Tutaj prezentujemy protokół, jak uniknąć mikro pęknięć w rdzeniach przyrostowych poprzez zastosowanie wiertarki akumulatorowej z mnożnikiem momentu obrotowego, aby zminimalizować problemy podczas rdzeniowania drzew, a także jego wpływ na przygotowanie długich mikrosekcji. Protokół ten obejmuje również procedurę ostrzenia rdzeni w terenie.
Artykuł metodologiczny
Zaawansowany przepływ pracy do pobierania wysokiej jakości rdzeni przyrostowych - nowe techniki i urządzenia
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
W badaniach dendroekologicznych, precyzyjne datowanie każdego pojedynczego pierścienia wzrostu jest podstawowym wymogiem dla wszystkich badań, skupiających się tylko na zmianach szerokości pierścienia, analizach chemicznych lub izotopowych, lub badaniach anatomicznych drewna. Niezależnie od strategii pobierania próbek dla danego badania (np. klimatologia, geomorfologia), sposób pobierania próbek ma kluczowe znaczenie dla ich pomyślnego przygotowania i analizy.
Do niedawna wystarczyło użyć (mniej więcej) ostrego rdzenia, aby uzyskać próbki rdzenia, które można było szlifować do dalszych analiz. Ponieważ cechy anatomiczne drewna można zastosować do długich szeregów czasowych, potrzeba uzyskania wysokiej jakości rdzeni przyrostowych nabrała nowego znaczenia. Zasadniczo, rdzeń musi być ostry (naostrzony) podczas użytkowania. Podczas ręcznego wiercenia drzewa występują pewne problemy z obsługą rdzenia, co skutkuje ukrytym występowaniem mikropęknięć wzdłuż całego rdzenia: Podczas rozpoczynania wiercenia ręcznego wiertło jest mocno dociskane do kory i najbardziej zewnętrznego pierścienia, aż gwint całkowicie wejdzie w pień. W tym samym czasie wiertło jest przesuwane w górę i w dół, a także na boki. Następnie rdzeń jest wiercony aż do pnia; Konieczne jest jednak zatrzymanie się po każdym skręcie, zmiana uchwytu i ponowne skręcenie. Wszystkie te ruchy, a także wiercenie start/stop, powodują mechaniczne naprężenia rdzenia. Powstałe mikropęknięcia uniemożliwiają tworzenie ciągłych mikro przekrojów, ponieważ rozpadają się one wzdłuż wszystkich tych pęknięć.
Przedstawiamy protokół do pokonania tych przeszkód poprzez zastosowanie nowej techniki przy użyciu wiertarki akumulatorowej, aby zminimalizować te problemy podczas rdzeniowania drzewa, jak również jego wpływ na przygotowanie długich mikrosekcji. Protokół ten obejmuje przygotowanie długich mikrosekcji, a także procedurę ostrzenia rdzeni w terenie.
Wprowadzenie
Badania dendroekologiczne opierają się na różnych cechach słojów drzew, zarówno jednorocznych, jak i innych. "Prekursorska" dyscyplina dendrochronologii została ustalona, używając zmian szerokości pierścieni jako parametru, aby po prostu datować pierścienie i w rezultacie ustalić długie chronologie. W związku z tym wiele innych cech, takich jak zmiany gęstości, stężenia izotopowe lub cechy anatomiczne drewna, jest wykorzystywanych do korelacji pojedynczych słojów lub ich struktury i zawartości z parametrami środowiskowymi, aby lepiej zrozumieć wpływ warunków środowiskowych na wzrost drzew w czasie.
Dendroekologia, podobnie jak dendroklimatologia, zyskała na znaczeniu w badaniach środowiskowych, głównie w rekonstrukcji dawnych warunków klimatycznych1,2,3. W tym celu należy szczegółowo przeanalizować słoje niezliczonych drzew. Chociaż istnieją pewne techniki określania szerokości i gęstości słojów drzew (np. za pomocą technologii fal akustycznych4 lub odporności na wiercenie5,6), do tej pory nie ma niezawodnej "nieniszczącej" metody wyodrębniania cech słojów z drzew. W celu przeprowadzenia bardzo szczegółowych analiz charakterystyki słojów w obrębie drzewa lub oszacowania przyrostu powierzchni podstawy, najlepiej byłoby wyciąć dyski z drzew będących przedmiotem zainteresowania7. Wymagałoby to wycięcia wszystkich potencjalnych drzew interesujących do konkretnych analiz. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę drzew analizowanych każdego roku na całym świecie, taka strategia pobierania próbek nie jest możliwa do zrealizowania. Niezależnie od marnowania niesamowitej ilości zasobów, ta strategia jest po prostu zbyt kosztowna. Z tego powodu stosowanie rdzeni inkrementacyjnych zostało uznane za standardową technikę próbkowania w badaniach słojów drzew8. Zastosowanie rdzeni przyrostowych pozwala na minimalnie inwazyjne wydobycie rdzeni drewnianych z pni, zaczynając od kory i docierając (w optymalnych przypadkach) do rdzenia drzewa9.
Chociaż rdzeniowanie powoduje uszkodzenie pnia - otwór o średnicy ~1 cm - drzewa są w stanie zamknąć tę ranę poprzez zwiększone tworzenie się drewna w pobliżu rdzenia. Wadą, oprócz samej, jest występowanie "strefy kompartmentacji", obszaru wokół otworu, w którym komórki są wypełnione fenolami, aby zapobiec potencjalnemu rozprzestrzenianiu się grzybów począwszy od10,11. O ile nam wiadomo, nadal nie ma dowodów na to, że przyrostowe rdzeniowanie powoduje znaczny wzrost częstotliwości rozkładu drzew, przynajmniej w niezakłóconych drzewostanach wysokogórskich dla Picea abies12 i kilku gatunków drewna liściastego w lasach strefy umiarkowanej13.
Chociaż ten standard próbkowania jest stosowany od dziesięcioleci na całym świecie, nadal istnieją pewne problemy. Jednym z nich jest fakt, że rdzenie muszą być pobierane ręcznie, bez żadnego wsparcia mechanicznego, co zajmuje dużo czasu i po pewnym czasie jest dość męczące. Aby ułatwić pobieranie próbek, przetestowano kilka (mniej lub bardziej praktycznych) strategii, takich jak użycie pił łańcuchowych wyposażonych w rdzeń zamiast łańcucha14,15,16,17. Używanie pił łańcuchowych było preferowane zamiast wiertarek, ponieważ te ostatnie nie były wystarczająco mocne; Jednak ten pomysł nie przyjął się ze względu na dużą wagę piły łańcuchowej i wymagane paliwo.
W ostatnich latach techniki anatomiczne drewna znacznie się rozwinęły i zostały włączone do badań dendroekologicznych18,19. Jednak możliwość analizowania parametrów anatomicznych drewna w długich okresach czasu poprzez wycinanie mikroprzekrojów z rdzeni inkrementacyjnych spowodowała nieoczekiwane problemy. Często zdarzało się, że mikroskrawki pobrane z rdzenia rozpadały się na drobne kawałki, co uniemożliwiało wykonanie spójnych cięć (Rysunek 1). Problem ten był spowodowany ręczną techniką rdzeniowania drzew i nieostrych rdzeni. Naprężenia mechaniczne wywierane na drewno podczas rdzeniowania powodowały mikropęknięcia w rdzeniu. Te mikropęknięcia nigdy nie zostały zauważone podczas makroskopowego badania rdzeni inkrementacyjnych, a zatem nigdy nie stanowiły problemu.
Ręczne rdzeniowanie odbywa się poprzez umieszczenie uchwytu na tylnym końcu rdzenia, przyciśnięcie końcówki z gwintem do trzpienia i rozpoczęcie obracania uchwytu, aż rdzeń przebije nieco ponad połowę średnicy trzpienia. Robiąc to, końcówka rdzenia jest (oczywiście) zamocowana w trzpieniu, ale tylny koniec rdzenia obracany za pomocą uchwytu zawsze porusza się na boki lub w górę iw dół, przynajmniej do momentu, gdy głowica wiertarska zostanie całkowicie wkręcona w pień, zapewniając większe prowadzenie i stabilność rdzenia. W wyniku wysokiego ciśnienia i ruchu rdzenia, rdzenie przyrostowe są często zniekształcone w najbardziej zewnętrznej ~5 cm (Rysunek 1). Nawet jeśli tarcie podczas toczenia jest zredukowane do minimum, innym procesem jest wywieranie naprężeń na rdzeń przyrostowy wewnątrz rdzenia. Ręczne wiercenie rdzeniowe nie pozwala na ciągły ruch krawędzi tnącej rdzenia wewnątrz trzpienia. Można wykonać maksymalnie jeden pełny obrót, po czym trzeba się zatrzymać, aby zmienić uchwyt, a następnie kontynuować wiercenie. Za każdym razem, gdy obrót jest wznawiany, rdzeń jest lekko skręcany, aż tarcie zostanie pokonane i wiertło ponownie się obróci. Te naprężenia mechaniczne mogą powodować mikroskopijne pęknięcia w strukturze rdzeni.
To mechaniczne naprężenie jest nawet zwiększone, gdy krawędź tnąca rdzenia nie jest ostra. Widocznym znakiem nieostrego rdzenia jest nierówna powierzchnia rdzenia, na której widać wiele pęknięć na całej długości jego przedłużenia20 (Rysunek 2). Częstotliwość ostrzenia zależy od gęstości drzew, które mają być rdzeniowane, oraz minerałów lub piasku obecnych w korze drzewa, które ma być rdzeniowane. Ogólnie rzecz biorąc, nie należy zakładać, że nowe rdzenie są ostre. Do tej pory ostrzenie rdzenia prawie nigdy nie jest wykonywane w terenie ze względu na trudność, ponieważ musi to być wykonywane ręcznie i wymaga dużego doświadczenia11,20.
Podsumowując, ręczne wiercenie rdzeni i nieostre krawędzie tnące powodują powstawanie mikro pęknięć w pobranych rdzeniach. Do tej pory problemy te nie były systematycznie analizowane, ani nie podejmowano prób znalezienia rozwiązań. W artykule przedstawiono protokół mający na celu pokonanie tych przeszkód poprzez porównanie ręcznej techniki rdzeniowania z zastosowaniem nowej techniki. Proponujemy użycie wiertarko-wkrętarki akumulatorowej wyposażonej w specjalny adapter do rdzenia przyrostowego. Przedstawiamy, w jakim stopniu minimalizuje się problemy podczas rdzeniowania drzewa, a także jaki jest wpływ ciągłego, mechanicznego rdzeniowania na przygotowanie długich mikroprzekrojów. Protokół ten obejmuje przygotowanie długich mikroprzekrojów przy użyciu taśmy rozpuszczalnej w wodzie jako pomocy wspomagającej oraz procedurę ostrzenia rdzeni w terenie.
Protokół
1. Ręczne rdzeniowanie
- Zmontuj rdzeń przyrostowy i wybierz pozycję rdzenia na pniu drzewa w zależności od pytania badawczego (np. dla rekonstrukcji geomorficznych, równolegle do kierunku naprężeń mechanicznych; dla określenia wieku, tak nisko, jak to możliwe).
UWAGA: Zawsze pobieraj dwa rdzenie z każdej łodygi, najlepiej w przeciwnym kierunku. - Po wybraniu pozycji rdzenia należy umieścić rdzeń pod kątem prostym w stosunku do kierunku wzrostu łodygi.
- Umieść popychacz na tylnym końcu rdzenia, aby ustabilizować go podczas wiercenia.
- Osiągnij stabilną pozycję i oprzyj się o popychacz, aby wywrzeć nacisk na krawędź tnącą.
- Obróć uchwyt rdzenia obiema rękami, aż gwintowana część wiertła zostanie całkowicie obrócona w trzpień.
- Zwolnij nacisk i wyjmij popychacz.
- Zacznij obracać uchwyt rdzenia obiema rękami, aż rdzeń dotrze lub przewierci się przez rdzeń. Sprawdź to, trzymając ekstraktor (który ma taką samą długość jak rdzeń) na uchwycie z boku trzpienia.
- Weź ekstraktor otwartą stroną do góry i włóż go całkowicie do rdzenia. Obróć rdzeń do tyłu (jeden pełny obrót), aby oderwać rdzeń od trzpienia. Wyciągnij ekstraktor z rdzenia.
- Wyjmij rdzeń z ekstraktora i przechowuj go w papierowej słomce.
- Usuń rdzeń z trzpienia i przechowuj go w uchwycie.
2. Wiercenie za pomocą wiertarki akumulatorowej
- Weź wiertarko-wkrętarkę akumulatorową wyposażoną we wzmacniacz momentu obrotowego i dodaj specjalny adapter do rdzenia przyrostowego opracowanego w WSL.
- Umieść rdzeń inkrementacyjny w adapterze na wzmacniaczu momentu obrotowego i wybierz pozycję rdzenia na pniu drzewa w zależności od zadania badawczego (patrz krok 1.1).
- Po wybraniu pozycji rdzenia należy umieścić rdzeń pod kątem prostym w stosunku do kierunku wzrostu łodygi.
- Osiągnij stabilną pozycję, mocno przytrzymaj wiertarkę akumulatorową i dociśnij krawędź tnącą.
- Uruchom wiertarkę akumulatorową, obracając powoli, aż gwintowana część wiertła zostanie całkowicie wbita w trzpień, a następnie zwiększ prędkość, aż rdzeń dotrze lub przewierci się przez rdzeń.
UWAGA: Głębokość można sprawdzić, jak wyjaśniono w kroku 1.7. - Wyjmij wiertarkę akumulatorową z rdzenia, umieść na niej uchwyt i użyj ekstraktora, aby wyjąć rdzeń, jak wyjaśniono w kroku 1.8.
- Przechowuj rdzeń inkrementacyjny w papierowej słomce.
- Zdejmij uchwyt, umieść wiertarkę akumulatorową na rdzeniu i wyjmij rdzeń z trzpienia.
3. Ostrzenie krawędzi tnącej rdzeni przyrostowych
- Korzystanie ze wspornika ostrzenia WSL
- Weź nowo zaprojektowany uchwyt i umieść go na ziemi.
- Umieść wiertarko-wkrętarkę akumulatorową wraz z rdzeniem przyrostowym w wyznaczonych punktach podparcia i zamknij wspornik montażowy, aby zamocować wiertarko-wkrętarkę akumulatorową.
- Uruchom wiertarko-wkrętarkę akumulatorową, mocując blok teflonowy na przycisku rozrusznika i pozwól mu pracować. Weź stożkowy kamień szlifierski i przeszlifuj nim wnętrze krawędzi tnącej.
UWAGA: Kąt działania zależy od wewnętrznej strony krawędzi skrawającej. Kamień szlifierski powinien mieć pełny kontakt z wewnętrzną ścianą boczną, sięgając od krawędzi tnącej aż do wewnętrznego poszerzenia rdzenia. - Weź prostokątny kamień szlifierski i zeszlifuj zewnętrzną część krawędzi tnącej, aby go usunąć zadziory.
UWAGA: Jest to konieczne, aby usunąć wcześniej powstały zadzior na krawędzi poprzez zmielenie go od wewnątrz i ostatecznie naostrzyć krawędź. - Zdejmij blok teflonowy z przycisku rozrusznika, aby zatrzymać wiercenie, otwórz wspornik montażowy, aby zwolnić wiertarkę akumulatorową i wyjmij urządzenie z uchwytu.
- Sprawdzanie ostrości krawędzi skrawającej
- Wyjmij rdzeń zwiększający z adaptera wiertarko-wkrętarki akumulatorowej.
- Połóż kartkę papieru na drewnianej desce wspornika do ostrzenia.
- Umieść krawędź tnącą rdzenia na papierze, trzymając rdzeń pionowo.
- Obróć rdzeń, trzymając go pionowo, bez wywierania nacisku na rdzeń - tylko ciężar rdzenia powinien naciskać na papier.
- Podnieś rdzeń i sprawdź, czy okrągły kawałek papieru pozostał wewnątrz krawędzi tnącej rdzenia. Jeśli tak, rdzeń jest ostry. Jeśli nie, powtórz procedurę ostrzenia (krok 3.1). Powtórz całą procedurę (kroki 3.1 i 3.2), jeśli zewnętrzna strona rdzenia nie jest gładka.
5. Cięcie mikro odcinków całych rdzeni przyrostowych za pomocą taśmy rozpuszczalnej w wodzie
- Umieść długie szklane szkiełko obok mikrotomu i dodaj trochę wody na środku szkiełka na całej jego długości.
- Umieścić rdzeń w uchwycie na próbkę w mikrotomie rdzeniowym.
UWAGA: Aby przyciąć przekrój jako prawdziwy przekrój poprzeczny, upewnij się, że kierunek włókien jest pionowy. - Podnieś uchwyt na próbkę, aż rdzeń prawie dotknie krawędzi ostrza. Przeciągnij ostrze po rdzeniu, aby odciąć górę.
- Ponownie umieścić nóż na początku rdzenia, podnieść próbkę o około 10 μm i powtarzać procedurę cięcia, aż do uzyskania płaskiej powierzchni o szerokości co najmniej 2 mm.
- Dodaj roztwór skrobi kukurydzianej na powierzchnię cięcia za pomocą pędzla21.
- Użyj kawałka szmatki, aby usunąć nadmiar roztworu z górnej części rdzenia.
- Przyciąć pasek taśmy rozpuszczalnej w wodzie na tę samą długość co rdzeń; przyłożyć jedną stronę taśmy do początku rdzenia, z zakładką około 1 cm, tak aby początek rdzenia był skierowany w stronę ostrza mikrotomu.
- Przymocuj taśmę do powierzchni rdzenia, głaszcząc taśmę po powierzchni palcem.
- Podnieś próbkę w mikrotomie o 15-20 μm, unieś nieco zachodzący na siebie kawałek taśmy i umieść ostrze mikrotomu na krawędzi rdzenia.
- Wytnij sekcję, trzymając koniec taśmy.
- Weź taśmę z przyklejonym do niej cienkim odcinkiem i umieść ją nacięciem skierowanym w dół na linii wody szkiełka przygotowanego w kroku 5.1.
- Po około 10 s zacznij usuwać taśmę za pomocą pęsety, przytrzymując taśmę z jednej strony i podnosząc ją do góry, uważając, aby fragment pozostał na szkiełku podstawowym.
- Aby utworzyć stały slajd tej sekcji, postępuj zgodnie ze standardowymi procedurami22.
Wyniki
Przy porównaniu ręcznej procedury pobierania rdzeni z użycia wiertarki akumulatorowej, zalety tej drugiej są oczywiste. Porównano pobieranie rdzeni z świerka pospolitego (Picea abies (L.) H. Karst.) o średnicy pnia na wysokości piersi wynoszącej 60-80 cm. Do wszystkich pobranych próbek wykorzystano świdry o średnicy 5 mm i długości 40 cm, wkręcając je w pień na pełną długość narzędzia. W przypadku ręcznego pobierania rdzeni, cała procedura pobrania próbki i usunięcia świdra z drzewa zajmowała średnio ~6 min. Przy powtórzeniu tej czynności z użyciem wiertarki akumulatorowej wyposażonej w wzmacniacz momentu obrotowego, cała procedura trwała średnio zaledwie 1 min. Oprócz tego, że pobieranie rdzeni wiertarką akumulatorową nie jest w ogóle męczące, żadne z rdzeni nie uległy deformacji wynikającej z nacisku wywieranego na krawędź tnącą podczas pierwszej fazy wiercenia, aż do momentu całkowitego wprowadzenia gwintu w pień. Gdy gwint znajdzie się wewnątrz pnia, świdr zostaje w większym stopniu ustabilizowany, a potencjalne ruchy w górę i w dół są zminimalizowane (Rysunek 3).
Gdy tylko powierzchnia pierwszego rdzenia przestała być gładka i pojawiły się na niej zarysowania oraz pęknięcia, jak pokazano na Rysunku 2, konieczne było naostrzenie krawędzi tnącej. Ponieważ wiertarka akumulatorowa może zostać zamocowana w taki sam sposób, w jaki jest używana do pobierania próbek (tj. wraz z adapterem i próbnikiem przyrostowym; Rysunek 4), procedura ostrzenia jest również bardzo szybka. Przy niewielkiej wprawie ostrzenie zajmuje nie więcej niż 5 min. Pobieranie próbek można kontynuować, gdy tylko wycięty papier zacznie przylegać do wnętrza próbnika. Uzyskane rdzenie są gładkie, bez zarysowań i pęknięć. Rdzenie pobrane przy użyciu wiertarki akumulatorowej mają mniejszą tendencję do powstawania mikropęknięć, co jest warunkiem koniecznym do wykonania mikroprzekrojów całych rdzeni przyrostowych. Zastosowanie taśmy rozpuszczalnej w wodzie (Rysunek 5) ułatwiło manipulowanie długimi i kruchymi sekcjami, ponieważ taśma chroni cienki przekrój przed rozdarciem podczas zdejmowania go z ostrza i umieszczania na szkiełku przedmiotowym. Procedura ta oszczędza czas w laboratorium i poprawia jakość mikroprzekrojów, ponieważ klej taśmy stabilizuje ściany komórkowe podczas cięcia, uzupełniając działanie cieczy nienewtonowskiej (roztwór skrobi kukurydzianej; patrz krok protokołu 5.5).
Rysunek 1: Świder do rdzeni. (A) Świder do rdzeni, stosowany do ręcznego pobierania rdzeni, oraz powiększony widok gwintu i krawędzi tnącej. (B) Zdeformowany rdzeń z powodu wysokiego nacisku wywartego na drewno na początku ręcznego wiercenia. (C) Mikroprzekrój części rdzenia, która uległa fragmentacji z powodu mikropęknięć. Skala = 0.5 cm. (D-F) Zdjęcia przedstawiające procedurę pobierania rdzeni przy użyciu wiertarki akumulatorowej. Nie jest wymagany silny nacisk, aby rozpocząć wiercenie (D,E), uchwyt pozwala na łatwe wyciągnięcie rdzenia (F), a następnie wiertarka jest wyjmowana bezpośrednio z otworu (G). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2: Rdzeń przyrostowy wykazujący zarysowania i pęknięcia na zewnątrz w wyniku zastosowania tępego pobieraka. Pasek skali = 0.5 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 3: Rdzenie przyrostowe i powiązane z nimi mikroprzekroje. (A) Prosty rdzeń pobrany za pomocą ostrego świdra i wiertarki akumulatorowej. (B) Zniekształcony rdzeń pobrany ręcznie za pomocą tępego świdra. (C) Ciągły przekrój rdzenia Pinus sylvestris pobranego ostrym świdrem. (D) Przekrój rdzenia Larix decidua rozbitego na kawałki z powodu użycia tępego świdra. Paski skali = 0,5 cm (A,B); 1 cm (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 4: Uchwyt zaprojektowany do ostrzenia krawędzi tnącej świdrów do rdzeni przyrostowych. (A) Blok teflonowy do prowadzenia i stabilizacji świdra do rdzeni przyrostowych. (B) Blok teflonowy do mocowania uchwytu wiertarki akumulatorowej. (C) Klucz imbusowy do mocowania elementu A w innych pozycjach na płycie, w zależności od rodzaju zastosowanego świdra. (D) Zacisk do mocowania wiertarki akumulatorowej. (E) Umieszczenie stożkowego kamienia szlifierskiego wewnątrz krawędzi tnącej. (F) Umieszczenie prostego kamienia szlifierskiego na zewnątrz w celu usunięcia zadziorów z krawędzi tnącej. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 5: Zastosowanie taśmy rozpuszczalnej w wodzie. (A) Odcięcie taśmy na długość niezbędną do pokrycia powierzchni rdzenia. (B) Umieszczenie taśmy na przygotowanej powierzchni rdzenia. (C) Wycięcie sekcji poprzez przytrzymanie krawędzi taśmy jedną ręką. (D) Umieszczenie taśmy z sekcją skierowaną w dół na szkiełku przedmiotowym i dodanie wody w celu oddzielenia taśmy od sekcji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 6: Mikrosekcja drzewa iglastego ukazująca „niebieski pierścień”. Ściany komórek drewna późnego niezligninowane i przez to niebieskie w pierścieniu z roku 1974 (powiększenie powyżej preparatu przedstawiającego przekrój wzdłużny). Pasek skali = 1 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dyskusja
Znaczące włączenie anatomii drewna do badań dendroekologicznych23,24, a także zintensyfikowana wymiana między naukowcami specjalizującymi się w badaniach słojów drzew a anatomami drewna25 otworzyły szerokie pole nowych i pogłębionych analiz dawnych warunków środowiskowych. Te nowe badania otworzyły nowe możliwości i pytania, ale także zrodziły nowe problemy.
Szybki rozwój tej nowej ery "dendroanatomii" wymaga dużej liczby próbek, co zdecydowanie jest wspierane przez użycie wiertarki akumulatorowej, jak wyjaśniono wcześniej. Oprócz tego, że pobieranie rdzeni za pomocą wiertła wcale nie jest męczące, oszczędza dużo czasu. Chociaż wyniki przedstawione w tym artykule sugerują możliwości próbkowania, które są sześciokrotnie szybsze niż ręczne rdzeniowanie, jest to test dla pojedynczych rdzeni. Mimo to podczas regularnego pobierania próbek (jedna osoba drąży, przy czym jedna osoba koduje i przechowuje rdzenie) udało nam się w ciągu 1,5 godziny wydrążyć 24 świerki (po dwa rdzenie o pełnej długości), o średnicy pnia około 80 cm. Jest to średnio <2 minuty dla jednego rdzenia, w tym przechowywania, pakowania i przenoszenia do następnego drzewa.
Szybka obsługa całego procesu jest wspierana przez fakt, że nowo zaprojektowany adapter do rdzeni przyrostowych może być używany bez konieczności mocowania rdzenia wewnątrz adaptera za pomocą lub porównywalnych zamknięć. W rezultacie, zmiana wiertła na uchwyt rdzenia w celu złamania i wydobycia rdzenia jest szybka i łatwa. Adapter został zaprojektowany tak, aby można było nawet wyciągnąć rdzeń podczas wiercenia z powrotem, w przypadku gdy trzpień jest zgniły lub (jak to zwykle bywa w przypadku niektórych rdzeni przyrostowych), jeśli gwint nie chwyta się podczas obracania, a rdzeń nie wysuwa się.
Należy jednak zauważyć, że podczas wyjmowania rdzenia z trzpienia należy lekko przechylić adapter, aby można go było z powodzeniem wyciągnąć bez zsuwania się wiertła (krok 2.8 protokołu). Rosnące zapotrzebowanie na badania słojów drzew w celu stworzenia długich chronologii opartych na anatomicznych wskaźnikach zastępczych19,26 wymagało przygotowania mikrosekcji z rdzeni przyrostowych, pociętych na kawałki przed przygotowaniem lub pociętych jako całe mikrosekcje22. Chociaż jakość mikroodcinków o długości do 40 cm nadal nie zawsze jest porównywalna z krótkimi odcinkami (np. zmienny kąt komórek w ich pionowym przedłużeniu często utrudnia pomiary ściany komórkowej), można je wykorzystać do identyfikacji i datowania określonych reakcji wzrostu jako występowania reakcyjnych słojów drewna lub niebieskich słojów27 (ryc. 6).
W związku z tym jakość próbek jest podstawowym warunkiem pomyślnego przygotowania i dalszych analiz struktur anatomicznych. Zapotrzebowanie to wymaga większej ostrożności w odniesieniu do ostrości kampanii pobierania próbek podczas pobierania rdzeni przyrostowych. W konsekwencji przygotowanie mikroprzekrojów może być bardzo czasochłonne i pracochłonne, a czasem nawet niemożliwe, jeśli próbki nie zostaną wcześniej osadzone28.
Ręczne ostrzenie krawędzi tnącej rdzenia przyrostowego wymaga dużej praktyki i doświadczenia, aby równomiernie szlifować krawędź dookoła ręcznie bez żadnego podparcia. Możliwość wykorzystania nowego uchwytu wiertniczego do ostrzenia koron z przyrostem umożliwia nawet użytkownikom niedoświadczonym w ostrzeniu ostrzenie krawędzi tnącej rdzeni w terenie. Fakt, że teraz można to zrobić szybko, poprawi jakość pobieranych próbek w przyszłości.
Chociaż zastosowanie nowego sprzętu wykazuje wyraźne zalety w zakresie późniejszej obróbki rdzeni, wiertarko-wkrętarka akumulatorowa może być również łączona z małymi urządzeniami do ostrzenia, opracowanymi i zaprezentowanymi prawie 40 lat temu20. Maeglin20 zaprezentował szczegóły konstrukcyjne modyfikacji "Ostrzałki świdrowej Goodchilda" wykonanej z drewna i metalu29. W dzisiejszych czasach urządzenie to można bez problemu modelować i drukować w drukarce3D 30. Wystarczy stworzyć szczegółowy model 3D ostrzałki, aby wydrukować pojedyncze części i złożyć ją do użytku w terenie. Możliwości ulepszeń nie zostały jeszcze wyczerpane i jesteśmy pewni, że niniejsza publikacja zainspiruje wielu kolegów i koleżanki do dalszego rozwijania prezentowanych tu narzędzi. Jeszcze nierozwiązaną przeszkodą jest fakt, że aby wydobyć rdzeń, należy usunąć wiertło i dodać uchwyt rdzenia.
Ostatni etap cięcia mikrosekcji całych rdzeni inkrementacyjnych22 jest nadal trudną kwestią. Zastosowanie taśmy rozpuszczalnej w wodzie, jak opisano wcześniej, wspomaga proces poprzez stabilizację odcinka podczas cięcia i umieszczania go na szkiełku podstawowym. Niemniej jednak procedura ta nadal wymaga od użytkownika wysokiego poziomu doświadczenia.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| BS 18 LTX-3 BL QI Metabo | Wiertarka akumulatorowa | ||
| Mikrotom | rdzeniowy WSL | Mikrotom do cięcia mikrosekcji z rdzeni inkrementacyjnych | |
| Adapter wiertarski do rdzenia przyrostowego | WSL | Adapter do mocowania rdzenia przyrostowego na wiertarce akumulatorowej | |
| Rdzeń zwiększający | Haglö | Rdzeń z przyrostem 40 cm | |
| Power X3 | Wzmacniacz momentu obrotowego | Metabo | |
| Płyta nośna do ostrzenia Płyta | WSL | do mocowania bezprzewodowego dril do ostrzenia krawędzi tnącej rdzenia Taśma | |
| rozpuszczalna w wodzie 5414, przezroczysta 3/4IN | 3M | Przezroczysta taśma do cięcia długich odcinków |
Bibliografia
- Büntgen, U. Scrutinizing tree-ring parameters for Holocene climate reconstructions. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. , 778(2022).
- Hadad, M. A., González-Reyes, Á, Roig, F. A., Matskovsky, V., Cherubini, P. Tree-ring-based hydroclimatic reconstruction for the northwest Argentine Patagonia since 1055 CE and its teleconnection to large-scale atmospheric circulation. Global and Planetary Change. 202, 103496(2021).
- Shen, Y., et al. Effects of climate on the tree ring density and weight of Betula ermanii in a cool temperate forest in central Japan. Trees. , 1-9 (2022).
- Wang, X. Acoustic measurements on trees and logs: a review and analysis. Wood Science and Technology. 47 (5), 965-975 (2013).
- Downes, G. M., et al. Application of the IML Resistograph to the infield assessment of basic density in plantation eucalypts. Australian Forestry. 81 (3), 177-185 (2018).
- Tomczak, K., Tomczak, A., Jelonek, T. Measuring radial variation in basic density of pendulate oak: comparing increment core samples with the Iml power drill. Forests. 13 (4), 589(2022).
- Piene, H., D'Amours, J., Bray, A. A. Spruce budworm defoliation and growth loss in young balsam fir: estimation of volume growth based on stem analysis and increment cores at breast height. Northern Journal of Applied Forestry. 13 (2), 73-78 (1996).
- Phipps, R. L. Collecting, Preparing, Crossdating,and Measuring Tree Increment Cores. US Department of the Interior, Geological Survey. , No. 85-4148 (1985).
- Schweingruber, F. H. Tree Rings and Environment: Dendroecology. , Paul Haupt AG. Bern. (1996).
- Toole, E. R., Gammage, J. L. Damage from increment borings in bottomland hardwoods. Journal of Forestry. 57 (12), 909-911 (1959).
- Grissino-Mayer, H. D. A manual and tutorial for the proper use of an increment borer. Tree-Ring Research. 59 (2), 63-79 (2003).
- Wunder, J., et al. Does increment coring enhance tree decay? New insights from tomography assessments. Canadian Journal of Forest Research. 43 (8), 711-718 (2013).
- Helcoski, R., et al. No significant increase in tree mortality following coring in a temperate hardwood forest. Tree-Ring Research. 75 (1), 67-72 (2019).
- Hall, A. A., Bloomberg, W. J. A power-driven increment borer. The Forestry Chronicle. 60 (6), 356-357 (1984).
- Scott, J. H., Arno, S. F. Using a power increment borer to determine the age structure of old-growth conifer stands. Western Journal of Applied Forestry. 7 (4), 100-102 (1992).
- Krottenthaler, S., et al. A power-driven increment borer for sampling high-density tropical wood. Dendrochronologia. 36, 40-44 (2015).
- Caetano-Andrade, V. L., et al. Advances in increment coring system for large tropical trees with high wood densities. Dendrochronologia. 68, 125860(2021).
- Edwards, J., et al. Intra-annual climate anomalies in northwestern North America following the 1783-1784 CE Laki eruption. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 126 (3), 033544(2021).
- Zhirnova, D. F., et al. A 495-year wood anatomical record of Siberian stone pine (Pinus sibirica Du Tour) as climatic proxy on the timberline. Forests. 13 (2), 247(2022).
- Maeglin, R. R. Increment Cores: How to Collect, Handle, and Use Them. 25, US Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. Madison WI. (1979).
- Gärtner, H., et al. A technical perspective in modern tree-ring research - how to overcome dendroecological and wood anatomical challenges. Journal of Visualized Experiments. (95), e52337(2015).
- Gärtner, H., Banzer, L., Schneider, L., Schweingruber, F. H., Bast, A. Preparing micro sections of entire (dry) conifer increment cores for wood anatomical time-series analyses. Dendrochronologia. 34, 19-23 (2015).
- Rodriguez, D. R. O., et al. Exploring wood anatomy, density and chemistry profiles to understand the tree-ring formation in Amazonian tree species. Dendrochronologia. 71, 125915(2022).
- Gärtner, H., Farahat, E. Cambial activity of Moringaperegrina (Forssk.) Fiori in arid environments. Frontiers in Plant Science. 12, 760002(2021).
- von Arx, G., et al. Q-NET-a new scholarly network on quantitative wood anatomy. Dendrochronologia. 70, 125890(2021).
- Seftigen, K., et al. Prospects for dendroanatomy in paleoclimatology-a case study on Picea engelmannii from the Canadian Rockies. Climate of the Past. 18 (5), 1151-1168 (2022).
- Matulewski, P., Buchwal, A., Gärtner, H., Jagodziński, A. M., Čufar, K. Altered growth with blue rings: comparison of radial growth and wood anatomy between trampled and non-trampled Scots pine roots. Dendrochronologia. 72, 125922(2022).
- Prislan, P., del Castillo, E. M., Skoberne, G., Špenko, N., Gričar, J. Sample preparation protocol for wood and phloem formation analyses. Dendrochronologia. 73, 125959(2022).
- Heinrichs, J. F. Pocket-sized sharpender for increment borers. Journal of Forestry. 62, 653(1964).
- Schneider, L., Gärtner, H. Additive manufacturing for lab applications in environmental sciences: pushing the boundaries of rapid prototyping. Dendrochronologia. 76, 126015(2022).
Przedruki i uprawnienia
