Paleolimnological study in two karstic lakes: climate signal in varved sediment and phototrophic organisms variability

This paleolimnological research work was focused on the analysis of the temporal variability of the primary producers community of two close karstic lakes, La Cruz and Lagunillo del Tejo (Cuenca, Spain). Photosynthetic pigments preserved in lake sediments were considered as the most suitable biomarker because of their taxonomic specifity and the accurate understanding of the transference from the water column into sedimentary signal by means of an experimental study about the sedimentation processes carried out over three annual cycles in Lake La Cruz. The multidimensional statistical analysis of the pigments stratigraphic profiles showed the site specific responses to different forcing factors over the last centuries. The detailed analysis of the sedimentary signal indicates that the lake-level changes associated to regional hydroclimatic variability have played a relevant role on the composition of the primary producers commnunity in Lagunillo del Tejo, whereas solar variability has pointed out as forcing factor of the inferred changes of Lake La Cruz primary production, which was characterised by a pigment compositional stability. On the other hand the annually laminated sediment of Lake La Cruz have been shown as an excellent quantitative climatic proxy; calibration analysis of calcite laminae thickness indicated a highly significant correlation with winter rainfall. Winter rainfall anomalies are, in turn, highly correlated with the phase of North Atlantic Oscillation (NAO). Given this strong climatic relationship, an annual winter rainfall reconstruction for the period 1589 A.D. to present was performed. The dominance of nonstationary component at high frecuencies of the climate signal over the last 420 years indicates that the connection between winter rainfall and the NAO is not stable over time and suggest that different patterns, not only NAO, have played a role in determining rainfall variability. __________________________________________________________________________________________________Este estudio paleolimnológico se centra en el análisis de la variabilidad temporal de la comunidad de productores primarios de dos lagos próximos, la Laguna de La Cruz y el Lagunillo del Tejo (Cuenca, España). Se consideró que los pigmentos fotosintéticos conservados en el sedimento eran los biomarcadores más adecuados para trazar la varibilidad de los organismos fotosintéticos debido a la especificidad taxonómica que presentan y al conocimiento sobre su transferencia de la columna de agua al sedimento, obtenido en un estudio experimental de los procesos de sedimentación durante tres ciclos anuales en la Laguna de La Cruz. El análisis estadístico multidimensional de los perfiles estratigráficos de los diferentes pigmentos evidenció la respuesta específica de cada sistema a diferentes factores ambientales durante los últimos siglos. El análisis en detalle de la señal sedimentaria indicó que en el Lagunillo del Tejo las fluctuaciones de nivel de agua, asociadas a variabilidad hidroclimática, han influido notablemente en la composición de la comunidad de productores primarios. Sin embargo en la Laguna de La Cruz, caracterizada por una estabilidad en la composición de la comunidad de organismos fotosintéticos, los cambios inferidos en la producción primaria parecen haber sido condicionados por la variabilidad solar. Por otro lado este estudio ha demostrado que el sedimento laminado de la Laguna de La Cruz es un excelente indicador climático cuantitativo. Los resultados del análisis de calibración del espesor de las láminas de calcita indican que dichos espesores estan principalmente relacionados con las precipitaciones acumuladas durante los meses de invierno presentando una correlación altamente significativa. Las precipitaciones invernales, a su vez, mostraron una correlación altamente significativa con el índice atmosférico de Oscilación del Atlántico Norte (NAO). Dada esta significativa relación climática, utilizamos el sedimento laminado de la Laguna de La Cruz para reconstruir las precipitaciones invernales anuales desde 1589 d.C. hasta el presente. El análisis de la señal climática mostró un dominio de procesos no estacionarios en las altas frecuencias lo que sugiere que la conexión entre las lluvias regionales y el patrón NAO no ha sido estable durante los últimos siglos y que probablemente otros patrones de circulación hayan ejercido su influencia en la región

Climate signal in varve thickness: Lake La Cruz (Spain), a case study

Abstract Lake La Cruz is a meromictic, karstic lake with annually laminated sediment formed by summer pulses of calcite deposition. The aim of this study was to explore the potential use of the laminated sediment from Lake La Cruz as a quantitative climate proxy, by calibrating lamina thickness against instrumental climate data. Statistical analysis of the relation between lamina thickness and the meteorological dataset indicated a high correlation between calcium carbonate lamina thickness and rainfall from December to March (r = 0.725, P < 0.01, n = 35). Winter rainfall anomalies in the area are, in turn, highly negatively correlated with the North Atlantic Oscillation index (NAO, r = −0.832; P < 0.01; n = 53). We propose a regression model to infer past winter rainfall from calcium carbonate laminae thickness. These results highlight new possibilities for paleoenvironmental research using calcite laminated sediment records as climate proxies, especially to study past rainfall variability.This work has been financed by CICyT grant REN2002-03272 CLI and CGL2005-04040/BOS from the Spanish Ministry of Education and Science to M.R. Miracle and E. Vicente, respectively.Peer reviewe