Article de méthode

Laboratoire et au champ protocole pour estimer les taux d’érosion de feuille de Dendrogeomorphology

DOI :

10.3791/57987

⸱

7 janvier 2019

 ,  ,  , 
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences, University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences, University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales, Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución, Universidad Complutense de Madrid

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Caractériser l’érosion causée par dendrogeomorphology a généralement porté sur trouver avec précision l’heure de début de l’exposition des racines, par l’examen macroscopique ou changements de niveau cellule causée par l’exposition. Ici, nous offrons une description détaillée des différentes nouvelles techniques pour obtenir des taux d’érosion plus précis de données haute précision microtopographique.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L’érosion en nappe est parmi les moteurs essentiels de la dégradation des sols. L’érosion est contrôlée par des facteurs environnementaux et les activités humaines, qui conduisent souvent à des incidences graves sur l’environnement. La compréhension de l’érosion en nappe est, par conséquent, un problème dans le monde entier avec des implications pour l’environnement et des économies. Cependant, les connaissances sur l’évolution de l’érosion dans l’espace et le temps sont encore limitée, ainsi que ses effets sur l’environnement. Ci-dessous, nous expliquons qu'un nouveau protocole de dendrogeomorphological pour dériver érodé épaisseur de sol (E,x) par l’acquisition de microtopographique précises données à l’aide de laser terrestre (TLS) et jauges de profil microtopographique. En outre, des procédures standard dendrogeomorphic, dépendants des variations anatomiques dans les anneaux de la racine, sont utilisées pour établir le calendrier de l’exposition. Profil TLS et de microtopographique calibres servent à obtenir des profils de surface au sol, d'où Ex est évalué après que la distance seuil (TD) est déterminée, c'est-à-dire la distance entre la racine et les sédiments knickpoint, qui permet de définir l’abaissement de la surface du sol causée par l’érosion en nappe. Pour chaque profil, nous avons mesuré la hauteur entre le dessus de la racine et un virtuel plan tangent à la surface du sol. De cette façon, nous avions l’intention d’éviter les petits effets de déformation du sol, qui peut être due à des pressions exercées par le système de racine, ou par la disposition des racines exposées. Cela peut provoquer de petites quantités de sédimentation de sol ou de l’érosion selon la façon dont elles affectent physiquement le ruissellement de surface. Nous démontrons qu’une caractérisation adéquate microtopographique des racines exposées et leur surface de sol associées est très précieuse pour obtenir les taux exacts de l’érosion. Cette constatation pourrait être utilisée pour développer les meilleures pratiques de gestion conçus pour éventuellement arrêter ou peut-être, au moins, réduire l’érosion des sols, afin que les politiques de gestion plus durables peuvent être mises en pratique.

Introduction

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Des impacts tant économiques qu’environnementaux produits par l’érosion en nappe rend ce sujet dans une préoccupation mondiale1. Plusieurs méthodes, de techniques directes aux approches axées sur la physique et empiriques, servent à calculer les taux d’érosion de sol sur une variété d’échelles spatiales et temporelles. Les techniques directes utilisent des mesures sur le terrain dans des conditions naturelles et reposent essentiellement sur l’utilisation de Gerlach creux2, collecteurs d’eau3, erosion pins4 et profilomètres5. En outre, les modèles de l’érosion des sols ont été tournés représentant en détail les processus physiques réels responsables de l’érosion,6.

Dendrogeomorphology7 est une subdivision de la dendrochronologie8 qu’il est réussi à caractériser la fréquence et l’ampleur des processus géomorphologiques9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Au sujet de l’érosion en nappe, dendrogeomorphology est habituellement employé pour améliorer ou remplacer les méthodes mentionnées ci-dessus, en particulier dans les zones où les taux d’érosion par les techniques directes de sont rares ou indisponible. Dendrogeomorphology est une méthode très flexible pour évaluer l’érosion du sol et peut être utilisé pour calibrer des modèles empiriques et axées sur la physique, ou peut-être comme données de source afin d’améliorer la fiabilité de l’estimation directe techniques18, 19. Dendrogeomorphology permet à l’érosion des sols à être mis en place sur de vastes étendues où les racines exposées sont disponibles. Ces racines exposées devraient montrer les limites de bagues arbre clair et répondent à des profils de croissance annuelle considérée comme optimale d’appliquer les techniques de dendrogeomorphological20. Autres racines exposées à échantillonner doivent être de préférence situés en unités homogènes basées sur leur réaction au sol de l’érosion,21.

La façon de dendrogeomorphical classiques d’estimation de l’érosion en nappe repose sur mesure in situ de l’épaisseur de sol érodé (Ex) de l’époque de la première exposition au présent22,23, 24. Le rapport entre ces deux variables est utilisé pour calculer une valeur de l’érosion dans mm∙yr1. Des recherches menées à ce jour a été entièrement sur l’identification efficacement la première année de l’exposition. L’issue, les modifications de la racine en raison de l’exposition sont analysées au niveau macroscopique25, ou au tissu et les niveaux cellulaires de27,26,28. Le principal changement anatomique présent dans les racines des conifères est en augmentation épaisseur des cernes, suite à un grand nombre de cellules dans le bois initial (EW)26. Une réduction a de même été trouvée dans la zone de lumen des trachéides de EW avec une épaisseur de structure pariétale accrue de bois final (LW) trachéides24,27,29. Ces modifications ont été décrites et quantifiées comme début lorsque l’érosion diminue la surface du sol au-dessus de la racine à peu près trois cm30. Moins d’attention a été accordée à la détermination adéquate du paramètre Ex . L’âge des racines exposées était généralement lié à la hauteur de l’axe central de la racine de la croissance sur le sol de surface31,32. L’estimation de Ex a été corrigée en conséquence étant donné la croissance secondaire en cours30,,33. Plus récemment, ces approches méthodologiques ont également intégré la caractérisation du sol microtopographie pour obtenir l’érosion fiable taux34,35,36.

Nous présentons un protocole de laboratoire et de terrain afin d’estimer les plus précises et fiables feuille taux d’érosion de dendrogeomorphology. Dans ce protocole particulier, nous examinons l’hypothèse que toutes les racines exposées, quel que soit l’orientation relative au chemin de ruissellement et en conjonction avec macrotopographie analyse, l’échantillonnage permet taux d’érosion être précisément reconstruit et quantifiés. Notre objectif, doit donc fournir un protocole pour estimer le taux d’érosion de maximiser la taille de l’échantillon des racines exposées, à l’aide des informations macroscopiques et microscopiques dans la série de cernes de croissance, ainsi que des données topographiques à haute résolution.

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Protocole

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1. stratégie d’échantillonnage

  1. Identification des processus géomorphologiques
    1. Mettre en oeuvre les unités hydrologiques d’intervention approche (HRU)21. À cette fin, identifier les domaines homogènes au sein du site d’étude, comprenant des dépôts de surface et la lithologie, couvert, résidu végétative en contact avec la surface du sol et de la pente. Sélectionnez parmi tous les HRUs, ceux dans lesquels le processus d’érosion de feuille est prédominant.

figure-protocol-1
Figure 1 : exemple de HRUs associé à une ravine sable. Concernant le protocole proposé ici, l’échantillonnage des racines exposées doit être mené dans un HRU dans lequel le processus érosif efficace est l’érosion en nappe (dans cette légende de la figure correspondant à sable exposée avec pente modérée). Ce chiffre a été modifié par Bodoque et al. 21 . S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Échantillonnage des racines exposées
    1. Recherchez dans les racines de site exposé d’étude correspondant à des espèces d’arbres utiles pour les cernes datant (préférence conifères)20.
    2. Fournir une description détaillée des caractéristiques spatiales et morphologiques des environs des racines exposées à échantillonner. Recueillir l’information suivante : situation géographique (coordonnées UTM) ; altitude ; aspect en sexagésimales degrés, la colline tant l’emplacement racine particulière (aspect local) ; distance de la section de la racine sur le tronc d’arbre ; pente de la colline et pente de l’emplacement de la racine spécifique (exprimés en degrés) ; orientation de la racine exposée en ce qui concerne le chemin d’accès du ruissellement.
    3. Prenons un échantillon de sol d’environ 1 kg de la zone qui entoure chaque racine exposée. Les paramètres pour caractériser sont texture, pourcentage de structure organique de matière et de sol.
    4. Mesurer in situ conductivité hydraulique à l’aide d’un infiltromètre seul anneau sous charge constante.
      Remarque : Mettre en œuvre les étapes 1.2.2 et 1.2.3 pour caractériser l’érodabilité des sols.
    5. Localiser les racines exposées qui sont plus loin que de 1,5 m du tronc. À une distance moindre, l’exposition pourrait être liée à la croissance des arbres.
    6. Couper avec une scie à main au moins 30 racines exposées, avec un diamètre supérieur à 5 cm, 15 cm de long sections. Par la suite, prenez deux tranches d’environ 1,5 cm d’épaisseur.
    7. En utilisant une truelle de jaugeage, une scie à main et un ruban à mesurer, échantillonner un sous-ensemble des racines enfouies (au moins un tiers des racines exposées totales échantillonnés) à des profondeurs du sol différentes (maximum 20 cm) pour établir l’épaisseur de sol minimale ci-dessous dont les racines commencent à avoir un réponse anatomique dues à l’exposition.

figure-protocol-2
Figure 2 : exemple de la conduite d’échantillonnage sur le terrain. Au moins 30 racines exposées sont sélectionnés et, par la suite, couper avec une scie à main. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. Microtopographique de caractérisation de la Surface du sol et des racines exposées à des endroits facilement accessibles

  1. Utiliser un appareil à balayage Laser terrestre qui peut mesurer jusqu'à 50 000 points par seconde avec une précision de 1 mm à une distance de balayage de 120 m <.
  2. Examiner au moins deux endroits différents classiques de TLS pour éviter les zones d’ombre.
  3. Fusionner les différents emplacements en utilisant un minimum de quatre cibles haute définition arpentage (HDS), positionné pour couvrir toute la zone.
  4. Afin d’obtenir des données topographiques très précises, scanner une superficie moyenne de 300 cm2 depuis les emplacements sélectionnés à l’aide d’une résolution spatiale de 1 mm. inclure les racines exposées et la région environnante qui est représentative de la surface du sol.

3. Microtopographique de caractérisation de la Surface du sol et les racines exposées, aux emplacements terrain difficile et abrupte (environnements montagneux)

  1. Placez une jauge de profil microtopographique perpendiculaire à la racine exposée et, par la suite, le niveau horizontalement pour toutes les mesures de telle sorte que les différents ensembles de données peuvent être comparées.
  2. Dessiner le profil obtenu à l’étape 3.1 sur du papier quadrillé pour pouvoir déduire la quantité de sol érodé le long du profil avec précision submillimétrique.

figure-protocol-3
Figure 3 : exemple de caractérisation de la microtopographie de sol à l’aide d’une jauge de profil microtopographique. (A) illustration de racines exposées comme observées le long d’un sentier de randonnée ; (B) des mesures de la microtopographie de sol à l’aide d’un profil microtopographique jauge ; (C) estimation de Ex grâce à l’acquisition de profils microtopographique en dessinant sur un papier millimétré pour permettre de déduire du montant de sol érodé le long du profil et avec une précision submillimétrique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

4. la détermination du moment de l’exposition des racines

  1. Analyse macroscopique
    1. Sécher à l’air les sections obtenues à l’étape 1.2.6 pendant 2 mois.
    2. Obtenir des deux tranches de sections initiales qui sont chacun environ 2 cm d’épaisseur.
    3. Poncer et polir les tranches avec papier abrasif (grain jusqu'à 400) afin de faciliter la reconnaissance des anneaux de croissance.
    4. Scan les tranches avec une résolution minimale de 2 800 dpi afin qu’ils peuvent être analysés avec précision même lorsque les anneaux est particulièrement minces.
    5. Utiliser l’augmentation en pourcentage de bois d’été et de plus grandes largeurs de cernes comme indicateurs de stress induit par l’exposition.
    6. Marquer au moins 4-5 rayons le long les diamètres des tranches qui montrent la plus forte variabilité dans les largeurs des anneaux de croissance.
    7. Utilisez un système d’analyse image ou une table de mesure pour mesurer la largeur des cernes.
    8. Appliquer les procédures d’interdatation visuelles en comparant la variabilité dans les largeurs de cernes entre les différents rayons, à la fois améliorer la précision de datation pour la première année d’exposition à l’érosion des sols et à correctement jour subséquent anneaux et reconnaître la présence des multiples ou des anneaux discontinus.

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Figure 4 : exemple de la façon d’établir une section d’une racine exposée pour accomplir la datation dendrochronologique des cernes série. Dans chaque section, quatre ou cinq rayons sont marqués dans les directions qui montrent la variabilité plus haute au sujet de la largeur des cernes. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Analyse au microscope
    1. Pour les deux échantillons exposés et non exposés racine, utilisez un microtome coulissant pour obtenir des coupes radiales d’environ 1 cm de largeur et 20 microns d’épaisseur.
    2. Tache de coupes en présence de safranine (c.-à-d., 1 g de safranine + 50 g d’eau + 50 g d’éthanol à 96 %) et déshydrater avec plus en plus riche solution hydro-alcooliques jusqu'à 96 % d’éthanol (par exemple, 50 % et 96 % d’éthanol) jusqu'à ce que l’éthanol soit limpide. Faire tremper les exemples de xylol ou une huile de citron agent (p. ex., Histoclear) de compensation.
    3. Monter des sections sur des lames revêtues, lamelle couvre-objet avec un époxy durcissement (p. ex., baume du Eukitt, Canada et sécher à température ambiante (c'est-à-dire environ 5 à 8 h pour Eukitt, au moins 24h pour le baume du Canada).
    4. Observer (sous un grossissement de X 125) et de photographier les échantillons avec un système d’imagerie numérique en microscopie optique.
    5. Comparer au microscope optique l’empreinte d’anatomique des deux exposés et des échantillons de racines non exposés (étapes 1.2.5 et 1.2.6).
    6. Prendre des mesures microscopiques à l’aide d’un analyseur d’image sur les photos numériques des paramètres qui ont suivi : une) largeur de l’anneau de croissance ; b) nombre de cellules par anneau ; c) pourcentage de bois final ; et d) zone de lumen dans bois de printemps.
    7. Tester avec l’analyseur d’image (étape 4.2.6) la présence de canaux résinifères et prendre des mesures pour chaque cycle de croissance.
    8. Faire une analyse unidirectionnelle ANOVA avec plusieurs tests de la gamme (méthode : 95 % LSD – moins de différence significative) pour les variables anatomiques considérées (étape 4.2.6) vérifier l’existence de différences statistiquement significatives entre les deux groupes de mensurations (racines préalablement exposés vs exposés).

5. estimation de l’épaisseur de la couche de sol érodée depuis l’exposition initiale (Ex)

  1. Scénario 1 : exposé des racines qui sont parallèles à la voie des eaux de ruissellement.
    1. Basé sur les données obtenues à l’étape 2.4, utiliser la distance inverse pondération comme la méthode d’interpolation pour obtenir des modèles très précis altimétriques numériques (Man) avec une résolution spatiale de 3 mm.
    2. Outils SIG permet d’extraire des profils perpendiculaires DEM de la racine exposée avec une distance approximative de 150 cm.
    3. Effectuez les étapes 5.1.1 et 5.1.2 à des endroits facilement accessibles (étape 2).
    4. Utiliser les profils perpendiculaires de la racine exposée obtenu à l’étape 3.2 lorsque le site d’étude est situé dans les zones où le terrain est difficile et escarpée (environnements montagneux) (étape 3).
    5. Dans les profils obtenus lors des étapes 5.1.2 et 5.1.3 Utilisez interprétation visuelle pour localiser la distance seuil (TD), définie comme la distance entre la racine et la knickpoint à la surface du sol. Ceci établit l’abaissement de la surface du sol pour les profils en raison de l’érosion en nappe.
    6. Estimer l’épaisseur de la couche de sol érodée, en mesurant la hauteur entre le haut de la racine et la knickpoint à la surface du terrain estimée à l’étape 5.1.5.
    7. Corriger la mesure obtenue à l’étape 5.1.6 il Soustrayez de la croissance en cours secondaire (c.-à-d. , la croissance de la racine depuis l’année de l’exposition) et de l’épaisseur de l’écorce du côté supérieur et inférieur de la racine. Voir Corona et al. 30 pour obtenir une description détaillée.

figure-protocol-5
Figure 5 : Exemple est illustrant comment placer TD lorsque les racines exposées échantillonnés sont orientées selon le chemin d’écoulement. Cette figure montre un profil transversal commun de microtopographique de racine non couvert et ses environs immédiats. Ex1 est l’emplacement demandé à l’approche traditionnelle de dendrogeomorphical pour déterminer l’épaisseur de sol érodé ; Ex2 appartient à la position où ce paramètre doit être évaluée. TD est considérée comme une position du guide dont la surface du sol est modifiée par l’érosion en nappe seulement. Ce chiffre a été modifié par Bodoque et al. 34 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Scénario 2 : exposés des racines qui s’exécutent perpendiculaires au trajet du ruissellement
    1. Mettre en œuvre les étapes 5.1.1 à 5.1.4 comme indiqué sous étape 5.1.
    2. À l’aide de la calculatrice raster disponible dans n’importe quel logiciel de système d’Information géographique (SIG), pour chaque mesure de profil perpendiculaire la hauteur entre le haut de la racine et la surface du sol à l’aide de la knickpoint à la surface du sol comme une référence. À ce stade mesures de Ex ne sont pas influencés par sédimentation et/ou parcourent l’érosion et, par conséquent, il est possible de mesurer l’érosion des sols.
    3. Corriger la mesure obtenue à l’étape 5.2.2 à l’aide de la procédure à l’étape 5.1.7.

figure-protocol-6
Figure 6 : exemple dessin comment procéder quand les racines exposées échantillonnés sont orientées selon la perpendiculaire à la chemin de ruissellement Cette figure montre une vue schématique d’un profil de surface au sol associé à une racine perpendiculaire exposée concernant le chemin de ruissellement. Épaisseur de sol érodé (E,x) est quantifié à le knickpoint coïncidant au processus d’érosion la sédimentation et l’érosion qui prévaut est proche de la racine. Ce chiffre a été modifié par Ballesteros-Cánovas et al. 35 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

6. fiche l’érosion des taux Estimation

  1. Selon les caractéristiques mécaniques du sol du site d’étude, appliquer l’équation 1 (c.-à-d., émet l’hypothèse que la pression de la croissance radiale appliquée par la racine est inférieure à la résistance au cisaillement du sol), ou équation 2 (c'est-à-dire, suppose la stabilité de la axe racine à travers le temps)30:
    figure-protocol-7(1)
    figure-protocol-8(2)
    Où :
    ER (mm∙yr-1), est le taux d’érosion de feuille à estimer.
    EX (mm), est-ce que l’épaisseur de la couche de sol érodé depuis l’exposition initiale. Ceci est obtenu en procédant comme 5.1.1 à 5.2.3.
    Gr1 et r2de la G(mm) représentent la croissance secondaire (ultérieure) sur la partie haut/bas de la racine après l’exposition. Il est obtenu après avoir effectué l’étape 5.1.7.
    B1 et B2 (mm) sont l’épaisseur de l’écorce sur la partie supérieure/inférieure de la racine. Il est obtenu avec la procédure étape 5.1.7.
    Ε (mm), est définie comme étant la profondeur minimale du sol sous laquelle racine commence à changer sa configuration anatomique.
    NRex (an), est le nombre de cernes d’arbres mis au point après l’année de l’exposition. Elle est obtenue à l’aide de mesures 4.1.1 à 4.2.8.

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Résultats

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Échantillons de racines exposées souffrent grave détérioration cambiale en raison de l’impact de l’exposition (p. ex., modifications de température, l’incidence de la lumière) et le stress physique, en raison de piétinement par les randonneurs ou animale pâturage et de navigation que les racines l’objet après que qu’ils sont exposés. Détermination de l’existence des anneaux discontinus, comme précisément datant de la première année de la réponse à l’exposition a été réalisée dans...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le protocole déployé démontre la valeur de caractérisation détaillée et appropriée de la microtopographie de surface au sol, car elle permet de mesurer le taux d’érosion de feuille digne de confiance de dendrogeomorphology. Notre approche méthodologique met l’accent sur l’importance de la caractérisation de la microtopographie dans les environs de racines d’exposition pour améliorer l’estimation de taux d’érosion. Ce facteur a été largement ignoré dans les études antérieures, ce qui entraîne une mauvaise interprétation d...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les projets de recherche qui a financé cette recherche ont été : MARCoNI (CGL2013-42728-R) ; Dendro-Avenidas (CGL2007-62063) ; MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) du ministère espagnol de la Science et technologie et le projet idée-GESPPNN (Marm 163/2010), qui a été financé par le ministère environnement d’Espagne.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Carte topographique, carte des sols, carteÀ obtenir auprès des institutions publiques ou à générer lors de la première phase de recherche
Infiltomètre à anneau uniqueTurf-Tec InternationalIN16-W http://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
ScieIl n’y a pas de caractéristiques spécifiques à prendre en compte concernant le modèle
RubanAvec une précision de 1 mm
Balayage laser terrestre (TLS)Leica-GeosystemsLeica ScanStation P16https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Jauge de profil microtopographiqueRS OnlineFacom, 19https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Papierde verre de grain 80 à 400
ScannerEPSONPerfection V800 Systèmephotos https://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
d’imagesRegent Instruments Inc.WinDENDROhttp://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Table de mesureIMLhttps://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Microtome coulissantThermo Fisher SCIENTIFICMicrom HM 450-387760
http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020 Microscope optiqueOLYMPUSMX63/MX63Lhttps://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Appareil photo numérique pour microscopeOLYMPUSDP74https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
de la safranine(notation Hill) C20H19ClN4  ;
AstrablueFormule empirique C47H52CuN14O6S3
AlcoolAlcool par volume (50 %, 75 % et 100 %)
EauH2
O Agentnettoyant à l’huile d’agrumeshttps://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Lames revêtuesThermo Fisher SCIENTIFIC https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Durcissement époxyMERCKhttps://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es®ion=ES
de l’occupation du sol à main à mesurer d’analyse de Formule empirique distillée

Références

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