New insights on lake sediment DNA from the catchment: importance of taphonomic and analytical issues on the record quality

Over the last decade, an increasing number of studies have used lake sediment DNA to trace past landscape changes, agricultural activities or human presence. However, the processes responsible for lake sediment formation might affect DNA records via taphonomic and analytical processes. It is crucial to understand these processes to ensure reliable interpretations for “palaeo” studies. Here, we combined plant and mammal DNA metabarcoding analyses with sedimentological and geochemical analyses from three lake-catchment systems that are characterised by different erosion dynamics. The new insights derived from this approach elucidate and assess issues relating to DNA sources and transfer processes. The sources of eroded materials strongly affect the “catchment-DNA” concentration in the sediments. For instance, erosion of upper organic and organo-mineral soil horizons provides a higher amount of plant DNA in lake sediments than deep horizons, bare soils or glacial flours. Moreover, high erosion rates, along with a well-developed hydrographic network, are proposed as factors positively affecting the representation of the catchment flora. The development of open and agricultural landscapes, which favour the erosion, could thus bias the reconstructed landscape trajectory but help the record of these human activities. Regarding domestic animals, pastoral practices and animal behaviour might affect their DNA record because they control the type of source of DNA (“point” vs. “diffuse”)

Mountain Areas facing Global Change : a retrospective study in the vicinity of "Les 2 Alpes" ski resort

Ce travail de thèse vise à reconstituer les conditions paléo-environnementales ayant eu lieu dans la vallée de l’Oisans à partir des archives naturelles représentées par les sédiments lacustres. Par une approche multi-marqueurs, nous visons à reconstituer tout à la fois : i) les fluctuations glaciaires en Oisans; ii) les modifications des activités humaines en montagne et leurs influence sur les flux de matière lors d’événements extrêmes ; iii) comprendre la relation entre changements climatiques, changements d’usage et évolution des aléas en haute montagne. Cette étude a permis de mettre en évidence les changements globaux, regroupant la variabilité climatique et les pratiques humaines, ayant influencés l’érosion autour des lacs de La Muzelle et du lac du Lauvitel durant les derniers millénaires.Les résultats principaux ont montrés que l’érosion du lac de la Muzelle a été largement dominé par l’activité glaciaire notamment avec la présence à certaines époques de fines particules détritiques liées à l’abrasion sous glaciaire. Ces dernières ont révélées une relation aux pluies torrentielles encore jamais observées auparavant, leur présence en période d’extension glaciaire étant synonyme d’une augmentation du nombre de dépôts lacustres de crues. Les activités humaines, en majeure partie représentées par l’utilisation agro-pastorale de l’espace avoisinant les lacs, ne sont clairement identifiables que lors des 300 dernières années au lac de la Muzelle. Le lac de Lauvitel est situé à une altitude moindre, dont la majorité du bassin versant est maintenant une réserve intégrale. Les études palynologiques ont mis en évidence certaines périodes d’activités humaines plus marquées. Les événements extrêmes enregistrés dans les sédiments dulac regroupent d’une part les crues, dont l’enregistrement permet une comparaison régionale de l’occurrence de ces événements et de mettre en évidence les changements de circulations atmosphériques à l’échelle des Alpes. D’autre part, les avalanches de neige lourde, dont peu d’enregistrements sont disponibles dans la bibliographie. Nous les avons identifiés grâce à l’utilisation du CT scan l’élaboration d’une nouvelle méthodologie basée sur la différence de densité relative des sédiments. Le comptage et la quantification des apports de matériel détritique grossier aux seins d’une matrice de sédiment lacustre fin, a permis d’identifier les apports liés à cet aléa au cours du temps. Nous avons ensuite reconstitué les événements d’avalanche de neige lourde déposés dans le lac de Lauvitel sur les derniers 3500 ans, dont l’occurrence intervient préférentiellement lors des périodes de retraits glaciaires.This doctoral thesis aims to a paleo-environmental reconstitution of the Oisans valley based on the natural archive of lake sediments. From a multi-proxy approach, we aim to reconstruct: i) Glacial fluctuation reconstruction in Oisans valley; ii) human activities evolution in mountain area and their influences on sediment fluxes especially during extreme events; iii)understand the relationship between climate change, use of mountain lands and natural hazard.Through this study, we identified processes of global change, comprising natural climate variability and human practices, which affected erosion patterns around Lakes Muzelle and Lauvitel during the last millennia. Main results have shown that erosion in the lake Muzelle watershed was dominated in the past by glacial activity, in particular with the presence of fine detrital particles related to subglacial abrasion. They were identified to have a relationship never observed before; during glacial extension their presence is triggering a higher number of flood deposits. At this location, human activities were identified through agro-pastoral activities and more precisely by the coprophilous fungi spore counting, revealing cattle presence since 300 years. Lake Lauvitel is located at lower altitude, which most of the watershed is now situated in an Integral Reserve. Palynological investigations lead to identification of periods of higher human activities in the valley. Extreme events recorded in Lake Lauvitel sediment are on the one hand torrential floods, which allowed a comparison with other reconstructions highlighting changes in the climatic settings in the Alps. On the other hand, wet avalanches deposits were identified with the use of a CT scan and the development of a new methodology based on relative density differences in the sediment. The counting and the quantification of coarse detrital matter within the lacustrine fine sediment matrix allowed income identification of this hazard though time. We then reconstructed wet avalanches events deposited in Lake Lauvitel during the last 3500 years, which occurrence is preferentially during glacial retreats

Les territoires de montagne face aux changements globaux : une étude rétrospective autour de la station de ski des Deux Alpes

This doctoral thesis aims to a paleo-environmental reconstitution of the Oisans valley based on the natural archive of lake sediments. From a multi-proxy approach, we aim to reconstruct: i) Glacial fluctuation reconstruction in Oisans valley; ii) human activities evolution in mountain area and their influences on sediment fluxes especially during extreme events; iii)understand the relationship between climate change, use of mountain lands and natural hazard.Through this study, we identified processes of global change, comprising natural climate variability and human practices, which affected erosion patterns around Lakes Muzelle and Lauvitel during the last millennia. Main results have shown that erosion in the lake Muzelle watershed was dominated in the past by glacial activity, in particular with the presence of fine detrital particles related to subglacial abrasion. They were identified to have a relationship never observed before; during glacial extension their presence is triggering a higher number of flood deposits. At this location, human activities were identified through agro-pastoral activities and more precisely by the coprophilous fungi spore counting, revealing cattle presence since 300 years. Lake Lauvitel is located at lower altitude, which most of the watershed is now situated in an Integral Reserve. Palynological investigations lead to identification of periods of higher human activities in the valley. Extreme events recorded in Lake Lauvitel sediment are on the one hand torrential floods, which allowed a comparison with other reconstructions highlighting changes in the climatic settings in the Alps. On the other hand, wet avalanches deposits were identified with the use of a CT scan and the development of a new methodology based on relative density differences in the sediment. The counting and the quantification of coarse detrital matter within the lacustrine fine sediment matrix allowed income identification of this hazard though time. We then reconstructed wet avalanches events deposited in Lake Lauvitel during the last 3500 years, which occurrence is preferentially during glacial retreats.Ce travail de thèse vise à reconstituer les conditions paléo-environnementales ayant eu lieu dans la vallée de l’Oisans à partir des archives naturelles représentées par les sédiments lacustres. Par une approche multi-marqueurs, nous visons à reconstituer tout à la fois : i) les fluctuations glaciaires en Oisans; ii) les modifications des activités humaines en montagne et leurs influence sur les flux de matière lors d’événements extrêmes ; iii) comprendre la relation entre changements climatiques, changements d’usage et évolution des aléas en haute montagne. Cette étude a permis de mettre en évidence les changements globaux, regroupant la variabilité climatique et les pratiques humaines, ayant influencés l’érosion autour des lacs de La Muzelle et du lac du Lauvitel durant les derniers millénaires.Les résultats principaux ont montrés que l’érosion du lac de la Muzelle a été largement dominé par l’activité glaciaire notamment avec la présence à certaines époques de fines particules détritiques liées à l’abrasion sous glaciaire. Ces dernières ont révélées une relation aux pluies torrentielles encore jamais observées auparavant, leur présence en période d’extension glaciaire étant synonyme d’une augmentation du nombre de dépôts lacustres de crues. Les activités humaines, en majeure partie représentées par l’utilisation agro-pastorale de l’espace avoisinant les lacs, ne sont clairement identifiables que lors des 300 dernières années au lac de la Muzelle. Le lac de Lauvitel est situé à une altitude moindre, dont la majorité du bassin versant est maintenant une réserve intégrale. Les études palynologiques ont mis en évidence certaines périodes d’activités humaines plus marquées. Les événements extrêmes enregistrés dans les sédiments dulac regroupent d’une part les crues, dont l’enregistrement permet une comparaison régionale de l’occurrence de ces événements et de mettre en évidence les changements de circulations atmosphériques à l’échelle des Alpes. D’autre part, les avalanches de neige lourde, dont peu d’enregistrements sont disponibles dans la bibliographie. Nous les avons identifiés grâce à l’utilisation du CT scan l’élaboration d’une nouvelle méthodologie basée sur la différence de densité relative des sédiments. Le comptage et la quantification des apports de matériel détritique grossier aux seins d’une matrice de sédiment lacustre fin, a permis d’identifier les apports liés à cet aléa au cours du temps. Nous avons ensuite reconstitué les événements d’avalanche de neige lourde déposés dans le lac de Lauvitel sur les derniers 3500 ans, dont l’occurrence intervient préférentiellement lors des périodes de retraits glaciaires

CT based grain size analyses of Lake Lauvitel sediments

Over the past decades, X-ray computed tomography (CT) has been increasingly applied in the geosciences community. CT scanning is a rapid, non-destructive method allowing the assessment of relative density of clasts in natural archives samples. This study focuses on the use of this method to explore instantaneous deposits as major contributors to sedimentation of high-elevation lakes in the Alps, such as the Lake Lauvitel system (western French Alps). This lake is located within a very steep valley prone to episodic flooding and features gullies ending in the lake. This variety of erosion processes leads to deposition of sedimentary layers with distinct clastic properties. We identified 18 turbidites and 15 layers of poorly sorted fine sediment associated with the presence of gravels since AD1880. These deposits are respectively interpreted as being induced by flood and wet avalanche. This constitutes a valuable record from a region where few historical records exist. This CT scan approach is suitable for instantaneous deposit identification to reconstruct past evolution and may be applicable to a wider variety of sedimentary archives alongside existing approaches