Journal Article

BAOBABS ON KUBU ISLAND, BOTSWANA – A DENDROCHRONOLOGICAL MULTIPARAMETER STUDY USING RING WIDTH AND STABLE ISOTOPES (δ¹³C, δ¹⁸O)

Slotta, Franziska, Shemang, Elisha, Heußner, Karl-Uwe, Heussner, Karl-Uwe, Riedel, Frank, Helle, Gerhard

2017

Overview

According to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), all of Africa is very likely to warm up more than the global average during this century. Especially (semi-)arid regions are expected to experience particularly high warming and possibly catastrophic droughts. However, assessments of the impacts of climate change on these regions are currently impeded by a lack of transregional high temporal resolution proxy data for the African continent. Baobab trees are widely distributed in (semi-)arid Africa and can reach ages of up to 2000 years. This pilot study was aimed at investigating African baobabs, Adansonia spp., from a site in Botswana using multiple dendroclimatological methods. Increment cores from 16 individual baobabs growing on Kubu Island (20°53' S, 25°49' E), a granite pluton located in the Kalahari, were collected in June 2011 to test for annual growth and the species' utility for palaeoclimatic studies. Due to the particular wood fabric and relatively high water content, baobab increment cores were packed in air-tight opaque tubes and stored in a freezer to prevent drying and mould formation. The complicated wood anatomical structure was found to be analysed best using a microscope with incident UV light, allowing tree-ring boundaries to be distinguished. Nonetheless, potential differences in individual site conditions, as well as diverse tree ages, caused conventional dendrochronological crossdating to fail. Missing and false tree rings could be identified due to the strong relationship between tree-ring width and annual precipitation amount allowing the development of a preliminary 50 year-long baobab chronology (1960-2009). Subsequently, stable carbon and oxygen isotope analyses revealed significant correlations of Δ¹³C and δ¹⁸O of tree rings with climate data. Year-to-year isotope variability and trends were found to be in good agreement with established models of fractionation. Intrinsic water-use efficiency has mainly increased over the study period (2-30%). Despite the demonstrated high potential of African baobabs as a valuable high-resolution climate archive, we conclude that more dendrochronological calibration studies are required at various sites in southern Africa. Furthermore, ecophysiological monitoring of climate and stable isotope signal transfer from the atmosphere, through soil and leaves into the tree rings is necessary to fully understand tree-ring formation and climate response of the African baobab. Laut Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) wird Afrika sehr wahrscheinlich eine Erwärmung erfahren, die über dem globalen Mittel liegen wird. Speziell aride Gebiete sind durch eine hohe Erwärmung und mögliche katastrophale Dürren gefährdet. Den Einschätzungen der Auswirkungen des Klimawandels auf diese Regionen steht aber derzeit ein großer Mangel an überregionalen, zeitlich hochaufgelösten und präzise datierten Proxy-Datenreihen für den afrikanischen Kontinent entgegen. Baobabs sind im (semi-) ariden Afrika weit verbreitet und können bis zu 2000 Jahre alt werden. Das Ziel dieser Pilotstudie war es, Afrikanische Baobabs, Adansonia spp., von einem Standort in Botsuana mit verschiedenen dendrochronologischen Methoden zu untersuchen. Im Juni 2011 wurden 16 Baobabs auf Kubu Island (20°53' S, 25°49' E), einem Granitpluton in der Kalahari Botsuanas, Zuwachsbohrkerne entnommen, urn zu testen, ob es sich bei den Zuwachszonen der Baobabs um Jahrringe handelt und, um ihre Nutzbarkeit für Paläo-Klimastudien zu untersuchen. Aufgrund ihrer besonderen Holzstruktur und dem relativ hohen Wassergehalt wurden die Zuwachsbohrkerne in luftdichte, lichtundurchlässige Röhren verpackt und so schnell wie möglich eingefroren, um Austrocknung und Schimmelbildung zu verhindern. Die komplizierte Holzanatomie lässt sich am besten mit einem UV-Iicht-Mikroskop analysieren, das die Differenzierung der Jahrringgrenzen ermöglicht. Trotzdem fuhrten potentielle Standort- und Altersunterschiede dazu, dass die Proben nicht auf konventionelle Art kreuzdatiert werden konnten. Der stark ausgeprägte Zusammenhang zwischen Jahrringbreite und Jahresniederschlag ermöglichte es aber, fehlende und falsche Jahrringe zu identifizieren und so eine vorläufige 50 Jahre lange Baobab-Chronologie (1960—2009) zu erstellen. Die anschließende Analyse stabiler Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope ergab signifikante Korrelationen von Δ¹³C und δ¹⁸O der Jahrringe mit Klimadaten. Die jährliche Isotopenvariabilität und die Trends der Isotope sind im Einklang mit anerkannten Fraktionierungs-Modellen. Die intrinsische Wassernutzungseffizienz hat sich über den Untersuchungszeitraum überwiegend verbessert (2-30%). Trotz des demonstrierten großen Potentials der Afrikanischen Baobabs als zukünftiges hoch-aufgelöstes Klimaarchiv kommen wir zu dem Schluss, dass es weiterer dendrochronologischer Kalibrierungsstudien an unterschiedlichen Standorten im südlichen Afrika bedarf. Darüber hinaus ist ein ökophysiologisches Monitoring des Transfers von Klimasignalen und stabilen Isotopen aus der Atmosphäre durch den Boden und die Blätter in die Jahrringe erforderlich, um die Jahrringbildung und die Klimareaktion der Afrikanischen Baobabs vollstandig zu verstehen.

• Publisher: Department of Geography, University of Bonn