DFG Final Report: Late Quaternary climate and environmental reconstruction based on lake and peat sediments from the central southern Cape region of South Africa

The aim of this project was to substantially improve our understanding of Late Quaternary paleoenvironmental dynamics in southern Africa, particularly in the southern Cape region. To achieve this, a high-resolution multi-proxy approach was applied to sediment sequences from Vankervelsvlei (a fen) and Voёlvlei (a coastal lake), covering the Holocene and parts of Ma-rine Isotope Stage (MIS) 3. These archives represent rare but highly valuable records in a region where natural sedimentary archives are scarce and often discontinuous. Within this project, a previously recovered 14.6 m core from Vankervelsvlei and a 13 m core from Voёlvlei were analysed using a consistent methodological framework. This included el-emental and grain-size analyses, as well as compound-specific stable isotope analyses of leaf wax-derived n-alkanes (δ²H) and hemicellulose-derived sugars (δ¹⁸O). This dual-isotope “paleohygrometer” approach enables quantitative reconstructions of precipitation sources, relative humidity, and evapotranspiration, key climatic parameters that have previously been overlooked or unresolved in the region. At Vankervelsvlei, Holocene fire and hydroclimate dynamics were reconstructed using mac-ro-charcoal and PAH data alongside isotopic records. The results indicate complex shifts in rainfall seasonality, with alternating dominance of Westerly-derived winter and Easterly/local summer rainfall over the past 7200 years, linked to regional moisture balance and fire activity. Large-scale climate modes, such as El Niño, likely played a role in modulating short-term hy-droclimate variability. The long-term Vankervelsvlei record additionally provided insight into the last ~250 ka. The driest conditions occurred during MIS 6–5e and 2, whereas MIS 5a and parts of MIS 3 were relatively moist. Glacial–interglacial shifts in precipitation source and sea-level-induced changes in continentality strongly influenced hydrological balance and sedimentation. The Voëlvlei core, covering 8500 years, complements these findings. It documents a marine phase during the early Holocene and subsequent transitions from Westerly- to Easterly-dominated rainfall, with several abrupt hydroclimatic shifts. These trends are consistent with other regional studies and highlight the dynamic interplay between precipitation source, sea-sonality, and moisture availability through the Holocene. In addition, surface soil studies across modern environmental gradients tested the reliability of the paleohygrometer approach. While δ²H of n-alkanes correlated well with precipitation iso-topes, δ¹⁸O of sugars was strongly influenced by evapotranspiration. In ecosystems dominat-ed by non-CAM plants, reconstructed δ²H, δ¹⁸O, and relative humidity showed good agree-ment with observed values. In summary, the project generated new high-resolution records and methodological innova-tions, confirming that Late Quaternary climate in the southern Cape was markedly more vari-able than previously assumed.

Ziel des Projekts war es, das Verständnis der spätquartären Paläoumweltentwicklung im süd-lichen Afrika, insbesondere der südlichen Kapregion, wesentlich zu verbessern. Dies wurde durch einen multi-proxy Ansatz erreicht, der Moor- und Seesedimente aus den Zeiträumen des Holozäns und Marinen Isotopenstadiums (MIS) 3 analysierte. Aufgrund der bislang gerin-gen Anzahl natürlicher Klimaarchive und methodischer Limitationen war der spätquartäre Klimaverlauf der Region bislang unzureichend geklärt. Im Rahmen des Projekts wurden aus den beiden vor dem Projekt erbohrten Geoarchiven Vankervelsvlei und Voëlvlei umfangreiche Proben entnommen und mit identischen, hochauf-lösenden Methoden untersucht. Neben klassischen Element- und Korngrößenanalysen wur-den erstmals in der Region die stabilen Wasserstoffisotope von Blattwachsen (δ²Hn-alkane) und Sauerstoffisotope von hemicellulosebasierten Zuckern (δ¹⁸OZucker) gekoppelt, um Nieder-schlag, Evapotranspiration und relative Luftfeuchtigkeit quantitativ zu rekonstruieren. Die Analyse des Vankervelsvlei lieferte erstmals eine hochauflösende Hydroklimarekonstruk-tion der letzten 7,2 ka. Sie zeigt eine komplexe Entwicklung mit wechselnden Einflüssen westlicher Winter- und östlicher Sommerregenquellen sowie variabler Feueraktivität, die eng mit Niederschlagsdynamik und Großklimaphänomenen wie El Niño verknüpft ist. Die länger-fristigen Daten aus dem Vankervelsvlei weisen auf Phasen mit trockeneren Bedingungen im späten Pleistozän (MIS 6 bis 5e und MIS 2) sowie wechselnd feuchtere Intervalle im Holozän hin. Die Voëlvlei-Sequenz ergänzte die regionale Paläoumweltrekonstruktion um Erkenntnisse zu Meeresspiegelschwankungen und deren Einfluss auf das hydroklimatische System. Sie zeigt marine Einbrüche im frühen Holozän, gefolgt von einem Wechsel zwischen Westerly- und Easterly-dominierten Regenereignissen mit mehreren kurzen, intensiven Variabilitätsphasen, die sich mit anderen regionalen Datensätzen decken. Ein methodischer Schwerpunkt lag auf der Evaluation des kombinierten Einsatzes von δ²Hn alkane und δ¹⁸OZucker als „Paleohygrometer“. Analysen rezenter Oberböden zeigten, dass diese Methode in Gebieten ohne dominierende CAM-Pflanzen verlässliche quantitative Rück-schlüsse auf Niederschlagssignal und relative Luftfeuchtigkeit ermöglicht. Dies erlaubt robus-te Interpretationen klimatischer Veränderungen. Insgesamt lieferte das Projekt neue, hochauflösende Daten und Methoden für das Spätquar-tär, die zeigen, dass die hydroklimatische Variabilität entlang der südlichen Kapküste Südafri-kas komplexer und dynamischer war als bisher angenommen. Die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Zirkulationssystemen, Meeresspiegelschwankungen und lokalen Umwelt-faktoren ist entscheidend für das Verständnis des Klimasystems dieser Region. Die Ergebnis-se schaffen damit eine wichtige Grundlage für zukünftige, integrative Studien zum Klima der südlichen Hemisphäre im Spätquartär.