Global assessment of marine paleoproductivity proxies

Abstract

La productivitat primària (PP) marina és un procés clau en el cicle global del carboni marí i, per tant, en el clima del nostre planeta. L’obtenció d’informació quantitativa de PP en el passat es basa en models biogeoquímics, ja que les proxies de paleoproductivitat actuals són qualitatives. A més, l’aplicabilitat a escala global d’aquestes proxies, i les seves limitacions, romanen incertes. L’objectiu d’aquesta tesi és avaluar l’aplicabilitat i les limitacions d’algunes de les proxies orgàniques més utilitzades per obtenir informació sobre l’exportació de biomassa i condicions nutricionals en superfície, i avaluar el seu potencial per proporcionar informació quantitativa en escales d’espai globals. El plantejament central abordat en aquesta tesi es basa en la comparació de la concentració de clorofil·la-a a la superfície oceànica (SSchla) mesurada per teledetecció, com a indicador de la PP marina, amb concentracions de sediment superficial de clorines, alquenones i carboni orgànic total (TOC). A més, l’estudi de proxies de nutrients es basa en la comparació de la senyal isotòpica de nitrogen (δ15N), derivada de sediment total i de pigments clorofíl·lics sedimentaris. Un resultat clau és que la distribució espacial global de clorines i alquenones està principalment relacionada amb la concentració de SSchla, en comptes de processos deposicionals (p. ex. diagènesis). Tanmateix, la concentració de clorines sedimentàries està relacionada amb la SSchla a través d’una relació no lineal, mentre que les alquenones i el TOC per una equació lineal. El TOC global presenta una major dispersió que els biomarcadors en la seva correlació amb la SSchla global. La diagènesis juga un paper en la descomposició de matèria orgànica durant la deposició, i hem estimat que només un 0.33% de la SSchla s’acumula en els sediments. Tanmateix, també hem postulat que la velocitat de degradació és constant en l’espai. Per tant, els nostres resultats indiquen que les clorines i les alquenones es poden utilitzar per reconstruir quantitativament PP en el passat a escala global. Aquestes proxies presenten errors més baixos que el TOC en l’estimació de PP quantitativa. Respecte a les proxies nutricionals, les nostres dades mostren una relació lineal entre la δ15N derivada de sediment total i de pigments clorofíl·lics sedimentaris, el que suggereix que les clorines no reflexen la senyal de la clorofil·la-a, i pot complicar l’ús de les clorines individuals com a proxies de nutrients. Aquest estudi destaca les limitacions de l’aplicabilitat del TOC com a proxy quantitativa de paleoproductivitat a escala global, i les potencials limitacions en l’ús de clorines individuals per reconstruir condicions nutricionals i la PP en el passat. Els nostres resultats també mostren el potencial d’alguns biomarcadors com a proxies quantitatives de PP, a través de correlacions que es poden aplicar a escala global en sediments marins.

Ocean primary productivity (PP) is a key driver of the global marine carbon cycle and thus, the climate of our planet. Obtaining quantitative information on past PP relies on biogeochemical models since current paleoproductivity proxies are qualitative at best. Moreover, the global scale applicability of such proxies and their constraints remains unclear. The objective of this thesis is to evaluate the applicability and constraints of some of the most frequently used organic proxies to obtain information on biomass export and surface nutrient conditions, and appraise their potential to deliver quantitative information on global spatial scales. The central approach followed in this thesis relies on the comparison of remote sensing sea-surface ocean chlorophyll-a (SSchla) concentration, as an indicator of marine PP, with global surface sediment data of chlorins, alkenones and total organic carbon (TOC) concentration. In addition, the study on nutrient proxies is based on the comparison of nitrogen isotopic signal (δ15N) derived from sedimentary bulk and chlorophyllic pigments. A key result is that the global spatial distribution of chlorins and alkenones is mainly related to SSchla concentration rather than depositional factors (e.g. oxygen and sedimentation rate). However, sedimentary chlorins concentration is linked to SSchla by a non-linear relationship, while alkenones and TOC by a linear equation. Global TOC presents higher scatter than biomarkers on its correlation with global SSchla. Depositional factors do play a role in decomposing organic matter, and we estimate that only 0.33% of SSchla accumulates in sediment. However, we also postulate that the rate of degradation is spatially constant. Hence, our results indicate that chlorins and alkenones can be used to quantitative reconstruct past PP at global scale. These export proxies would deliver lower errors on past PP quantitative estimation than TOC. Regarding to nutrient proxies, our data show a linear relationship between δ15N of bulk and chlorophyllic pigments, which indicate these proxies globally provide equivalent information on past nutrient conditions and past PP. Furthermore, δ15N presents considerable differences between pigments, which suggests chlorins might not track chlorophyll-a signal, and complicates the application of individual chlorins as nutrient proxies. This study highlights the limitations on the applicability of TOC as a quantitative paleoproductivity proxy at global scale, and the potential constraints on the use of individual chlorins for reconstructing past nutrient conditions and past PP. Our findings also pave the way for the use of biomarkers as global quantitative proxies of past PP using globally applicable correlations in ocean sediments.