En Venturi Effect kan hjälpa bota våra träd

Environment

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Jämfört med de mer traditionella hål-baserade metoder, varav de flesta kräver att trädet som skall borras, verktyg med linsformade blad förändra grunderna i endotherapy lätta stängningen av såret och låta det naturliga upptaget av lösningarna.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Montecchio, L. A Venturi Effect Can Help Cure Our Trees. J. Vis. Exp. (80), e51199, doi:10.3791/51199 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

I vedartade växter, flyttar xylem sap uppåt genom kärlen på grund av en minskande gradient av vattenpotentialen från grundvattnet till bladverket. Enligt dessa faktorer och deras dynamik, kan små mängder av sap-kompatibla vätskor (dvs. bekämpningsmedel) injiceras i xylem systemet, når sitt mål från insidan. Denna endotherapic metod, kallad "trunk injektion" eller "trunk infusion" (beroende på huruvida användaren levererar ett yttre tryck eller ej), begränsar de pålagda kemikalier endast inom målet träd, vilket gör det särskilt användbart i urbana situationer. De huvudsakliga faktorer som begränsar omfattande användning av de traditionella borrmetoder är relaterade till de negativa biverkningarna av de hål som måste borras upp runt stammen omkrets i syfte att få tillgång till de xylem fartyg under barken.

Universitetet i Padova (Italien) har nyligen tagit fram en handbok, borra fria instrument med en liten, perperforerade blad som kommer in i stammen genom separation av träliknande fibrer med minimal friktion. Vidare minskar den dubbelt konvexa formade bladet fartygens tvärsnitt ökande sav hastighet och tillåta den naturliga upptagningen av en extern vätska upp på bladen, när tranhastigheten är betydande. Portar delvis nära snart efter avlägsnandet av bladet på grund av den naturliga elasticitet och saftspändhet av växtvävnader, och den cambial aktivitet bordar läkningsprocessen i några veckor.

Introduction

På senare tid har bålen endotherapy successivt ersatt traditionella luft sprutmetoder i vedartade växter 1-6, men det är ingen ny idé. I den 15: e-talet beskrev Leonardo Da Vinci i detalj hur han kunde berusa äpplen genom att injicera arseniklösning i bagageutrymmet på ett äppelträd genom djupa hål gjorda med en gimlet 7. Inte mycket har förändrats sedan dess: kemikalier lätt tillgängliga i naturen har successivt ersatts med mer effektiva syntetiska aktiva ingredienser (insekticider, fungicider, baktericider, gödningsmedel, tillväxtreglerande medel och torkmedel). Atmosfärstryck injektioner utvecklats till högt tryck, och handdrivna gimlets har ersatts av moderna batteri borrar 8-10. Tyvärr, även den skarpaste borr tårar och överhettas den cambial vävnaden ansvarig för hålet stängning. Följaktligen lindas stängning försenad och stora delar av de angränsande vedartade vävnaderna förlorar sin roligactionality ("missfärgat trä") från injektionsstället till flera meter över och under 11. Dessutom kan unplugged hål lätt koloniseras av bakterier och svampar lockas av blödning sav och leder till långsiktig intern förfall, med åtföljande förlust av trä styrka och stabilitet 12,13.

Att inse att 1) en grupp av längsgående fibrer separerar efter en linsformad bikonvex geometri (Figur 1a), och 2) sap rörelser till fartyg uppfyller Bernoullis princip om fluiddynamik, år 2011 vid universitetet i Padova utformat en ny 14 borr fria endotherapic instrument med en väsentlig linsformade, bikonvexa och ihåliga blad som kommer in i träet som skiljer dess fibrer. På detta sätt är inre xylematic fartyg nått med minimal friktion (Figur 1b), och den tillfälliga sänkningen av deras avsnitt ökar SAP hastighet, accelerera det naturliga upptaget av en extern vätska(Figur 1c, Video 1) 15,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

  1. Utför behandlingar lämpligen mellan knopp paus och sensommaren, i soliga och blåsiga dagar, enligt allmänna regler i träd endotherapy 17.
  2. Använd handskar, skyddsglasögon och annan säkerhetsutrustning enligt gällande bestämmelser.
  3. Bekanta dig med instrumentet, demontering och återmontering det. Dess huvudsakliga komponenter redovisas i Figur 2.
  4. Få känner till metoden, som beskrivs i följande steg och i Video 2. Börja träna infusionsteknik med hjälp av vatten i en FN-beskäras träd med mjuk bark, fullt utvecklad kapell och mycket breda blad (dvs. Platanus spp.., Quercus spp..).
  5. Använd endast giftiga vätskor (insekticider, fungicider, torkmedel, etc.) som är godkända för träd injektion enligt lokala eller nationella bestämmelser, och efter utspädning enligt tillverkarens uppgifter (se etiketten).
  6. Mät omkretsen (CRF = diam x 3,14) av trädet på breast höjd och beräkna mängden lösning i enlighet med den tekniska information som vätskans producent (dvs om CFR är 190 cm och dosering är 0,7 ml / cm, ett totalt belopp på 133 ml utspädd vätska injiceras).
  7. Beräkna antalet portar som ska göras efter diametern (diam) eller omkrets (CRF) i brösthöjd, planerar 1 port/25-30 cm CRF och avrundning resultatet till följande enhet (dvs. 190 cm CRF = 6,3 = 7 portar).
  8. Beräkna avståndet mellan hamnarna i enlighet med den slutliga antalet portar (dvs. 190 cm / 7 portar = 27 cm)
  9. Beräkna den slutliga vätskevolymen / port (dvs 133 cc totalt / 7 portar = 19 ml / port).
  10. Vid användning av förfyllda kapslar, beräkna antalet portar enligt tillverkarens instruktioner.
  11. Välj ekvidistanta insättningsplatser (dvs. 7) längs omkretsen på de första 150 cm från marken, föredrar lätt konvex, smooth platser över rot nödraketer.
  12. Undvik del med avvikelser som kan störa sav dynamik, över eller under insättningsstället (t.ex. kvistar, trä förfall, beskärning).
  13. Om nödvändigt ytligt släta barken med en kniv för att tillåta den yttre packningen att göra en perfekt tätning med barken. Om webbplatsen är för grovt eller för böjd, flytta några cm åt sidan.
  14. Välj ett blad med en längd kompatibel med både barktjocklek och trädets diameter och skruva fast den på kroppen. I lövträd, måste minst 2 cm in i vedartade vävnader i barrträd och palmer, längre blad är att föredra för att övervinna de hartskärlen eller på grund av Monocotyledonae anatomi, respektive.
  15. Fyll en engångsläkemedelsspruta (den billigaste och mest effektiva lösningen) av lämplig volym med den lösning som krävs för en insättning (dvs 17.14 ml), håller kolven i minst 3 cm djup (dvs. en ml spruta 20).
  16. Som ett alterhemma i sprutan, använd någon behållare för träd injektioner (dvs. droppa påsar, påfyllningsbara sprutor, förfyllda kapslar, externa tankar) som stämmer med det koniska hålet (kvinnliga injektionsnål standard) eller 1/8 "gänga placerad på verktygets arm .
  17. Håll kroppen stadigt med en hand, att rikta klingan till trädet centrum. Bladets kant måste riktas parallellt med fibrerna (dvs vertikalt).
  18. Med den andra handen slå glidhammare på kroppen tills den yttre latex packningen är helt pressas.
  19. För in sprutan i den koniska öppningen och försiktigt dra ut kolven: luft som kommit in i instrumentet under slagverk kommer att strömma ut genom vätskan. Resistansen hos kolven indikerar perfekt införing av bladet. Notera: med olika kopplingar luft inte kan dras ut och behandling kommer att vara långsammare.
  20. Vänta på totala upptaget.
  21. Om infusionen är snabb (dvs. 10 ml / 1 min), till decrease det totala antalet hamnar fylla på behållaren innan det är tomt och sedan räkna antalet portar. Notera: för att säkerställa en god fördelning av vätskan till canopy, åtminstone en port / 40 cm avstånd längs omkretsen föreslås.
  22. Om infusion tar för lång tid (mer än 1 ml / min, dvs under molniga dagar eller i barrträd och palmer) vända sig till injektion ljusläge, att sätta i kolven och applicera ett lågt tryck med tummen, eller ansluter verktyget till en trycksatt tank (ca 1,5 bar, figurerna 3a och b).
  23. Om injektionen inte händer, skjuta upp behandlingen tills lämpliga fysiologiska och klimatförhållanden råder.
  24. När behållaren är tom, vänta tills den återstående vätskan för att avsluta bladet (8-10 sek), ta bort sprutan och extrahera bladet genom att slå hammaren i den motsatta riktningen.
  25. Flytta till nästa hamn.
  26. Använd en inert vax eller tuggummi om skydd av såret är önskvärd eller obligatoriskt. Ingente: beskärning eller ympning tandkött som innehåller bekämpningsmedel kan vara fytotoxiska för cambium, bromsa såret stängning.
  27. I fråga om anläggningar som drabbats av smittsamma sjukdomar, desinficera både bladet och kroppen efter behandlingen. Där lokalt acceptabelt, använda alkohol eller väteperoxid. Vid värmedesinfektion, ta bort både den externa och två interna gummipackningar och behandla dem var för sig, eller ersätta dem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tack vare sin lilla storlek och unika form, betyder det linsformade bladet inte bort cambial och träig vävnad och i jämförelse med traditionella borrar hål, är såret synbart mindre (figur 4a). Vanligtvis är kanterna på hålet långsamt compartmentalized av cambial vävnader (figur 4B1), ofta på grund av överhettning under borrningen. Omvänt, efter behandlingen av samma träd med en linsformad kniv, vedartade fibrer att återgå till sin tidigare form och kambium börjar producera meristematiska vävnader i ett par dagar. Främst i lövträd, är denna synlig efter loss barken (figur 4b2 och c). Vanligtvis, efter några månader, såret är helt läkt, med en liten mängd underliggande missfärgat trä (Figur 5), vilket gör att ytterligare behandlingar om trädet inte används för högkvalitativt virke.

På grund av sin form, ger bladet en "Venturi effect ". Denna fysiska fenomen sker när vätskans hastighet i en kanal är betydande (Video 1), och i ett träd de viktigaste variablerna som påverkar SAP hastigheten är förknippade med bladtranspiration. Enligt våra preliminära resultat, infusioner är snabbare i lövträd med ringformade eller minskande trä porositet, och när vätskan appliceras i konvexa eller plana ytor som ligger nära botten eller på rot nödraketer (Video 2, Figur 6). De bäst presterande miljöförhållandena är under dagtid, med jord fukthalt nära 60% och svag vind (Figur 7). Under normala förhållanden, till exempel, en London-planet (Platanus acerifolia) kan spontant upptag 10 ml av insekts abamectine på mindre än 1 minut, och under idealiska förhållanden runt 1 L i 10 min 18.

När SAP hastigheten är för låg (suboptimala miljöförhållanden, trädslag med intrinsically långsam sav, som barrträd och palmer), kan den upp-ta försiktigt tvingas genom att applicera lite lätt tryck från utsidan (injektion).

Som en allmän regel i träd endotherapy behöver lokal infusion av vätskor längs stammen inte garantera snabb sloka till bladen. Figur 8 rapporterar den upp-tar tid att bladen i pedunculate ek (Quercus robur) visar att, utan yttre tryck appliceras, vatten behöver minst 6 timmar för att nå löv, och att upptagstider kan fördubblas med hjälp av aktiva ingredienser, men formulerade för endotherapy. Dock är hastigheten och inte den leveransmetod är den begränsande faktorn: Figur 9 visar att upp-ta på bladen genom infusion händer också i palmerna, som kännetecknas av mycket långsamma sap dynamik. I detta fall, tar det ca. 24 timmar, under det att samma resultat uppnås genom att borra hål i ca. Tre timmar, att applicera en 50 psi tryck.

Wide, statistiskt baserade test på effekten av de injicerade kemikalier mot enskilda skadegörare har inte utförts, är relaterad till många variabler (dvs. trädarter, fysiologisk status, angrepp grad, aktiva ingredienser och formuleringar), men preliminära försök med abamectine 6% för att styra bladlöss på Prunus spp.. och Cedrus libani, Cameraria ohridellaAesculus hyppocastanum och Thaumetopoea pityocampa både Cedrus spp.. och Pinus spp., gav positiva resultat 19.

Figur 1
Figur 1. Fördelar med linsformade blad. Genom att införa ett objekt av godtycklig form i en grupp av fibrer, de separerar i enlighet med en linsformad bikonvex geometri (a). Till skillnad från befintliga nålar, en linsformade blad separat s fibrerna med minimal friktion och skador (b). Bladet formen medför en tillfällig minskning av fartygens tvärsnitt, som producerar en "Venturi-effekten": SAP trycket sjunker och dess hastighet ökar. När den naturliga hastigheten av SAP är betydande, är vätskor från en extern källa passivt absorberas av trädet (c). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 2
Figur 2. Components. Instrumentet är helt manuell och har utbytbara blad med olika längd, en kropp för anslutning till vätskebehållaren, och en glidhammare för axiell införing och extraktioner för den minst skada på träd (figur modifierad från 16)./ Files/ftp_upload/51199/51199fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Figur 3
Figur 3. Lågtrycks injektioner. Tumtryck vanligen är tillräcklig för att slå från infusion injektion när naturliga sav hastigheten är för långsam (a). Flera anslutningar till trycksatta tankar påskynda behandlingen (b). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 4
Figur 4. Förslutningstider. Jämförelse mellan en traditionell 4 mm diameter borrhål och blad sår före behandling (en Betula pubescens). Borttagning av bark 4 veckor efter behandling, är kanten av hålet mindre men märkbart nekrotisk (b1), medan den större bladet men mindre traumatiska sår, är perfekt tillsluten av meristematiska vävnader (b2; två diametralt motsatta behandlingar i samma Populus nigra) . Fullständig stängning efter 1 månad (c, Aesculus hyppocastanum). Alla behandlingar på knopp brytning med abamectine 6%, bar:. 5 mm Klicka här för att visa en större bild .

Figur 5
Figur 5. Missfärgat trä Tolv månader efter behandling, förlängning av missfärgat trä (a, Populus nigra, bar:. 5 mm, b, Betula pendula, potassium fosfater 25%). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 6
Figur 6. Injektions tiderna förändras med insprutningsläge och trä porositet. Enligt preliminära resultat, händer det snabbaste infusioner hos friska lövträd med ringformade eller minskande trä porositet, i konvexa eller plana ytor som ligger nära botten eller på rot nödraketer (min/10 ml abamectine 0,1%, markfuktigheten 60%, vind 4 knop, fullt utvecklade blad). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 7 Figur 7. Miljö variabler påverkar upp-ta fart. Enligt preliminära resultat, bäst presterande variabler dagtid, markfuktigheten nära 60% och svag vind (minuter att upptag 10 ml abamectine 0,1%, 0 psi, fullt utvecklade blad). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 8
Figur 8. Up-ta tid på bladen. Att använda röd safranin som markör, vätskor infunderas i pedunculate ek (Quercus robur) tar avsevärt olika tider som ska upptäckas i bladskaft, beroende på trycket och aktiva vätske funktioner (hr/10 ml vätska, markfuktigheten 60%, vind 4 knop, fullt utvecklade blad, Abam = abamectine, TBZ = tiabendazol, H 3 PO 3 = pott assium phosphytes,. samtliga produkter kommersiellt formulerade för bålen injektion) Klicka här för att visa en större bild .

Figur 9
Figur 9. Up-ta tider i handflatorna. Är Palmer kända för sin mycket långsam sav hastighet. De två bilderna visar förekomsten av färgade insekticid i bladskaft (a) och blad (b) ca. 24 tim från infusion (Trachycarpus fortunei, abamectine 0,1% och safranin, 0 psi, bar: 5 mm). Klicka här för att visa en större bild .


Video 1.1.wmv "target =" _blank "> Klicka här för att se film 1." Venturi effekten "Åtgärd 1:. Gång minskat tvärsnittsarean, när vattenhastigheten är betydande denna fysiska fenomen sker Åtgärd 2:. Enligt naturliga sav hastighet, händer samma effekt med en linsformad klinga tillfälligt minska fartygets sektionen (videohastigheten upp 8x, körsbär träd, Prunus cerasifera, kaliumfosfat 25%).


. Video 2 Klicka här för att se film 2. Infusion Naturliga upptag i Cherry tree (Prunus cerasifera, kaliumfosfat 25%)..

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Trots de erkända fördelarna med träd endotherapy miljö, fram till nu den viktigaste faktorn som begränsar en bredare spridning av denna metod har relaterats till de negativa biverkningarna av borrhålen som används i traditionella tryckmetoder (dvs. försenad tillslutning av sår, parasitinfektioner genom hålet, produktion av inaktiva discolored träet).

Till skillnad från andra metoder, har den beskrivits som planeras för att arbeta i enlighet med värd fysiologi, med tanke på leverans takt som av mindre betydelse för behandlingen lyckas.

Ur synvinkel av en professionell användare, är detta en begränsning av tekniken. I själva verket, med metoder som bygger på yttre tryck, leveranstider är förutsägbara även i sub optimala förhållanden, och antal växter som ska behandlas per dag lätt kan planeras. Med den beskrivna tekniken i stället upptagshastighet är direkt relaterad till den mängd vatten simultandigt spridda genom bladtranspiration, och i sub optimala förhållanden kan det vara långsammare än önskat. I detta fall kan upptaget uppmuntras genom att försiktigt applicera en låg yttre tryck, som inte överstiger 1,5 bar. Enligt projektets strategi och väntar på bättre villkor är den föreslagna val när blad tran är inte optimal.

En kritisk punkt avser vätskor distributionen inne vedartade växter. Faktum är att medan en stor mängd vetenskapliga data finns tillgängliga på tryck injektioner, lite är för närvarande förstås om dynamiken som leder till den bästa spridningen av kemikalier i hela trädet när den tillämpas med hjälp av infusion. Pågående undersökningar vid universitetet i Padova stärker hypotesen att det enligt formulering, kan trädslag och hamn läge, mindre förändringar i vätskan pH avsevärt påskynda naturliga upptag.

Enligt de nya trenderna inom modern trädodling 11,17,20, detta paper föreslår ett annat sätt att distribuera bekämpningsmedel och andra SAP-kompatibla vätskor in i träd. Denna metod är ett lämpligt alternativ när biverkningarna av leveranssätt är viktigare än operatörens dagliga produktiviteten. Linsformade bladförsedda instrument, genom att träd för att absorbera vätskor enligt deras fysiologiska status, utgör ett nytt steg framåt i utvecklingen av mindre invasiva endotherapic behandlingar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Patent referenser till det beskrivna instrumentet är PD2011A000245, EP2012/063680, WIPO WO/2013/010909.

Acknowledgments

Författaren tackar patentverket i Padovas universitet, den TeSAF avdelningen och Vitzani srl för deras ekonomiska och tekniska stöd som möjliggjort utvecklingen av instrumentet, Dr Jonathan Cocking (Storbritannien) för hans vänliga samarbete och språkgranskning, kommun Ponte San Nicolò PD för vänliga gästfrihet under videoinspelning, och de anonyma granskare för deras målmedvetna, detaljerade förslag.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BITE Vitzani srl, Perarolo di Cadore, Italy  

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kielbaso, J. J., Ed, Proc. of the Symposium on Systemic Chemical Treatments in Tree Culture. Michigan State University, MI. (1978).
  2. Miller, K. Symposium on Systemic Chemical Treatments in Tree Culture. Second, Michigan State University, MI. (1991).
  3. Chen, R. F., Wang, H. H., Wang, C. Y. Translocation and metabolism of injected glyphosate in lead tree (Leucaena leucocephala). Weed Science. 57, 229-234 (2009).
  4. Gentile, S., Valentino, D., Tamietti, G. Effectiveness of potassium phosphyte in the control of Chestnut ink disease. Acta Hort. 866, 417-424 (2010).
  5. Poltronieri, Y., Martinez, H. E. P., Cecon, P. R. Effect of zinc and its forms of supply on production and quality of coffee beans. J. Sci. Food Agric. 91, 2431-2436 (2011).
  6. Zuo, Y., Zhang, F. Soil and crop management strategies to prevent iron deficiency in crops. Plant and Soil. 339, 83-95 (2011).
  7. Da Vinci, L. Codex Atlanticus. 12-76 (1478-1519).
  8. Helton, A. W., Rohrbach, K. G. Translocation of twelve fungicidal compounds injected into trees of Prunus domestica. Phytopathology. 56, 933-939 (1966).
  9. Jones, T. W., Gregory, G. F. An apparatus for pressure injection of solutions into trees. USDA Forest Service Reserch Paper. 233, 1-9 (1971).
  10. Reil, W. O., Beutel, J. A. A pressure machine for injecting trees. Calif. Agric. 30, 4-5 (1976).
  11. Perry, T. O., Santamour, F. S., Stipes, R. J., Shear, T., Shigo, A. L. Exploring alternatives to tree injection. J. Arb. 17, 217-226 (1991).
  12. Shigo, A. L., Campana, R. J. Discolored and decayed wood associated with injection wounds in American elm. J. Arb. 3, 230-235 (1977).
  13. Neely, D. Wound closure rates on trees. J. Arb. 14, 250-254 (1988).
  14. Study on Structure of Needle Head and Seal Mechanism of Tree Trunk Injection. Shang, Q., Liao, K., Liu, H., Zhao, B. Proc. of 2011 International Conference on Transportation, Mechanical, and Electrical Engineering (TMEE), Changchun, China, (2011).
  15. BITE: a low impact tool for xylematic injections. Montecchio, L. Proc. of Towards Future-proof Crop Protection in Europe, Wageningen, NL, (2012).
  16. Antonini, E. BITE, un nuovo strumento per i trattamenti endoterapici agli alberi. Giardini e ambiente. 3, 70-73 (2013).
  17. Chaney, W. R. Anatomy and physiology related to chemical movement in trees. J. Arb. 12, 85-91 (1988).
  18. Cocking, J. Report on the 22nd AGM of the European Arboricultural Council. The ARB Magazine. 158, 27 (2012).
  19. Strazzabosco, L., Klaudatos, C. Separa non buca. Acer. 2, 33-37 (2013).
  20. Shigo, A. L. Modern Arboriculture. Shigo and Trees Associates. Snohomish, WA. (1991).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics