Chrinomids as lake paleoenvironmental indicators: the role of present fauna to understand the past

Abstract

The study of past ecological changes is highly useful for understanding how ecosystems have responded to climate and human-induced disturbances. It is thus relevant in the context of climate change, as it allows several ecological processes and properties, such as ecosystem baseline conditions or resilience, to be evaluated. This thesis focuses on the study of past ecological changes in mountain lakes, which are widely considered to be sentinel ecosystems due to their ability to effectively record signals of climate change and anthropogenic impacts in their sediments. To do this we use Chironomidae (Diptera) as model organisms. The use of chironomids as lake paleoenvironmental indicators has a long tradition, mainly in terms of quantitative temperature reconstructions. However, there are still many uncertainties involving their reliable use as paleoindicators that need to be further tested. Moreover, their use in paleoecological studies in the Iberian Peninsula is still scarce. In this context, this thesis focuses on two main issues. On the one hand, it reveals the main drivers affecting the chironomid paleorecord by comparing living and recent subfossil assemblages. On the other hand, past changes (mainly temperature and hydrological changes) are reconstructed in two morphologically different lakes from the Iberian Peninsula. This thesis demonstrates the key influence of macrophyte habitat in shaping the chironomid community, both in the living larvae community and acting as a major confounding factor in the subfossil chironomid record. The presence of Chara in Enol Lake is identified as one of the main drivers affecting the living community. These effects are amplified in the recent subfossil record due to the high chironomid productivity related to this habitat. These results warn against the use of recent subfossil data without further questioning, as they can be greatly affected by a single factor, biasing qualitative or quantitative environmental reconstructions. Moreover, they indicate the importance of studying the present-day fauna before conducting paleoenvironmental studies.

Our results also show that, in many cases (e.g. deep lakes), it might be necessary to analyse more than one core (which is usually retrieved at maximum lake depth) to perform complete and reliable paleoenvironmental reconstructions. The comparison of two sediment cores retrieved from different lake zones (sublittoral and profundal) shows several differences in terms of how chironomids recorded past changes. The deeper core records some hydrological fluctuations, but is also characterized by low head capsule densities, which could lead to less reliable interpretations of downcore changes. The shallower core records the main anthropogenic impacts, in addition to some hydrological oscillations. In this case, results are more robust due to the high chironomid densities found in this core. Finally, this thesis provides the first chironomid-based temperature reconstruction covering the entire Holocene in the Iberian Peninsula. The comparison of these results with other local and regional studies highlights similarities and differences between this new reconstruction and previous records. These differences can be attributed to different patterns of temperature, hydrology and seasonality changes throughout the Holocene in our study region. Taken as a whole, this thesis constitutes one of the first complete studies regarding chironomid remains in the Iberian Peninsula and opens up many new research opportunities, in this region and elsewhere. According to the main findings of this study, the combination of ecological and paleoecological approaches is advised for carrying out complete paleoenvironmental studies.

L’estudi dels canvis ecològics esdevinguts en el passat és de gran utilitat per entendre com han respost els ecosistemes davant de pertorbacions de tipus climàtic i humà. Per aquest motiu és rellevant en el context del canvi climàtic, ja que permet avaluar diverses propietats i processos ecològics, com ara les condicions basals o la resiliència dels ecosistemes. Aquesta tesi se centra en l’estudi de l’evolució dels canvis ecològics en llacs de muntanya que, per l’eficàcia en la seva capacitat d’enregistrar senyals de canvis climàtics i impactes antròpics en els seus sediments, són àmpliament acceptats com a ecosistemes sentinella. Per fer-ho, s’utilitzen els quironòmids (Diptera) com a organismes model. L’ús dels quironòmids com a indicadors paleoambientals lacustres té una llarga tradició, principalment pel que fa a reconstruccions quantitatives de temperatura. Tanmateix, encara hi ha diverses incerteses respecte a la seva fiabilitat com a paleoindicadors que aconsellen un estudi més profund. A més, el seu ús en estudis paleoecològics a la Península Ibèrica encara és escàs. En aquest context, aquesta tesi se centra en dos aspectes principals. D’una banda, revela els principals factors que modelen el registre subfòssil mitjançant la comparació entre les comunitats actuals i les subfòssils recents. D’una altra banda, es reconstrueixen els canvis esdevinguts en el passat (principalment hidrològics i de temperatura) en dos llacs de diferents característiques de la Península Ibèrica. Aquesta tesi demostra la influència clau de l’hàbitat de macròfits en el modelatge de la comunitat de quironòmids, tant en la comunitat actual de larves com actuant com a principal factor de confusió en el registre subfòssil. La presència de Chara al Llac Enol s’identifica com un dels principals elements que afecta la comunitat actual. Aquests efectes s’amplifiquen en el registre subfòssil recent a causa de la gran productivitat de quironòmids relacionada amb aquest hàbitat. Aquests resultats indiquen que no es poden utilitzar dades subfòssils recents sense qüestionar-les prèviament, ja que es poden veure afectades en gran mesura per un únic factor, fet que podria generar un biaix en les reconstruccions

ambientals qualitatives i/o quantitatives. A més, indiquen que és molt important estudiar la fauna actual abans de dur a terme estudis paleoambientals. Els resultats obtinguts també mostren que, en molts casos (p. e. llacs profunds), caldria analitzar més d’un testimoni de sediment, que normalment s’obté a la zona més profunda del llac, per a dur a terme reconstruccions paleoambientals completes i fiables. La comparació de dos testimonis de sediment recuperats en diferents zones d’un llac (sublitoral i profunda) mostra nombroses diferències en la manera en què els quironòmids van enregistrar els canvis esdevinguts en el passat. El testimoni profund registra algunes fluctuacions hidrològiques, però també es caracteritza per unes densitats de càpsules cefàliques més baixes, fet que podria comportar una interpretació menys fiable dels canvis. El testimoni més somer registra els principals impactes antròpics, a més de diverses oscil·lacions hidrològiques. En aquest cas, els resultats són més sòlids gràcies a les elevades densitats de quironòmids trobades en aquest testimoni. Finalment, aquesta tesi aporta la primera reconstrucció de temperatura a la Península Ibèrica a partir de quironòmids que abarca tot l’Holocè. La comparació d’aquests resultats amb d’altres estudis locals i regionals permet destacar similituds i diferències entre aquesta nova reconstrucció i altres registres previs. Aquestes diferències es poden atribuir a diferents patrons de canvis de temperatura, hidrologia i estacionalitat al llarg de l’Holocè en la regió objecte del nostre estudi. En general, aquesta tesi constitueix un dels primers estudis complets sobre restes de quironòmids a la Península Ibèrica i obre diverses noves oportunitats de recerca, tant en aquesta regió com en d’altres. D’acord amb els principals resultats obtinguts en aquest estudi seria, doncs, recomanable combinar aproximacions ecològiques i paleoecològiques per dur a terme estudis paleoambientals complets