Erweiterter Arbeitsablauf für die Aufnahme hochwertiger Inkrementalkerne – neue Techniken und Geräte

Die dendroökologische Forschung basiert auf verschiedenen Merkmalen von Jahresringen in Bäumen, sowohl einjährigen als auch anderen. Die "Vorläuferdisziplin" Dendrochronologie wurde unter Verwendung von Ringbreitenvariationen als Parameter etabliert, um die Ringe einfach zu datieren und als Ergebnis lange Chronologien zu erstellen. Daher werden vielfältige andere Merkmale, wie z.B. Dichteschwankungen, Isotopenkonzentrationen oder holzanatomische Eigenschaften, verwendet, um einzelne Ringe oder deren Struktur und Inhalt mit Umweltparametern zu korrelieren, um den Einfluss von Umweltbedingungen auf das Baumwachstum im Laufe der Zeit besser zu verstehen.

Die Dendroökologie, wie auch die Dendroklimatologie, hat in der Umweltforschung an Bedeutung gewonnen, vor allem bei der Rekonstruktion vergangener Klimabedingungen ^1,2,3. Dazu müssen die Ringe unzähliger Bäume im Detail analysiert werden. Obwohl es einige Techniken gibt, um die Breite und Dichte von Jahrringen zu bestimmen (z. B. durch akustische Wellentechnologie⁴ oder Bohrwiderstand^5,6), gibt es bis heute keine zuverlässige "zerstörungsfreie" Methode^, um die Eigenschaften von Ringen von Bäumen zu extrahieren. Für sehr detaillierte Analysen der Ringeigenschaften innerhalb eines Baumes oder zur Schätzung des Basalflächenzuwachses wäre es am besten, Scheiben von den interessierenden Bäumen^{zu schneiden 7}. Dies würde bedeuten, dass alle potenziellen Bäume, die für spezifische Analysen von Interesse sind, gefällt werden müssten. Angesichts der großen Anzahl von Bäumen, die jedes Jahr weltweit analysiert werden, ist diese Probenahmestrategie nicht praktikabel. Unabhängig von der Verschwendung einer unglaublichen Menge an Ressourcen ist diese Strategie einfach zu teuer. Aus diesem Grund hat sich der Einsatz von Inkrementkernen als Standard-Probenahmetechnik in der Jahrringforschung etabliert⁸. Die Verwendung von Inkrementbohrkernen ermöglicht eine minimalinvasive Extraktion von Holzkernen aus Stängeln, beginnend mit der Rinde bis zum Kern des Baumes⁹.

Obwohl die Kernbohrung eine Verletzung des Stammes verursacht - ein Loch mit einem Durchmesser von ~1 cm - sind Bäume in der Lage, diese Wunde durch vermehrte Holzbildung in der Nähe des Kernlochs zu schließen. Ein Nachteil, abgesehen vom Loch selbst, ist das Auftreten einer "Kompartimentierungszone", ein Bereich um das Loch, in dem die Zellen mit Phenolen gefüllt sind, um die mögliche Ausbreitung von Pilzen ausgehend vom Loch^10,11 zu verhindern. Unseres Wissens gibt es noch keine Hinweise darauf, dass die Zunahme von Kernbohrungen zu einer signifikanten Zunahme der Häufigkeit von Baumverfall führt, zumindest in ungestörten Hochgebirgsbeständen für Picea abies¹² und mehrere Laubholzarten in einem gemäßigten Wald¹³.

Obwohl dieser Probenahmestandard seit Jahrzehnten auf der ganzen Welt angewendet wird, bleiben einige Probleme bestehen. Eine davon ist die Tatsache, dass die Kerne ohne mechanische Unterstützung von Hand genommen werden müssen, was viel Zeit in Anspruch nimmt und nach einer Weile ziemlich anstrengend ist. Um die Probenahme zu erleichtern, wurden mehrere (mehr oder weniger praktikable) Strategien getestet, wie z.B. die Verwendung von Kettensägen, die mit einem Bohrer anstelle der Kette^14,15,16,17 ausgestattet sind. Der Einsatz von Kettensägen wurde Bohrmaschinen vorgezogen, da letztere nicht leistungsfähig genug waren; Diese Idee setzte sich jedoch aufgrund des hohen Gewichts der Kettensäge und des benötigten Kraftstoffs nicht durch.

In den letzten Jahren haben sich die holzanatomischen Techniken erheblich weiterentwickelt und in dendroökologische Studien integriert^18,19. Die Möglichkeit, anatomische Parameter des Holzes über lange Zeiträume zu analysieren, indem Mikroschnitte aus Inkrementkernen geschnitten wurden, führte jedoch zu unerwarteten Problemen. Häufig zerbrachen die aus den Kernen entnommenen Mikroschnitte in kleine Stücke, was kohärente Schnitte unmöglich machte (Abbildung 1). Dieses Problem wurde durch die manuelle Technik des Entkernens von Bäumen und unscharfen Bohrkernen verursacht. Die mechanische Beanspruchung des Holzes beim Kernbohren führte zu Mikrorissen im Kern. Diese Mikrorisse wurden bei der makroskopischen Untersuchung der Inkrementkerne nie bemerkt und stellten daher auch nie ein Problem dar.

Das manuelle Entkernen erfolgt, indem der Griff auf das hintere Ende des Bohrers gelegt wird, die Spitze mit dem Faden auf den Stiel gedrückt wird und der Griff gedreht wird, bis der Bohrer etwas mehr als die Hälfte des Durchmessers des Stiels durchbohrt hat. Dabei ist die Spitze des Bohrers (offensichtlich) im Schaft fixiert, aber das hintere Ende des Bohrers, das durch den Griff gedreht wird, bewegt sich immer seitwärts oder auf und ab, zumindest bis der Bohrkopf vollständig in den Rumpf eingeschraubt ist, was dem Bohrer mehr Führung und Stabilität verleiht. Infolge des hohen Drucks und der Bewegung des Bohrers werden die Inkrementalkerne häufig in den äußersten ~5 cm verformt (Abbildung 1). Auch wenn die Reibung beim Drehen auf ein Minimum reduziert wird, übt ein anderer Prozess eine Belastung des Inkrementalkerns im Bohrkern aus. Die manuelle Entkernung erlaubt keine kontinuierliche Bewegung der Schneide des Bohrers innerhalb des Schaftes. Man kann maximal eine volle Umdrehung machen, bevor man anhalten muss, um den Griff zu wechseln, und dann weiter bohrt. Jedes Mal, wenn die Rotation wieder beginnt, wird der Kern leicht verdreht, bis die Reibung überwunden ist und sich der Bohrer wieder dreht. Diese mechanischen Spannungen verursachen möglicherweise mikroskopisch kleine Risse in der Struktur der Kerne.

Diese mechanische Beanspruchung wird sogar noch erhöht, wenn die Schneide des Bohrers nicht scharf ist. Ein sichtbares Zeichen für einen unscharfen Bohrkern ist eine unebene Kernoberfläche, die entlang der gesamten Ausdehnung²⁰ viele Risse aufweist (Abbildung 2). Die Häufigkeit des Schärfens hängt von der Dichte der zu entkernenden Bäume und den in der Rinde des zu entkernenden Baumes vorhandenen Mineralien oder Sand ab. Generell sollte man nicht davon ausgehen, dass neue Kerne scharf sind. Bis heute wird das Schärfen eines Bohrers aufgrund der Schwierigkeit fast nie im Feld durchgeführt, da dies von Hand erfolgen muss und viel Erfahrung erfordert^11,20.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die manuelle Entkernung als auch die unscharfen Schneidkanten zu Mikrorissen in den entnommenen Kernen führen. Bisher wurden diese Probleme nicht systematisch analysiert und es wurde auch nicht versucht, Lösungen zu finden. In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Überwindung dieser Hindernisse vorgestellt, indem die manuelle Entkernungstechnik mit der Anwendung einer neuen Technik verglichen wird. Wir empfehlen die Verwendung eines Akku-Bohrschraubers, der mit einem speziellen Adapter für einen Inkrementbohrer ausgestattet ist. Wir stellen vor, inwiefern Probleme bei der Entkernung eines Baumes minimiert werden und wie sich eine kontinuierliche, mechanische Entkernung auf die Präparation langer Mikroschnitte auswirkt. Dieses Protokoll umfasst die Herstellung langer Mikroschnitte mit einem wasserlöslichen Klebeband als unterstützende Hilfe und ein Verfahren zum Schärfen von Bohrkernen im Feld.

1. Manuelle Entkernung

1. Bauen Sie den Inkrementbohrer zusammen und wählen Sie die Bohrposition am Stamm eines Baumes in Abhängigkeit von der Forschungsfrage (z. B. für geomorphe Rekonstruktionen parallel zur Richtung der mechanischen Spannung; für die Altersbestimmung so niedrig wie möglich).
   HINWEIS: Nehmen Sie immer zwei Kerne von jedem Stiel, vorzugsweise in die entgegengesetzte Richtung.
2. Nachdem Sie die Entkernungsposition ausgewählt haben, platzieren Sie den Bohrkern im rechten Winkel zur Wachstumsrichtung des Stammes.
3. Platzieren Sie einen Drücker am hinteren Ende des Bohrers, um ihn während des Bohrens zu stabilisieren.
4. Erreichen Sie eine stabile Position und lehnen Sie sich gegen den Drücker, um Druck auf die Schneidkante auszuüben.
5. Drehen Sie den Griff des Bohrers mit beiden Händen, bis der Gewindeteil des Bohrers vollständig in den Stiel gedreht ist.
6. Lassen Sie den Druck ab und entfernen Sie den Drücker.
7. Beginnen Sie, den Griff des Bohrers mit beiden Händen zu drehen, bis der Bohrer das Mark erreicht oder durchbohrt hat. Überprüfen Sie dies, indem Sie den Extraktor (der die gleiche Länge wie der Bohrer hat) am Griff neben den Stiel halten.
8. Nehmen Sie den Extraktor mit der offenen Seite oben und setzen Sie ihn vollständig in den Corer ein. Drehen Sie den Bohrkern nach hinten (eine volle Umdrehung), um den Kern vom Stiel zu lösen. Ziehen Sie den Extraktor aus dem Bohrkern.
9. Entfernen Sie den Kern aus dem Extraktor und bewahren Sie ihn in einem Papierstrohhalm auf.
10. Entfernen Sie den Bohrer vom Stiel und verstauen Sie ihn im Griff.

2. Entkernen mit Akku-Bohrschrauber

1. Nehmen Sie den Akku-Bohrschrauber, der mit einem Drehmomentverstärker ausgestattet ist, und fügen Sie den speziellen Adapter für den an der WSL entwickelten Inkrementbohrer hinzu.
2. Setzen Sie den Inkrementalbohrer in den Adapter am Drehmomentverstärker ein und wählen Sie je nach Forschungsaufgabe die Position für das Bohren am Stamm eines Baumes aus (siehe Schritt 1.1).
3. Nachdem Sie die Entkernungsposition ausgewählt haben, platzieren Sie den Bohrkern im rechten Winkel zur Wachstumsrichtung des Stammes.
4. Erreichen Sie eine stabile Position, halten Sie den Akku-Bohrschrauber fest und üben Sie Druck auf die Schneide aus.
5. Starten Sie den Akkubohrer, drehen Sie ihn langsam, bis der Gewindeteil des Bohrers vollständig in den Schaft eingekernt ist, und erhöhen Sie dann die Geschwindigkeit, bis der Bohrer das Mark erreicht oder durchbohrt.
   HINWEIS: Die Tiefe kann wie in Schritt 1.7 beschrieben überprüft werden.
6. Nehmen Sie den Akku-Bohrschrauber aus dem Bohrer, setzen Sie den Griff darauf und verwenden Sie den Absauger, um den Kern zu entfernen, wie in Schritt 1.8 beschrieben.
7. Lagern Sie den Inkrementkern in einem Papierstrohhalm.
8. Entfernen Sie den Griff, setzen Sie den Akkubohrer auf den Bohrer und entfernen Sie den Bohrer vom Stiel.

3. Schärfen der Schneide von Inkrementalbohrern

1. Verwenden der WSL-Schärfungsunterstützung
   1. Nehmen Sie die neu gestaltete Halterung und legen Sie sie auf den Boden.
   2. Platzieren Sie den Akku-Bohrschrauber einschließlich des Inkrementalbohrers an den dafür vorgesehenen Auflagepunkten und schließen Sie die Halterung, um den Akku-Bohrschrauber zu fixieren.
   3. Starten Sie den Akku-Bohrschrauber, indem Sie den Teflonblock am Starterknopf fixieren und laufen lassen. Nehmen Sie den konischen Schleifstein und schleifen Sie damit die Innenseite der Schneide.
      HINWEIS: Der Kontaktwinkel hängt von der Innenseite der Schneide ab. Der Mahlstein sollte vollen Kontakt mit der inneren Seitenwand haben, die von der Schneide bis zur inneren Verbreiterung des Bohrers reicht.
   4. Nehmen Sie den rechteckigen Schleifstein und schleifen Sie die Außenseite der Schneide, um ihn zu entgraten.
      HINWEIS: Dies ist notwendig, um den zuvor gebildeten Grat an der Kante durch Schleifen von innen zu entfernen und die Kante schließlich zu schärfen.
   5. Entfernen Sie den Teflonblock vom Startknopf , um den Bohrer zu stoppen, öffnen Sie die Halterung, um den Akku-Bohrschrauber zu lösen, und nehmen Sie das Gerät aus der Halterung.
2. Überprüfung der Schärfe der Schneide
   1. Entfernen Sie den Inkrementalbohrer vom Adapter des Akku-Bohrschraubers.
   2. Legen Sie ein Blatt Papier auf das Holzbrett der Schärfstütze.
   3. Legen Sie die Schneide des Corers auf das Papier und halten Sie den Corer senkrecht.
   4. Drehen Sie den Ankern, während Sie ihn senkrecht halten, ohne Druck auf den Ankerner auszuüben - nur das Gewicht des Ankerns sollte auf das Papier drücken.
   5. Heben Sie den Ankern an und prüfen Sie, ob ein rundes Stück Papier in der Schneide des Ankerns verblieben ist. Wenn ja, ist der Corer scharf. Ist dies nicht der Fall, wiederholen Sie den Schärfvorgang (Schritt 3.1). Wiederholen Sie den gesamten Vorgang (Schritte 3.1 und 3.2), wenn die Außenseite eines Kerns nicht glatt ist.

5. Schneiden von Mikroschnitten ganzer Inkrementkerne mit einem wasserlöslichen Klebeband

1. Legen Sie einen langen Glasobjektträger neben das Mikrotom und fügen Sie etwas Wasser in der Mitte des Objektträgers über die gesamte Länge hinzu.
2. Legen Sie den Kern in den Probenhalter eines Kernmikrotoms.
   HINWEIS: Um den Schnitt als echten Querschnitt zu schneiden, stellen Sie sicher, dass die Richtung der Fasern senkrecht ist.
3. Heben Sie den Probenhalter an, bis der Kern fast den Rand der Klinge berührt. Ziehen Sie die Klinge über den Kern, um die Oberseite abzuschneiden.
4. Setzen Sie das Messer wieder an den Anfang des Kerns, heben Sie die Probe etwa 10 μm an und wiederholen Sie den Schneidvorgang, bis eine ebene Oberfläche von mindestens 2 mm Breite erhalten wird.
5. Fügen Sie eine Maisstärkelösung mit einem Pinsel²¹ auf die Schnittfläche hinzu.
6. Verwenden Sie ein Stück Stoff, um die überschüssige Lösung von der Oberseite des Kerns zu entfernen.
7. Schneiden Sie einen Streifen wasserlösliches Klebeband auf die gleiche Länge wie den Kern; Legen Sie eine Seite des Bandes mit einer Überlappung von ca. 1 cm an den Anfang des Kerns, wobei der Anfang des Kerns der Klinge des Mikrotoms zugewandt ist.
8. Befestigen Sie das Klebeband an der Oberfläche des Kerns, indem Sie das Klebeband mit einem Finger über die Oberfläche streichen.
9. Heben Sie die Probe im Mikrotom um 15-20 μm an, heben Sie das überlappende Stück des Bandes ein wenig an und legen Sie die Mikrotomklinge an den Rand des Kerns.
10. Schneiden Sie den Abschnitt ab, während Sie das Ende des Klebebandes halten.
11. Nehmen Sie das Klebeband mit dem aufgeklebten dünnen Abschnitt und legen Sie es mit dem Schnitt nach unten auf die Wasserlinie des Objektträgers, der in Schritt 5.1 vorbereitet wurde.
12. Beginnen Sie nach ca. 10 s mit dem Entfernen des Klebebandes mit einer Pinzette, indem Sie das Klebeband auf einer Seite halten und anheben, wobei Sie darauf achten, dass der Abschnitt auf dem Objektträger verbleibt.
13. Um eine permanente Folie dieses Abschnitts zu erstellen, befolgen Sie die Standardverfahren²².

Vergleicht man das manuelle Entkernungsverfahren mit dem Einsatz eines Akkubohrschraubers, liegen die Vorteile des letzteren auf der Hand. Wir verglichen Kernfichten (Picea abies (L.) H. Karst.) mit einem Stammdurchmesser bei einer Brusthöhe von 60-80 cm. Wir haben für alle entnommenen Bohrkerne 5-mm-Bohrkerne mit einer Länge von 40 cm verwendet und die Bohrkerne über die gesamte Länge in den Stamm gebohrt. Bei der manuellen Entnahme von Kernen dauerte die vollständige Prozedur der Entnahme eines Kerns und des erneuten Entfernens des Bohrkerns aus dem Baum durchschnittlich ~ 6 Minuten. Bei Wiederholung mit dem Akku-Bohrschrauber, der mit einem Drehmomentverstärker ausgestattet ist, dauerte der gesamte Vorgang durchschnittlich nur 1 Minute. Neben der Tatsache, dass das Entkernen mit dem Akkubohrschrauber überhaupt nicht anstrengend ist, wurde keiner der Kerne verformt, da in der ersten Bohrphase Druck auf die Schneide ausgeübt wurde, bis sich das Gewinde vollständig im Inneren des Schaftes befindet. Sobald sich der Faden im Inneren des Schaftes befindet, wird der Bohrkern mehr oder weniger stabilisiert und mögliche Auf- und Abwärtsbewegungen minimiert (Abbildung 3).

Sobald der erste Kern außen nicht mehr glatt war, sondern Kratzer und Risse aufwies, wie in Bild 2, war eine Schärfung der Schneide erforderlich. Da der Akku-Bohrschrauber fixiert werden kann, da er für die Kernbohrung verwendet wird (d.h. einschließlich des Adapters und des Inkrementbohrers; Abbildung 4) ist der Schärfvorgang auch recht schnell. Mit ein wenig Übung dauert das Schärfen nicht länger als 5 Minuten. Sobald das geschnittene Papier im Corer klebt, kann die Probenahme fortgesetzt werden. Die resultierenden Kerne sind glatt ohne Kratzer oder Risse. Die mit Hilfe des Akkubohrers entnommenen Bohrkerne weisen mit geringerer Wahrscheinlichkeit Mikrorisse auf; Dies ist eine Voraussetzung, um Mikroschnitte ganzer Inkrementkerne zu schneiden. Das Aufbringen des wasserlöslichen Klebebandes (Bild 5) erleichterte die Handhabung der langen und zerbrechlichen Abschnitte, da das Klebeband den dünnen Abschnitt vor dem Reißen schützt, während es von der Klinge genommen und auf den Glasträger gelegt wird. Dieses Verfahren spart Zeit im Labor und verbessert die Qualität der Mikroschnitte, da der Klebeband neben der nichtnewtonschen Flüssigkeit (Maisstärkelösung; siehe Protokollschritt 5.5) auch die Zellwände beim Schneiden stabilisiert.

Abbildung 1: Inkrementbohrer. (A) Inkrementbohrer, wie er für die manuelle Entkernung verwendet wird, und eine vergrößerte Ansicht des Gewindes und der Schneide. (B) Verformter Zuwachskern aufgrund des hohen Drucks, der zu Beginn der manuellen Entkernung auf das Holz ausgeübt wird. (C) Mikroschnitt eines Teils eines Zuwachskerns, der aufgrund von Mikrorissen fragmentiert ist. Maßstabsbalken = 0,5 cm. (D-F) Fotos, die den Ablauf des Bohrens bei Verwendung eines Akkubohrers veranschaulichen. Es ist kein hoher Druck erforderlich, um mit dem Kernbohren zu beginnen (D,E), der Griff kann einfach zum Entnehmen des Kerns verwendet werden (F) und der Bohrer wird direkt danach entnommen (G). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Inkrementkern mit Kratzern und Rissen an der Außenseite durch die Verwendung eines unscharfen Bohrers. Maßstabsbalken = 0,5 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Inkrementkerne und zugehörige Mikroschnitte . (A) Gerader Kern mit einem scharfen Bohrkern und einem Akkubohrer. (B) Verzerrter Kern, der manuell mit einem unscharfen Bohrer aufgenommen wurde. (C) Kontinuierlicher Schnitt eines Pinus sylvestris-Kerns , der mit einem scharfen Bohrkern beprobt wurde. (D) Ausschnitt eines Larix-decidua-Kerns , der durch die Verwendung eines unscharfen Bohrers in Stücke gebrochen wurde. Maßstabsbalken = 0,5 cm (A,B); 1 cm (C). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Halterung zum Schärfen der Schneide von Inkrementalbohrern . (A) Teflonblock zur Führung und Stabilisierung des Inkrementalbohrers. (B) Teflonblock zur Fixierung des Starters des Akku-Bohrschraubers. (C) Sechskantschlüssel zur Befestigung von A an anderen Stellen auf der Platine, je nach Art des verwendeten Bohrers. (D) Klemme zur Befestigung des Akku-Bohrschraubers. (E) Einsetzen des konischen Schleifsteins in die Schneidkante. (F) Platzieren des geraden Schleifsteins nach außen, um die Schneidkante zu entgraten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Aufbringen des wasserlöslichen Klebebandes . (A) Schneiden Sie das Klebeband auf die Länge zu, die erforderlich ist, um die Kernoberfläche zu bedecken. (B) Legen Sie das Klebeband auf die vorbereitete Oberfläche des Kerns. (C) Schneiden Sie den Abschnitt ab, indem Sie den Rand des Klebebandes in einer Hand halten. (D) Legen Sie das Klebeband mit dem Abschnitt nach unten auf einen Glasträger und fügen Sie Wasser hinzu, um das Band von dem Abschnitt zu trennen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Mikroschnitt eines Nadelbaums mit einem "blauen Ring". Spätholz-Zellwände nicht verholzt und dafür blau, im Ring des Jahres 1974 (vergrößert über dem Dia, das den langen Abschnitt zeigt). Maßstabsbalken = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte im Zusammenhang mit diesem Artikel haben.