title: Last glacial environments derived from isotope geochemistry of loess sequences and faunal remains – Insights from Upper Palaeolithic sites in Lower Austria
title: Lebensräume der letzten Eiszeit abgeleitet aus der Isotopengeochemie von Lössabfolgen und Faunenresten − Erkenntnisse aus jungpaläolithischen Fundstellen in Niederösterreich
Creators: name: Reiss, Lilian
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::50 Naturwissenschaften::500 Naturwissenschaften und Mathematik

description: In order to understand modern processes of climate change and their effects on environments, it is worthwhile to take a look at the past. Climate variability is evident and preserved in natural archives that can be studied using a variety of methodological approaches. Palaeoclimate and environmental research based on the analyses of physical, chemical or biological proxies derived from these archives help to understand feedback mechanisms that can lead to environmental fluctuations and major impacts on ecosystems. This thesis deals with changing environmental conditions in the Upper Pleistocene (c. 127−11.7 ka) and specifically the (late) Marine Isotope Stage (MIS) 3 (59−29 ka cal BP) and MIS 2 (29−11.7 ka cal BP), which correspond to the Upper Palaeolithic in an archaeological context. It is hypothesised that changing climatic conditions during the last glacial and the respective cultural periods of the Gravettian (33−25 ka cal BP) and the subsequent Early Epigravettian (25−20 ka cal BP) led to changes in the environment and thus to changes in human habits and cultural development. Human subsistence patterns are well evidenced in an archaeological context, with eastern Central Europe being particularly rich in large find complexes. Changes in palaeoecological conditions were therefore investigated at the well-known Upper Palaeolithic sites of Krems-Wachtberg, Krems-Hundssteig and Kammern-Grubgraben in Lower Austria. In total, three natural archives, i.e., (1) loess-palaeosol sequences, (2) animal bones, and (3) horse teeth were used to reconstruct palaeoenvironments. For the reconstruction of temporal and spatial patterns of environmental change and to obtain a more robust picture of climate variability, several proxies were used. Loess-palaeosol sequences at Kammern-Grubgraben were analysed to test isotope and geochemical proxies, as well as different material for radiocarbon dating and to bridge the time between the late MIS 3 to MIS 2. A basal tundra gley in the analysed loess section could be assigned to Greenland Interstadial 4 or 3 as revealed by radiocarbon dates derived from charcoal particles. Sedimentological analyses suggest a humidity-related gradient pointing at more humid and warmer conditions during the formation of older sediments to drier and colder conditions towards the top. Oxygen isotopes on pedogenic carbonates failed as a proxy for palaeoenvironmental reconstructions as their radiocarbon ages revealed a Holocene age. Loess profiles were thus at least partially overprinted by deep-rooted Holocene vegetation, suggesting that longer and undisturbed loess profiles are more suitable in future studies. Stable isotope techniques (δ13C and δ15N) of faunal skeleton remains were used to study palaeoenvironments and dietary habits to assess changes in ecosystem dynamics between the Early Gravettian and the Early Epigravettian cultural periods. Food webs from the late MIS 3 are characterised by broad isotopic niches and reflect more diversified landscapes compared to the MIS 2. Niche partitioning between reindeer and ibex on the one side, and horse, mammoth, and hare on the other side were prevalent in both periods implying inter-species differences in habitat and diet. Severe climate deterioration from the late MIS 3 onwards was only interrupted by two short-termed Greenland Interstadials with climatic improvement. However, subsequent continuing harsh climate conditions during MIS 2 led to a decline in isotopic niches of all herbivore taxa but most remarkable in woolly mammoths. Seasonal climate variability was estimated using stable isotope analyses (δ18O) of equine teeth and revealed a polar tundra climate for both periods with mean annual temperatures of -5.7 ± 3.1 and -3.5 ± 2.9 °C for the study sites dated to the late MIS 3 and the MIS 2, respectively. Both the Gravettian site Krems-Wachtberg and the Epigravettian site Kammern-Grubgraben were most likely occupied during cool and stadial conditions as suggested by reconstructions of palaeotemperatures. Climate-induced changes in the palaeoenvironment led to a decline of prey species such as the woolly mammoth and are intrinsically tied to the drop in human population during the studied period. Regarding human development, it can be assumed that highly efficient adaptive mechanisms such as modified hunting strategies or the choice of sheltered sites led to a phase of renewed population growth in the Epigravettian after the extreme population decline during the Late Gravettian. Ultimately, it could be demonstrated that a comprehensive and robust picture can only be obtained through a combination of methods. In summary, this work provides a substantial contribution to the understanding of climate-induced environmental changes during the last glacial in eastern Central Europe and improves the knowledge of human subsistence in the study area of Lower Austria. As such, based on a proxy evaluation in a sedimentological context, it could be demonstrated that secondary pedogenic carbonates were not suitable for palaeoenvironmental reconstructions. Due to severe climatic deterioration, environmental changes led to declining isotopic niches of important prey species between 30−24 ka. And finally, for the first time absolute temperatures were reconstructed for the late MIS 3 and the MIS 2 in the study area.
description: Um moderne Prozesse des Klimawandels und ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verstehen, lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit. Die Klimavariabilität, die mit verschiedenen methodischen Ansätzen untersucht werden kann, ist in natürlichen Archiven sichtbar und gespeichert. Die Paläoklima- und Umweltforschung, die sich auf die Analyse physikalischer, chemischer oder biologischer Proxies aus diesen Archiven stützt, trägt dazu bei, Rückkopplungsmechanismen zu verstehen, die zu Umweltschwankungen und großen Auswirkungen auf Ökosysteme führen können. Diese Arbeit befasst sich mit sich verändernden Umweltbedingungen im Oberen Pleistozän (ca. 127−11,7 ka) und speziell im (späten) marinen Isotopenstadium (MIS) 3 (59−29 ka cal BP) und MIS 2 (29−11,7 ka cal BP), die in einem archäologischen Kontext dem Jungpaläolithikum entsprechen. Es wird angenommen, dass die sich ändernden klimatischen Bedingungen während der letzten Eiszeit und der jeweiligen Kulturperioden des Gravettian (33−25 ka cal BP) und des darauffolgenden frühen Epigravettian (25−20 ka cal BP) zu Veränderungen in der Umwelt und damit zu Veränderungen in der menschlichen Lebensweise und der kulturellen Entwicklung führten. Menschliche Subsistenzmuster lassen sich daher besonders gut im archäologischen Kontext ermitteln, weshalb an den bekannten jungpaläolithischen Fundstellen Krems-Wachtberg, Krems-Hundssteig und Kammern-Grubgraben in Niederösterreich die sich verändernden paläoökologischen Bedingungen untersucht wurden. Insgesamt wurden dazu drei natürliche Archive, und zwar (1) Löss-Paläosol-Sequenzen, (2) Tierknochen und (3) Pferdezähne zur Rekonstruktion der Paläoumwelt verwendet. Für die Rekonstruktion der zeitlichen und räumlichen Muster von Umweltveränderungen und um ein robusteres Bild der Klimavariabilität zu erhalten, wurden verschiedene Proxies verwendet. Löss-Paläosol-Sequenzen wurden analysiert, um Isotopen- und geochemische Proxies sowie verschiedenes Material für Radiokarbondatierungen zu testen und die Zeit zwischen dem späten MIS 3 und dem MIS 2 zu überbrücken. Ein basaler Tundragley im untersuchten Lössabschnitt konnte dem Grönland Interstadial 4 oder 3 zugeordnet werden, wie Radiokarbondaten aus Holzkohlepartikeln zeigten. Sedimentologische und Elementanalysen deuten auf einen Feuchtigkeitsgradienten hin, der von feuchteren und wärmeren Bedingungen während der Bildung älterer Sedimente zu trockeneren und kälteren Bedingungen im oberen Bereich führt. Die Sauerstoffisotope in pedogenen Karbonaten erwiesen sich als ungeeignet für die Rekonstruktion der Paläoumwelt, da ihr Radiokohlenstoffalter ein holozänes Alter ergab. Die Lössprofile waren also zumindest teilweise von tiefwurzelnder holozäner Vegetation überlagert, was darauf hindeutet, dass längere und ungestörte Lößprofile für künftige Studien besser geeignet sind. Mit Hilfe stabiler Isotopentechniken (δ13C und δ15N) an Skelettresten von Tieren wurden Paläoumgebungen und Ernährungsgewohnheiten untersucht, um Veränderungen in der Ökosystemdynamik zwischen dem frühen Gravettian- und der frühen Epigravettian-Kulturperiode zu bewerten. Die Nahrungsnetze des späten MIS 3 zeichnen sich durch breite Isotopennischen aus und spiegeln im Vergleich zum MIS 2 abwechslungsreichere Landschaften wider. Die Nischenaufteilung zwischen Rentier und Steinbock auf der einen Seite und Pferd, Mammut und Hase auf der anderen Seite war in beiden Perioden vorherrschend, was auf Unterschiede zwischen den Arten in Bezug auf Lebensraum und Ernährung schließen lässt. Die gravierende Klimaverschlechterung ab dem späten MIS 3 wurde nur durch zwei kurz andauernde Grönland-Interstadiale mit einer Klimaverbesserung unterbrochen. Die darauffolgenden, anhaltend rauen Klimabedingungen während des MIS 2 führten jedoch zu einem Rückgang der Isotopennischen aller pflanzenfressenden Taxa, am auffälligsten jedoch beim Wollhaarmammut. Die jahreszeitliche Klimavariabilität wurde anhand von Analysen stabiler Isotope (δ18O) von Pferdezähnen abgeschätzt und ergab für beide Perioden ein polares Tundrenklima mit mittleren Jahrestemperaturen von 5,7 ± 3,1 und 3,5 ± 2,9 °C für die Untersuchungsstandorte, die auf das späte MIS 3 bzw. das MIS 2 datiert wurden. Wie die Rekonstruktionen der Paläotemperaturen nahelegen, wurde sowohl der Gravettian-Fundplatz Krems-Wachtberg, sowie der Epigravettian-Fundplatz Kammern-Grubgraben während kühlen und höchstwahrscheinlich stadialen Bedingungen besiedelt. Klimabedingte Veränderungen in der Paläoumwelt führten zu einem Rückgang von Beutetierarten wie dem Wollhaarmammut und sind untrennbar mit dem Rückgang der menschlichen Population im Untersuchungszeitraum verbunden. Hinsichtlich der menschlichen Entwicklung ist davon auszugehen, dass hocheffiziente Anpassungsmechanismen wie veränderte Jagdstrategien oder die Wahl geschützter Standorte nach dem extremen Bevölkerungsrückgang im Spätgravettian zu einer Phase des erneuten Bevölkerungswachstums im Epigravettian geführt haben. Letztlich konnte gezeigt werden, dass ein umfassendes und robustes Bild nur durch eine Kombination von Methoden gewonnen werden kann. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis über klimabedingte Umweltveränderungen während der letzten Eiszeit im östlichen Mitteleuropa und verbessert das Wissen über die menschliche Subsistenz im Untersuchungsgebiet Niederösterreichs. So konnte anhand einer Proxy-Auswertung im sedimentologischen Kontext gezeigt werden, dass sekundäre pedogene Karbonate für paläoökologische Rekonstruktionen nicht geeignet waren. Aufgrund der starken Klimaverschlechterung führten Umweltveränderungen zu einem Einbruch der Isotopennischen wichtiger Beutetierarten zwischen 30−24 ka. Schließlich wurden zum ersten Mal absolute Temperaturen für das späte MIS 3 und das MIS 2 im Untersuchungsgebiet rekonstruiert.