezelfde periode als de verandering in de pollen en houtskool. Rond 1911 cal y BP werd een plotse toename in %OC van 5% naar 18% waargenomen, terwijl δ13C-OC over dit interval daalde van -17 tot -20‰. Deze daling in δ13C werd niet verwacht op basis van de pollengegevens die een meer open landschap gedomineerd door C4 grassen tonen. Dit suggereert dat de relatief plotse verandering in de vegetatie van het stroomgebied heeft geleid tot plaatselijke veranderingen in het moerasgebied rond het Alaotra-meer. Verkennende δ13C-analyses op micro-houtskool toonden aan dat de branden in grote mate gevoed werden door C4-vegetatie (50 – 100%), zelfs in de periode vóór de menselijke bewoning - wat een verdere bevestiging is van een gedeeltelijk open bossysteem. Onze studie benadrukt de verschillende ruimtelijke voetafdrukken van bulk organisch materiaal en specifieke indicatoren zoals pollen en houtskool in sedimentarchieven: deze verschillende indicatoren hebben verschillende aanvoerroutes en leveren complementaire informatie op verschillende schalen.