The study of a past interglacial vegetation change as a tool to understand the human role in hydrological changes

Examining sedimentary records from previous interglacial periods provides valuable insights into past climate variability and ecosystem responses to warmer conditions. This research addresses important gaps in our understanding of the global water cycle and ecological adaptations of vegetation to past climate changes that could be directly compared to changes during current global warming. This PhD thesis analysed pollen samples from the carbonated sediments from Fucino Basin in the Central Apennines, which is an ideal location to study vegetation dynamics within a mountainous and Mediterranean climate during the interglacial period corresponding to Marine Isotope Stage (MIS) 11 (ca. 424-367 ka). The first stage of MIS 11 interglacial complex (MIS 11c; ca. 426–396 ka) is particularly interesting due to the fact that it represents one of the longest and warmest interglacial phases within the last 800 ka, with approximate mean global temperatures 0.5–0.7°C higher and sea level around 6–13 meters above pre-industrial Holocene ones, respectively. In absence of anthropogenic influences, MIS 11c, being an orbital analogue of the late Holocene (MIS 1), facilitates the examination of ecosystem responses to naturally warmer climates. High-resolution palynological analyses conducted on Fucino Basin sediments reveal millennial-scale climatic oscillations spanning from 430 ka to 388 ka, including the latter phase of MIS 12 glacial period, the Glacial Termination V (T-V), and most of MIS 11. The Fucino F4-F5 composite record provides one of the few independent radiometrically constrained chronologies for MIS 11, allowing direct comparisons to other regional and global climatic and palynological datasets. The T-V was one of the most pronounced climatic transitions of the Pleistocene, forming part of the major climatic reorganisation known as the Mid-Brunhes Event (MBE). This event, recorded at 424.5 ± 4.0 ka in Fucino, reflects a substantial shift from a cold, arid phase, with a dominance of herbaceous and xerophytic taxa including Poaceae, Artemisia, Amaranthaceae, Ephedra, and Hippophäe and siliciclastic-dominated sedimentation, to a warm, humid phase marked by increased Abies and a deciduous arboreal assemblage including Quercus, Carpinus, Corylus, and Ulmus, and dominated by a calcareous sedimentation, more organic than in the glacial. The warm and humid conditions recorded throughout MIS 11c in Fucino are consistent with climate reconstructions from other lakes in the Mediterranean region, such as Lake Ohrid and Ioannina, where similarly humid conditions are recorded. Notably, Abies dominated the surrounding vegetation in the Fucino Basin, evidencing high regional humidity. The Fucino Basin pollen record reveals the sensitivity of mesothermic and altitudinal taxa to insolation fluctuations. A significant arid event occurred between 415 ka and 413 ka, dividing the two precessional cycles that formed the MIS 11c interglacial. This event, described in the palynological record for the first time, may correspond to a global climate signal, as it aligns with lower sea surface temperatures and drier conditions in other records from marine context. This study also calculated pollen-based quantitative paleoclimatic reconstructions using weighted averaging partial least squares (WA-PLS) regression. These reconstructions allow for direct comparisons with current climate parameters, elucidating the impact of natural climatic oscillations on vegetation dynamics during MIS 11c. The results show that vegetation dynamics in the Fucino Basin was highly influenced by insolation-driven climate variability, which contributes to a better understanding of past climate dynamics and vegetation responses. This PhD thesis provides both qualitative and quantitative data that are important for contextualising current anthropogenic impacts on ecosystems by contrasting them with natural climatic and ecological trends observed in the orbital interglacial analogue MIS 11c. These findings highlight the relevance of paleoclimatic studies in improving our understanding of natural climate variability and its implications for future climate responses.

Lo studio de gli archivi documenti sedimentari dei periodi interglaciali passati fornisce importanti indicazioni sulla variabilità climatica del passato e sulle possibili risposte degli ecosistemi a condizioni più calde. Questa ricerca affronta importanti lacune nella comprensione del ciclo globale dell'acqua e degli adattamenti ecologici della vegetazione ai cambiamenti climatici del passato, che potrebbero essere direttamente confrontati con i cambiamenti durante l'attuale riscaldamento globale. Questa tesi di dottorato ha analizzato campioni di pollini provenienti da sedimenti carbonatici del bacino del Fucino nell'Appennino centrale, un sito ideale per la definizione delle dinamiche della vegetazione in un ambiente montuoso mediterraneo durante il periodo interglaciale corrispondente allo Stadio Isotopico Marino (MIS) 11 (ca. 424-367 ka). La prima fase del MIS 11 (MIS 11c; circa 426-396 ka) è particolarmente interessante poichè rappresenta una delle fasi interglaciali più lunghe e calde degli ultimi 800 ka, con temperature medie globali superiori di 0.5-0.7 °C rispetto all’attuale e livello del mare di circa 6-13 m più elevato rispetto ai valori dell'Olocene preindustriale. Il MIS 11c è considerato un analogo orbitale dell'Olocene e consente lo studio delle risposte degli ecosistemi a climi naturalmente più caldi, non essendo interessato dall'impatto antropico. Le analisi palinologiche ad alta risoluzione dei sedimenti del bacino del Fucino rivelano oscillazioni climatiche millenarie tra 430 ka e 388 ka, nell'intervallo compreso tra l'ultima fase del periodo glaciale MIS 12, la Terminazione Glaciale V (T-V), e gran parte del MIS 11. L'indagine della carota Fucino F4-F5 offre una delle rare cronologie indipendenti con datazione radiometrica per il MIS 11, permettendo confronti diretti con i dati climatici e palinologici provenienti da registri regionali e globali. La T-V è stata una delle transizioni climatiche più marcate del Pleistocene e parte di una delle maggiori riorganizzazioni climatiche note come Mid-Brunhes Event (MBE). Questa transizione, datata a 424.5 ± 4.0 ka nel Fucino, evidenzia un sostanziale passaggio da una fase fredda e arida - caratterizzata dalla dominanza di taxa erbacei e steppici come Poaceae, Artemisia, Amaranthaceae, Ephedra e Hippophäe e da sedimentazione prevalentemente siliciclastica - a una fase calda e umida, contraddistinta dalla presenza di Abies e da un’associazione di alberi decidui (Quercus, Carpinus, Corylus, e Ulmus), con sedimentazione prevalentemente organica e calcarea. Le condizioni calde e umide registrate lungo il MIS 11c nel Fucino trovano riscontro nelle ricostruzioni climatiche di altri altri laghi della regione mediterranea, come i laghi di Ohrid e Ioannina. In particolare, la dominanza di Abies nella vegetazione circostante nel bacino del Fucino testimonia un'elevata umidità regionale. Il record pollinico del bacino nel Fucino rivela la sensibilità dei taxa mesotermici e altitudinali alle variazioni dell'insolazione. Un significativo evento arido, identificato tra 415 ka e 413 ka, separa i due cicli precessionali dell'interglaciale MIS 11c. Questo evento, documentato per la prima volta in un record palinologico, potrebbe rappresentare un segnale climatico globale, correlandosi con temperature superficiali marine inferiori e condizioni più aride in altri record del contexto marino. Le ricostruzioni paleoclimatiche quantitative, basate su analisi polliniche mediante regressione dei minimi quadrati parziali medi ponderati (WA-PLS), consentono un confronto diretto con i parametri climatici attuali, chiarendo l'impatto delle oscillazioni climatiche naturali sulle dinamiche della vegetazione durante il MIS 11c. I risultati mostrano che le dinamiche della vegetazione nel bacino del Fucino sono state fortemente influenzate dalla variabilità climatica dovuta all'insolazione, contribuendo a una migliore comprensione delle dinamiche climatiche passate e delle risposte della vegetazione. In conclusione, questa tesi di dottorato fornisce importanti dati qualitativi e quantitativi per contestualizzare gli attuali impatti antropici sugli ecosistemi, confrontandoli con le tendenze climatiche ed ecologiche naturali osservate nell'analogo interglaciale MIS 11c. I risultati sottolineano l'importanza degli studi paleoclimatici per la comprensione della variabilità climatica naturale e le sue implicazioni per le risposte climatiche future.