文丘里效应可助我们拯救树木

摘要

与大多数需要对树木进行钻孔的传统打孔法相比，使用透镜状刀片的工具改变了内吸疗法的基本操作，便于伤口闭合，并促进溶液的自然吸收。

摘要

在木本植物中，由于从地下水到冠层叶片的水势呈递减梯度，木质部汁液通过导管向上运输。根据这些因素及其动态变化，可将少量与汁液相容的液体（例如 农药）注入木质部系统，使其从内部到达作用靶标。这种内吸式处理方法称为"树干注射"或"树干输注"（取决于操作者是否施加外部压力），可将施用的化学物质限制在目标树木内部，因此在城市环境中尤为适用。传统钻孔方法的广泛应用受限，主要原因是需在树干周围钻孔以穿透树皮并进入其下的木质部导管，而这些孔洞会带来一系列负面副作用。

意大利帕多瓦大学近期开发了一种手动、无需钻孔的器械，其带有小型多孔刀片，可通过分离木质纤维以最小摩擦力插入树干。此外，透镜状的刀片可减小导管的横截面积，从而提高树液流速，当蒸腾速率较大时，可促使外部液体自然上升至叶片。由于植物组织的天然弹性和膨压，刀片取出后切口会迅速部分闭合，而形成层的活动则可在数周内完成愈合过程。

引言

近年来，树干内治疗法已逐步取代了木本植物上传统的空气喷雾方法^1-6，但这并非新近的想法。早在15^th 15世纪，列奥纳多·Da Vinci 详细描述了他如何用锥子在苹果树树干上钻出深孔，再将砷溶液注入其中，从而使苹果产生毒性⁷自那以后变化不大：原本容易从自然界获取的化学物质逐渐被更高效的合成活性成分所取代（如杀虫剂、杀菌剂、杀细菌剂、肥料、植物生长调节剂和脱叶剂）。大气压喷雾发展为高压喷雾，手动螺旋钻也已被现代电池驱动的电钻所替代。^8-10遗憾的是，即使是最锋利的钻头也会撕裂并使负责愈合孔洞的形成层组织过热。因此，伤口闭合被延迟，邻近的大片木质组织失去功能。"变色木材"从注射部位向上和向下延伸数英尺¹¹此外，未封口的孔洞容易被由渗出树液吸引的细菌和真菌定殖，导致木材内部长期腐烂，进而造成木材强度和稳定性的丧失^12,13.

认识到：1）一组纵向纤维按照透镜状双凸几何形态分离（图1a）；2）液体在导管中的流动符合流体动力学中的伯努利原理。基于此，2011年帕多瓦大学设计出一种新型¹⁴无需钻孔的内疗仪器，该仪器具有一个基本的、透镜状双凸且中空的刀片，可插入木材并使其纤维分离。通过这种方式，可到达内部木质部导管，且摩擦最小（图1b）；导管截面积的暂时减小会提高液流速度，从而加速对外源液体的自然吸收（图1c，视频1）^15,16。

方案

1. 根据树木内疗法的一般原则，建议在晴朗、有风的天气条件下，于芽萌动期至夏末期间进行处理。¹⁷.
2. 佩戴手套、防护眼镜及其他根据现行法规要求的安全防护设备。
3. 熟悉仪器的拆卸与重新组装。其主要组件如下所述： 图2.
4. 熟悉以下步骤中所述的方法及 视频 2开始在未修剪、树皮光滑、树冠充分发育且叶片宽大的树上用水练习输注技术（即 悬铃木属 sp.， 栎属 sp.）
5. 仅使用有毒液体（杀虫剂、杀菌剂、干燥剂） 等等。根据当地或国家法规授权用于树木注射，并按照生产商说明进行稀释（参见标签）。
6. 在胸径高度测量树木的周长（周长 = 直径 × 3.14），并根据液体生产商提供的技术信息计算所需溶液的用量即 若CFR为190 cm，剂量为0.7 ml/cm，则将注入133 ml的稀释液体。
7. 根据胸径（diam）或胸围（crf）计算需钻孔的数量，预计每25-30 cm胸围钻1个孔，并将计算结果向上取整至下一个整数即 190 厘米 crf = 6.3 = 7 个端口
8. 根据最终的端口数量重新计算端口之间的距离（即 190 厘米/7 个端口 = 27 厘米
9. 计算液体/端口的最终体积即 总共 133 毫升/7 个端口 = 每个端口 19 毫升。
10. 使用预填充胶囊时，根据制造商的说明计算端口数量。
11. 选择等距的插入位点（即 7) 沿地面以上前150 cm的树干周长，优先选择根部膨大处上方轻微凸起且光滑的部位。
12. 避免选择插入部位上方或下方存在可能干扰树液流动异常的部分（即 节疤、木材腐朽、修剪切口
13. 如有必要，可用刀片将树皮表面轻轻刮平，以便外部垫圈与树皮完全贴合。若该部位过于粗糙或弯曲，可将位置向一侧移动几厘米。
14. 选择与树皮厚度和树干直径均相匹配的刀片长度，并将其拧紧至仪器主体上。对于阔叶树，刀片至少需插入木质部组织2 cm；对于针叶树和棕榈科植物，由于需穿透树脂道或因单子叶植物解剖结构特点，建议使用更长的刀片。
15. 使用合适体积的一次性药用注射器（最经济且有效的选择），抽取单次插入所需的溶液即 17.14 ml），保持针芯插入深度至少 3 cm（即 20 ml 注射器
16. 作为注射器的替代品，可使用任何用于树木注射的容器（即 滴注袋、可重复填充的注射器、预填充胶囊、外置储液罐）需适配工具臂上的锥形孔（皮下注射针头雌性标准）或1/8英寸螺纹。
17. 用手牢固握住树干，将刀片朝向树的中心。刀片的刃口必须与纤维方向平行（即 垂直方向。
18. 用另一只手敲击滑动锤，直至外部的乳胶垫圈完全被压紧。
19. 将注射器插入锥形开口，轻柔地拉出活塞：在敲击过程中进入仪器的空气会通过液体排出。活塞的阻力表明刀片已完全插入。注意：使用不同的连接件时，无法抽出空气，治疗速度将会减慢。
20. 等待完全吸收。
21. 若输注速度较快（即 10 ml/1 分钟），为减少端口总数，可在容器排空前补充液体，然后重新计算端口数量。注意：为确保液体在冠层中均匀分布，建议每 40 cm 周长至少设置一个端口。
22. 若输注时间过长（超过1 ml/min）； 即 在阴天或针叶树、棕榈科植物上时）切换至光照注入模式，重新插入活塞，并用拇指施加低压，或 将工具连接至加压储罐（约 1.5 bar 图3a和b).
23. 如果未发生注射，则将治疗推迟至适宜的生理和气候条件出现时进行。
24. 当容器排空后，等待残余液体流出刀片（8–10 秒），取下注射器，通过反向敲击锤子将刀片拔出。
25. 移动到下一个端口。
26. 如果需要或必须对伤口进行保护，可使用惰性蜡或愈合胶。注意：含有杀虫剂的修枝或嫁接用胶可能对形成层具有植物毒性，会延缓伤口愈合。
27. 对于受传染性疾病影响的植物，在处理后需对刀片和仪器主体进行消毒。在条件允许的地区，可使用酒精或过氧化氢。若采用热力消毒，应先取下外部及两个内部的橡胶密封圈，单独处理或更换。

结果

由于其尺寸小且形状独特，透镜形刀片不会去除形成层和木质组织，与传统的钻孔相比，伤口明显更小（图4a）。通常情况下，钻孔边缘会因钻孔过程中产生的过热而被形成层组织缓慢地隔离（图4b1）。相反，在使用透镜形刀片处理同一棵树后，木质纤维会恢复到原来的形状，且形成层在数天内即开始产生分生组织。主要在阔叶树中，剥去树皮后可观察到这一现象（图4b2 和 图4c）。通常几个月后，伤口即可完全愈合，仅残留少量下方变色的木材（图5），因此若该树木不用于高质量木材生产，则可进行后续处理。

由于其形状，刀片会产生“文丘里效应”。当管道内流体速度较大时，就会发生这种物理现象（视频 1）；在树木中，影响树液流速的主要变量与叶片的蒸腾作用有关。根据我们的初步结果，在具有环孔材或半环孔材的阔叶树种中，以及当液体被施加于靠近基部或根部凸起处的凸面或平面时，输注速度更快（视频 2；...

讨论

尽管树木内吸疗法（endotherapy）已被公认具有环境优势，但迄今为止，限制该方法更广泛使用的主要因素与传统加压法所用钻孔带来的负面副作用有关（即 伤口愈合延迟、通过孔洞引发寄生感染、产生无活性的变色木材）。

与其他方法相比，所述方法旨在顺应宿主生理特性，认为递送速率对治疗成功而言并不重要。

从专业操作人员的角度来看，这是该技术的一个局限性。事实上，基于外部压力的方法在次优条件下也能实现可预测的递送时间，因而每天可规划处理的植株数量。而采用所述技术时，吸收速度则直接取决于通过叶片蒸腾作用同时分散的水量，在次优条件下，吸收速度可能低于预期。此时，可通过施加不超过1.5 bar的轻微外部压力来促进吸收。根据项目方案，在叶片蒸腾作用不理想时，建议等待更适宜的条件。

一个关键问题涉及液体在木本植物体内的分布。事实上，尽管关于压力注射的科学数据非常丰富，但目前对于通过输注方式施加化学物质时，如何实现化学物质在整个树木中最佳循环的动力学过程仍知之甚少。意大利帕多...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
双特异性T细胞衔接器（BITE）	Vitzani srl，意大利卡多雷佩拉罗洛