Расширенный рабочий процесс для получения высококачественных инкрементных ядер - новые методы и устройства

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол о том, как избежать микротрещин в приращенных кернах путем применения аккумуляторной дрели с множителем крутящего момента, чтобы минимизировать проблемы при забивании деревьев, а также ее влияние на подготовку длинных микросекций. Этот протокол также включает в себя процедуру заточки кореров в полевых условиях.

Аннотация

В дендроэкологических исследованиях точное датирование каждого отдельного кольца роста является основным требованием для всех исследований, уделяя особое внимание только вариациям ширины кольца, химическому или изотопному анализу или анатомическим исследованиям древесины. Независимо от стратегии отбора проб для определенного исследования (например, климатологии, геоморфологии), способ отбора проб имеет решающее значение для их успешной подготовки и анализа.

До недавнего времени для получения образцов керна, которые можно было отшлифовать для дальнейшего анализа, было достаточно использовать (более или менее) резкий приращивание. Поскольку анатомические характеристики древесины могут быть применены к длинным временным рядам, необходимость получения высококачественных приращающих стержней приобрела новое значение. По сути, корер должен быть острым при использовании. При забивке дерева вручную возникают некоторые проблемы в обращении с корером, в результате чего скрыто возникают микротрещины вдоль всего керна: при начале сверления вручную сверло сильно прижимается к коре и самому внешнему кольцу до тех пор, пока нить полностью не войдет в ствол. При этом сверло перемещается вверх и вниз, а также в сторону. Затем корер просверливается до самого ствола; однако необходимо останавливаться после каждого поворота, менять сцепление и снова поворачиваться. Все эти движения, а также старт/стоп-коринг создают механическую нагрузку на ядро. Образовавшиеся микротрещины делают невозможным создание сплошных микроразрезов, так как они разваливаются вдоль всех этих трещин.

Мы представляем протокол преодоления этих препятствий путем применения новой методики с использованием аккумуляторной дрели для минимизации этих проблем при забивании дерева, а также ее влияния на подготовку длинных микросрезов. Этот протокол включает в себя подготовку длинных микросечений, а также процедуру заточки кореров в полевых условиях.

Введение

Дендроэкологические исследования основаны на различных характеристиках ростовых колец у деревьев, как однолетних, так и иных. «Предшествующая» дисциплина дендрохронологии была создана с использованием вариаций ширины кольца в качестве параметра, чтобы просто датировать кольца и, как следствие, установить длинные хронологии. Поэтому множество других характеристик, таких как изменения плотности, изотопные концентрации или анатомические характеристики древесины, используются для корреляции отдельных колец или их структуры и содержания с параметрами окружающей среды, чтобы лучше понять влияние условий окружающей среды на рост деревьев с течением времени.

Дендроэкология, как и дендроклиматология, приобрела все большее значение в экологических исследованиях, главным образом в реконструкции прошлых климатических условий ^1,2,3. Для этого кольца бесчисленных деревьев должны быть детально проанализированы. Хотя существуют некоторые методы определения ширины и плотности колец деревьев (например, с помощью технологии акустических волн⁴ или сопротивления бурению ^5,6), на сегодняшний день не существует надежного «неразрушающего» метода извлечения характеристик колец из деревьев. Для очень детального анализа кольцевых характеристик внутри дерева или для оценки прироста базальной площади было бы лучше вырезать диски из деревьев, представляющих интерес⁷. Это потребует вырубки всех потенциальных деревьев, представляющих интерес для конкретных анализов. Принимая во внимание огромное количество деревьев, анализируемых во всем мире каждый год, эта стратегия отбора проб неосуществима. Несмотря на трату невероятного количества ресурсов, эта стратегия просто слишком дорогая. В связи с этим в исследовании древесных колец⁸ было установлено использование штопораторов приращения. Использование инкрементных корнеров позволяет осуществлять минимально инвазивное извлечение древесных стержней из стеблей, начиная с коры и достигая (в оптимальных случаях) косточки дерева⁹.

Хотя кернирование вызывает травму стебля -отверстия диаметром ~1 см - деревья способны закрыть эту рану за счет повышенного образования древесины в непосредственной близости от отверстия ядра. Недостатком, помимо самого отверстия, является появление «зоны компартментализации», области вокруг отверстия, где клетки заполнены фенолами, чтобы предотвратить потенциальное распространение грибков, начиная с отверстия^10,11. Насколько нам известно, до сих пор нет никаких доказательств того, что постепенное засорение вызывает значительное увеличение частоты гниения деревьев, по крайней мере, в нетронутых высокогорных лесных насаждениях для Picea abies¹² и нескольких лиственных пород в умеренном лесу¹³.

Хотя этот стандарт выборки применяется в течение десятилетий во всем мире, некоторые проблемы все еще остаются. Одним из них является тот факт, что сердечники приходится брать вручную без какой-либо механической поддержки, что занимает много времени и довольно утомительно через некоторое время. Для облегчения отбора проб было опробовано несколько (более или менее практичных) стратегий, таких как использование бензопил, оснащенных коронером вместо^цепи 14,15,16,17. Использование бензопил было предпочтительнее дрелей, поскольку последние были недостаточно мощными; однако эта идея не прижилась из-за большого веса бензопилы и необходимого топлива.

В последние годы анатомические методы древесины значительно эволюционировали и были интегрированы в дендроэкологические исследования^18,19. Однако способность анализировать анатомические параметры древесины в течение длительных периодов времени путем вырезания микросечений из приращенных кернов привела к неожиданным проблемам. Часто микросекционные участки, взятые из стержней, разбивались на мелкие кусочки, что делало невозможным получение когерентных разрезов (рисунок 1). Эта проблема была вызвана ручной техникой забивки деревьев и нерезких кореров. Механическое воздействие, оказываемое на древесину во время бурения, привело к микротрещинам в сердцевине. Эти микротрещины никогда не были замечены при макроскопическом исследовании сердечников приращения и, следовательно, никогда не представляли проблемы.

Ручное забивание производится путем размещения рукоятки на заднем конце корера, прижимания наконечника резьбой к штоку и начала поворачивать рукоятку до тех пор, пока корер не проткнет чуть более половины диаметра стебля. При этом кончик корера (очевидно) фиксируется в штоке, но задний конец корера, повернутый рукояткой, всегда движется вбок или вверх и вниз, по крайней мере, до тех пор, пока буровая головка не будет полностью ввинчена в ствол, давая большее наведение и стабильность кореру. В результате высокого давления и движения штопора сердечники приращения часто искажаются в пределах ~5 см (рисунок 1). Даже если трение при повороте сведено к минимуму, другой процесс оказывает нагрузку на сердечник приращения внутри корера. Ручное забивание не допускает непрерывного движения режущей кромки корера внутри стебля. Можно сделать максимум один полный оборот, прежде чем остановиться, чтобы изменить сцепление, а затем продолжить бурение. Каждый раз, когда вращение возобновляется, ядро слегка скручивается до тех пор, пока трение не будет преодолено и дрель снова не вращается. Эти механические напряжения потенциально вызывают микроскопические трещины в структуре сердечников.

Это механическое напряжение даже увеличивается, когда режущая кромка корера не острая. Видимым признаком для нерезкого корера является неровная поверхность ядра, показывающая множество трещин вдоль всего его расширения²⁰ (рисунок 2). Частота заточки зависит от плотности деревьев, подлежащих орошению, и минералов или песка, присутствующих в коре дерева, подлежащего орошению. В общем, не следует предполагать, что новые кореры острые. На сегодняшний день заточка корера практически никогда не делается в полевых условиях из-за сложности этого, так как это приходится делать вручную и требует большого опыта^11,20.

Подводя итог, можно сказать, что ручное бурение и нерезкие режущие кромки приводят к микротрещинам, возникающим в взятых сердечниках. До настоящего времени эти проблемы не анализировались систематически, не предпринимались попытки найти решения. В этой статье представлен протокол преодоления этих препятствий путем сравнения метода ручного бурения с применением нового метода. Мы предлагаем использовать аккумуляторную дрель, оснащенную специальным адаптером для приращивания штопора. Мы представляем, в какой степени проблемы сведены к минимуму при забивании дерева, а также влияние непрерывного механического отбора на подготовку длинных микросечений. Этот протокол включает в себя подготовку длинных микросрезов с использованием водорастворимой ленты в качестве вспомогательного средства и процедуру заточки кореров в полевых условиях.

Протокол

1. Ручное бурение

1. Соберите приращающий корнер и выберите положение штока на стебле дерева в зависимости от исследовательского вопроса (например, для геоморфных реконструкций, параллельных направлению механического напряжения; для определения возраста, как можно ниже).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Всегда берите по два ядра от каждого стебля, желательно в противоположном направлении.
2. После выбора положения пробоотника расположите корер под прямым углом относительно направления роста стебля.
3. Поместите толкатель на задний конец корера, чтобы стабилизировать его во время сверления.
4. Достигните стабильного положения и прислонитесь к толкателю, чтобы оказать давление на режущую кромку.
5. Поворачивайте рукоятку корера обеими руками до тех пор, пока резьбовая часть сверла полностью не превратится в шток.
6. Отпустите давление и снимите толкатель.
7. Начните поворачивать рукоятку корера обеими руками до тех пор, пока корер не достигнет или не просверлится через пит. Проверьте это, удерживая экстрактор (который имеет ту же длину, что и corer) на ручке в стороне от стебля.
8. Возьмите экстрактор с открытой стороной сверху и вставьте его полностью в корер. Поверните корер назад (один полный оборот), чтобы сломать сердцевину от стебля. Вытащите экстрактор из корера.
9. Извлеките сердцевину из экстрактора и храните ее в бумажной соломинке.
10. Снимите корнер со стебля и сохраните его в рукоятке.

2. Кернинг с аккумуляторной дрелью

1. Возьмите аккумуляторную дрель, оснащенную усилителем крутящего момента, и добавьте специальный адаптер для инкрементного уборщика, разработанного на WSL.
2. Поместите приращительный штопор в адаптер на усилителе крутящего момента и выберите положение для забивки на стебле дерева в зависимости от исследовательской задачи (см. шаг 1.1).
3. После выбора положения пробоотника расположите корер под прямым углом относительно направления роста стебля.
4. Достигните устойчивого положения, крепко держите аккумуляторную дрель и надавите на режущую кромку.
5. Запустите аккумуляторную дрель, медленно поворачивая до тех пор, пока резьбовая часть сверла не будет полностью погружена в шток, затем увеличьте скорость до тех пор, пока корер не достигнет или не просверлит через пита.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Глубину можно проверить, как описано в шаге 1.7.
6. Снимите аккумуляторную дрель с корера, поместите на нее ручку и используйте экстрактор для удаления сердечника, как описано в шаге 1.8.
7. Храните сердцевину приращения в бумажной соломинке.
8. Снимите ручку, поместите аккумуляторную дрель на корер и снимите корер со стебля.

3. Заточка режущей кромки штопоров

1. Использование поддержки резкости WSL
   1. Возьмите недавно разработанный держатель и положите его на землю.
   2. Поместите аккумуляторную дрель, включая штопор, в назначенные точки опоры и закройте монтажный кронштейн, чтобы закрепить аккумуляторную дрель.
   3. Запустите аккумуляторную дрель, закрепив тефлоновый блок на кнопке стартера и дайте ему работать. Возьмите конический шлифовальный камень и отшлифуйте им внутреннюю часть режущей кромки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Угол контакта зависит от внутренней части режущей кромки. Шлифовальный камень должен иметь полный контакт с внутренней боковиной, доходя от режущей кромки до внутреннего расширения корера.
   4. Возьмите прямоугольный точильный камень и отшлифуйте внешнюю сторону режущей кромки, чтобы снять заусенцы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого необходимо удалить ранее образовавшийся заусенец на краю, отшлифовав его изнутри и окончательно заострить край.
   5. Снимите тефлоновый блок с кнопки стартера , чтобы остановить дрель, откройте монтажный кронштейн, чтобы освободить аккумуляторную дрель, и выньте устройство из держателя.
2. Проверка резкости режущей кромки
   1. Снимите штопор с адаптера аккумуляторной дрели.
   2. Поместите лист бумаги на деревянную доску заточки опоры.
   3. Поместите режущую кромку корера на бумагу, удерживая ее вертикально.
   4. Поверните корер, удерживая его вертикально, не оказывая давления на корера - только вес корера должен давить на бумагу.
   5. Поднимите корнер и проверьте, остался ли круглый лист бумаги внутри режущей кромки корера. Если это так, то корер острый. Если нет, повторите процедуру заточки (шаг 3.1). Повторите всю процедуру (шаги 3.1 и 3.2), если внешняя часть ядра не гладкая.

5. Вырезание микросечений целых приращающихся стержней с помощью водорастворимой ленты

1. Поместите длинную стеклянную горку рядом с микротомом и добавьте немного воды в середину слайда по всей его длине.
2. Поместите ядро в держатель образца микротома сердечника.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы разрезать сечение как истинное поперечное сечение, убедитесь, что направление волокон вертикальное.
3. Поднимите держатель образца до тех пор, пока сердцевина почти не коснется края лезвия. Потяните лезвие над сердцевиной, чтобы отрезать верхнюю часть.
4. Снова поместите нож в начало сердцевины, поднимите образец примерно на 10 мкм и повторяйте процедуру резки до тех пор, пока не будет получена плоская поверхность шириной не менее 2 мм.
5. Добавьте раствор кукурузного крахмала на поверхность среза с помощью щетки²¹.
6. Используйте кусок ткани, чтобы удалить излишки раствора с верхней части сердцевины.
7. Нарежьте полоску водорастворимой ленты на ту же длину, что и сердцевина; поместите одну сторону ленты к началу сердечника, с перекрытием примерно 1 см, с началом сердечника, обращенным к лезвию микротома.
8. Прикрепите ленту к поверхности сердцевины, поглаживая ленту по поверхности пальцем.
9. Поднимите образец в микротоме на 15-20 мкм, немного приподнимите перекрывающийся кусок ленты и поместите лезвие микротома на край сердечника.
10. Вырежьте участок, удерживая конец ленты.
11. Возьмите ленту с наклеенным на нее тонким сечением и поместите ее разрезом лицом вниз на линию воды стеклянной горки, подготовленной на шаге 5.1.
12. Примерно через 10 с начните снимать ленту с помощью пинцета, удерживая ленту с одной стороны и поднимая ее вверх, при этом следя за тем, чтобы секция оставалась на стеклянной горке.
13. Чтобы создать постоянный слайд этого раздела, следуйте стандартным процедурам²².

Результаты

При сравнении ручной процедуры бурения с использованием аккумуляторной дрели преимущества последней очевидны. Мы сравнили ели (Picea abies (L.) H. Karst.) с диаметром стебля при высоте груди 60-80 см. Мы использовали 5 мм кореры, длиной 40 см, для всех взятых кернов, и просверлили всю длину корера в стебель. При взятии стержней вручную полная процедура взятия керна и повторного удаления корера с дерева занимала в среднем ~6 мин. При повторении этого с помощью аккумуляторной дрели, оснащенной усилителем крутящего момента, вся процедура занимала в среднем всего 1 мин. Помимо того, что забивка аккумуляторной дрелью совсем не изнурительна, ни один из кернов не был деформирован, из-за давления, оказываемого на режущую кромку во время первого этапа бурения до тех пор, пока резьба полностью не окажется внутри штока. Как только нить оказывается внутри стебля, корер более или менее стабилизируется, а потенциальные движения вверх и вниз сводятся к минимуму (рисунок 3).

Как только первый сердечник перестал быть гладким снаружи, но показал царапины и трещины, как на рисунке 2, потребовалась заточка режущей кромки. Потому что аккумуляторную дрель можно закрепить, так как она используется для забивки (т.е. включая адаптер и приращивание штопора; Рисунок 4), процедура заточки также довольно быстрая. При небольшой практике заточка занимает не более 5 минут. Как только разрезанная бумага прилипнет внутрь корера, отбор проб может быть продолжен. Полученные сердечники гладкие без каких-либо царапин или трещин. Керны, взятые с помощью аккумуляторной дрели, имеют меньшую вероятность появления микротрещин; это предварительное условие для вырезания микросекрей целых ядер приращения. Применение водорастворимой ленты (рисунок 5) облегчило обработку длинных и хрупких участков, так как лента защищает тонкий участок от разрыва при снятии его с лезвия и размещении на стеклянной горке. Эта процедура экономит время в лаборатории и улучшает качество микроразрезов, поскольку ленточный клей стабилизирует клеточные стенки при резке в дополнение к неньютоновской жидкости (раствор кукурузного крахмала; см. протокол шаг 5.5).

Рисунок 1: Приращение штопора. (A) Приращение штопора, используемое для ручного забивания, и увеличенный вид резьбы и режущей кромки. (B) Искаженный сердечник приращения из-за высокого давления, оказываемого на древесину в начале ручного укупорки. (C) Микросечение части приращенного сердечника, фрагментированного из-за микротрещин. Шкала стержня = 0,5 см. (D-F) Фотографии, указывающие на процедуру забивки при использовании аккумуляторной дрели. Для начала бурения (D, E) не требуется высокое давление, ручка может быть легко использована для извлечения керна (F), а сверло извлекается непосредственно после этого (G). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Наращивание сердечника, показывающее царапины и трещины снаружи из-за использования нерезкого корера. Шкала = 0,5 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Приращение кернов и связанных с ними микросечений. (А) Прямой керн, взятый с помощью острого штопора и аккумуляторной дрели. (B) Искаженное ядро, взятое вручную с помощью нерезкого корера. (C) Непрерывное сечение керна Pinus sylvestris , отобранного с помощью острого корера. (D) Секция ядра Larix decidua разбита на куски из-за использования нерезкого корера. Шкала стержней = 0,5 см (A,B); 1 см (С). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Держатель, предназначенный для заточки режущей кромки штопоров. (А) Тефлоновый блок для направления и стабилизации инкрементного штопора. (B) Тефлоновый блок для фиксации стартера аккумуляторной дрели. (C) Шестигранный ключ для фиксации A в других положениях на доске, в зависимости от типа используемого корера. (D) Зажим для фиксации аккумуляторной дрели. (E) Размещение конического шлифовального камня внутри режущей кромки. F) Размещение прямого шлифовального камня снаружи для снятия заусенцев режущей кромки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Применение водорастворимой ленты. (А) Отрежьте ленту на длину, необходимую для покрытия поверхности сердечника. (B) Поместите ленту на подготовленную поверхность сердечника. (C) Отрежьте секцию, держа край ленты в одной руке. (D) Поместите ленту с секцией вниз на стеклянную горку и добавьте воду, чтобы отделить ленту от секции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Микросекция хвойника, показывающая «синее кольцо». Клеточные стенки позднего дерева не одревесены и, за это, синие, в кольце 1974 года (увеличены над слайдом, показывающим длинный участок). Шкала = 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Обсуждение

Значительное включение анатомии древесины в дендроэкологические исследования^23,24, а также интенсивный обмен между учеными, специализирующимися на исследованиях древесных колец, и анатомами древесины²⁵, открыли широкое поле для нового и углубленного анализа прошлых условий окружающей среды. Эти новые исследования открыли новые возможности и вопросы, но также породили новые проблемы.

Быстрое развитие этой новой эры «дендроанатомии» требует большого количества образцов, что, безусловно, поддерживается использованием аккумуляторной дрели, как объяснялось ранее. Помимо того, что взятие кернов с дрелью совсем не утомительно, это экономит массу времени. Хотя результаты, представленные в этом документе, подразумевают возможности выборки, которые в шесть раз быстрее, чем ручное бурение, это тест для одиночных ядер. Тем не менее, во время регулярного отбора проб (один человек забивал, с одним кодированием и хранением кернов) нам удалось задержать 24 ели (два ядра полной длины каждый), с диаметром стебля около 80 см, в течение 1,5 ч. Это в среднем <2 минуты для одного ядра, включая хранение, упаковку и перемещение к следующему дереву.

Быстрая обработка всего процесса поддерживается тем фактом, что недавно разработанный адаптер для инкрементных упоров может использоваться без необходимости фиксации штопора внутри адаптера винтом или сопоставимыми затворами. В результате замена сверла на рукоятку корера для разрушения и извлечения керна происходит быстро и легко. Адаптер спроектирован таким образом, что можно даже вытащить корер во время сверления назад в случае, если стебель гнилой, или (как это часто бывает с некоторыми приращающими упорами), если резьба не захватывает при повороте назад, и корер не выходит.

Однако следует отметить, что при снятии корера со штока нужно слегка наклонить переходник, чтобы его можно было успешно вытащить без соскальзывания дрели (протокол шаг 2.8). Растущий спрос на исследования древесных колец для создания длинных хронологий на основе анатомических прокси^19,26 потребовал подготовки микросекреций из приращенных стержней, разрезанных на куски перед подготовкой или разрезанных как целые микросекции²². Хотя качество микросечений длиной до 40 см все еще не всегда сопоставимо с короткими срезами (например, переменный угол клеток в их вертикальном расширении часто затрудняет измерения клеточной стенки), их можно использовать для идентификации и датирования конкретных реакций роста как возникновения реакционной древесины или синих колец²⁷ (рисунок 6).

Следовательно, качество образцов является основной предпосылкой для успешной подготовки и дальнейших анализов анатомических структур. Это требование требует большей осторожности в отношении резкости выборочной кампании при взятии инкрементных ядер. Как следствие, подготовка микросекций может быть очень трудоемкой и трудоемкой, а иногда даже невозможной, если образцы не встраиваются предварительно²⁸.

Заточка режущей кромки приращенного штопорщика вручную требует большой практики и опыта, чтобы равномерно шлифовать край вручную без какой-либо поддержки. Возможность использования нового сверлильного крепления для заточки приращающихся стержней позволяет даже пользователям, неопытным в заточке, затачивать режущую кромку своих укупоров в полевых условиях. Тот факт, что это сейчас можно сделать быстро, повысит качество взятых проб в будущем.

Хотя использование нового оборудования показывает явные преимущества для последующей обработки кернов, аккумуляторную дрель также можно было комбинировать с небольшими устройствами для заточки, разработанными и представленными почти 40 лет назад²⁰. Maeglin²⁰ представил конструктивные детали модификации «Точилки Гудчайлда» из дерева и металла²⁹. В настоящее время это устройство можно моделировать и печатать на 3D-принтере без каких-либо проблем³⁰. Нужно будет только создать подробную 3D-модель точилки, чтобы напечатать отдельные детали и собрать ее для использования в полевых условиях. Возможности для совершенствования еще не исчерпаны и мы уверены, что эта публикация вдохновит многих коллег на дальнейшее развитие представленных здесь инструментов. Еще не решенным препятствием является тот факт, что нужно снять дрель и добавить ручку корера для извлечения керна.

Заключительный этап резки микросекреций целых приращающихся^{стержней 22} по-прежнему является сложным вопросом. Применение водорастворимой ленты, как описано ранее, поддерживает процесс, стабилизируя сечение при резке и укладывая его на стеклополк. Тем не менее, эта процедура по-прежнему требует от пользователя высокого уровня опыта.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
BS 18 LTX-3 BL QI	Metabo		Аккумуляторная дрель
Сердечник-микротом	WSL		Microtome для вырезания микросекций из приращенных кернов
Адаптер для сверла для инкрементного пробоотборника	WSL		Адаптер для фиксации инкрементного пробоотборника на аккумуляторной дрели
Инкрементный пробоотборник	Haglö		Пробка с шагом 40 см
Power X3	Metabo		Усилитель крутящего момента
Опорная доска для заточки	WSL		Доска для крепления аккумуляторной дропы для заточки режущей кромки пробоотборника
Водорастворимая лента 5414, прозрачная 3/4IN	3M		Прозрачная лента для поддержки резки длинных секций