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

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

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

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

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

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

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

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

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