利用X射线计算机断层扫描进行树木年轮分析

摘要

本文展示了如何使用X射线计算机断层扫描工具链处理树木年轮样本。除特定目的所需的化学提取外，无需其他物理性实验室处理步骤。该工具链可用于生物量估算、最大密度/年轮宽度数据获取，以及定量木材解剖学数据的获取。

摘要

本文介绍了一种X射线计算机断层扫描（CT）工具链，可用于获取年轮宽度（TRW）、最大晚材密度（MXD）、其他密度参数以及定量木材解剖学（QWA）数据，而无需进行耗时的表面处理或任何物理样品制备。重点在于生长轮钻芯样品在60 µm至4 µm分辨率范围内的扫描流程。定义了三个观察木材的尺度：（i）年轮间尺度，（ii）年轮尺度，即年轮分析与密度测量尺度，以及（iii）解剖学尺度，后者接近传统切片的质量水平。针对每个尺度专门设计的样品支架，可实现多个生长轮钻芯的高通量扫描。为高效处理树木钻芯的三维X射线CT图像以获取TRW和密度测量数据，开发了一系列专用软件程序。本文简要阐述了CT的基本原理，以帮助正确理解本实验方案。该方案适用于一些树轮年代学中常用的已知树种。结合粗略的密度估算、TRW与MXD数据以及定量解剖学数据，有助于拓展和深化当前在气候重建、树木响应研究方面的分析，并进一步推动树轮生态学/气候学及考古学领域的发展。

引言

木材密度是一个易于测量的变量¹，可反映木材的解剖学和化学特性²。在估算地上生物量时，木材密度是一个重要的加权变量^3,4,5，需与树木的尺寸以及代表木材碳含量的因子相乘。木材密度与木材的力学特性密切相关⁶，并反映树木的生活史特征⁷。

细胞壁密度的测量值约为1500 kg/m³，通常被认为相对恒定⁸，但也应考虑年轮内细胞壁密度的变化^8,9。木质细胞（针叶树中一般为管胞，阔叶树中为导管、薄壁组织和纤维）的排列方式和形态各不相同，这些细胞的细胞壁厚度和腔体大小也存在差异¹⁰。因此，木材密度在不同树木之间、同一棵树内部（轴向和横向）以及单个年轮内的短距离范围内均存在变化^11,12。在许多....

方案

1. 钻取岩心样品

1. 使用 Pressler 钻取样器对树木进行取样。有关如何手动钻取树芯，请参考相关文献³⁹。本技术流程适用于直径为 5.15 mm 的树芯。
2. 将树芯不粘胶地放入 6 mm 的纸质吸管中，或放入其他无需使用胶水的容器中。切勿将树芯粘在木质支撑物上。如果树芯已固定在载片上，应根据所用胶水类型，使用解剖刀/锯子或溶剂将其拆下。
3. 避免将树芯包裹在塑料管中，应先尝试将其干燥，以防止霉菌生长和真菌降解。
4. 请使用铅笔在纸质吸管上书写标记，因为提取过程可能导致记号笔字迹褪色。
   注意：本技术流程同样适用于 4 mm 的树芯。已固定并打磨好的树芯也可使用，但需先将其拆下。对于考古样品或残存木材，需通过锯切或修整方式制备出与树芯尺寸相当的样品用于扫描。

扫描前岩心准备

1. 乙醇/甲苯或乙醇或丙酮处理⁴⁰ 索氏提取至少24 h（图 4A，B）。这是为了确保无树脂的木材体积，从而进行准确的密度计算（树脂会衰减信号， 图 4C

结果

如果目标是估算大量样本的生物量或树木生长增量，即年轮间尺度（图1），则使用样本架1（图5）对样本进行扫描，以获得密度分布（见步骤5.4.3）和树木生长的估算值，例如适用于具有较大年轮宽度的速生树种，此时可采用较粗的分辨率。图12展示了来自刚果盆地树种T. superba的髓心至树皮方向及轴向密度变化趋势的示例。这些图谱基于从树干不同高度位置获取的树木年轮样本芯，经110 µm分辨率扫描所得数据生成。

对于使用样品架2（图5B）扫描样本核心所针对的年轮尺度（图1），可进行树木年轮分析和最大密度（MXD）计算。一个示例如图13所示，该图绘制了来自南非赛德伯格山脉的W. cedarbergensis.......

讨论

方案中的关键步骤
方案中的关键步骤包括正确操作生长锥以获取高质量的钻取芯样（步骤 1.1.，参见³⁹），避免产生碎屑。接下来，必须保持芯样不固定（但参见²⁶），这既是为了将其插入样品 holder（图5，参见²¹），也是为了有效提取树脂⁵⁰，以及可能的后续分析。在扫描前（步骤 2.2.2.），将样品在扫描仪房间内进行平衡处理至关重要，以防止因湿度波动导致的尺寸形变。随后，当在 RingIndicator 模块中可识别年轮时，必须准确标定年轮边界和角度，因为密度峰值可能出现平坦化，类似于传统密度测定系统中标定不准确的情况¹³。标定对于获得准确的年轮宽度测量值也十分重要²¹。下一个关键步骤是通过 CoreComparison 模块进行正确的交叉定年（步骤 4.4.1.）。若某些芯样的标定.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
6 毫米纸质吸管	http://artstraws.com/education/product/artstraws-thick-asst-cols/		钻孔取样
铝制样品芯持有器
ASTM 标准 ASTM D 1107 – 96
纸板邮寄管	https://www.rajapack.co.uk/envelopes-mailing-bags/postal-tubes/1-5-2mm-brown-cardboard-postal-tubes_PDT05623.html
立式钻床
用于重建与分析的计算机硬件			X射线CT扫描
冷却
干燥箱
乙醇
索氏提取器下方用烧瓶（2000 ml）
花泥	https://www.oasisfloral.eu/		样品 holder 类型 1
用于填充索氏提取器空隙体积以节省溶剂的玻璃珠
胶水
热水浴	https://www.memmert.com/products/water-baths/water-bath/#!filters=%7B%7D		索氏提取
生长锥	https://haglofsweden.com/project/increment-borers/
塑料圆筒	Moonen 等，2022		样品 holder 类型 2
塑料圆筒
储液瓶
定制索氏提取装置
甲苯
水泵
X射线CT扫描仪