Geavanceerde workflow voor het nemen van hoogwaardige increment cores - Nieuwe technieken en apparaten
Summary
Hier presenteren we een protocol over hoe microscheuren in incrementele kernen kunnen worden voorkomen door een draadloze boor met een koppelvermenigvuldiging toe te passen om problemen bij het coren van bomen te minimaliseren, evenals het effect ervan op het voorbereiden van lange microsecties. Dit protocol bevat ook een procedure om corers in het veld te slijpen.
Abstract
In dendro-ecologisch onderzoek is nauwkeurige datering van elke afzonderlijke groeiring een basisvereiste voor alle studies, waarbij alleen de nadruk ligt op ringbreedtevariaties, chemische of isotoopanalyses of houtanatomische studies. Onafhankelijk van de bemonsteringsstrategie voor een bepaalde studie (bijv. Klimatologie, geomorfologie), is de manier waarop monsters worden genomen cruciaal voor hun succesvolle voorbereiding en analyses.
Tot voor kort was het voldoende om een (min of meer) scherpe increment corer te gebruiken om kernmonsters te verkrijgen die konden worden geschuurd voor verdere analyses. Aangezien houtanatomische kenmerken kunnen worden toegepast op lange tijdreeksen, heeft de noodzaak om hoogwaardige incrementele kernen te verkrijgen een nieuwe betekenis gekregen. In wezen moet de knol scherp (ened) zijn bij gebruik. Bij het met de hand coren van een boom zijn er enkele problemen bij het hanteren van de knol, wat resulteert in het verborgen optreden van microscheuren langs de hele kern: bij het met de hand boren wordt de boor sterk tegen de schors en de buitenste ring gedrukt totdat de draad volledig in de stam is gekomen. Tegelijkertijd wordt de boor zowel op en neer als zijwaarts bewogen. Vervolgens wordt de knol helemaal in de stam geboord; het is echter noodzakelijk om na elke bocht te stoppen, de grip te veranderen en opnieuw te draaien. Al deze bewegingen, evenals de start/stop-coring, zetten mechanische druk op de kern. De resulterende microscheuren maken het onmogelijk om continue microsecties te creëren, omdat ze langs al deze scheuren uit elkaar vallen.
We presenteren een protocol om deze obstakels te overwinnen door een nieuwe techniek toe te passen met behulp van een accuboormachine om deze problemen bij het coren van een boom te minimaliseren, evenals het effect ervan op de voorbereiding van lange microsecties. Dit protocol omvat de voorbereiding van lange microsecties, evenals een procedure om knollen in het veld te slijpen.
Introduction
Dendro-ecologisch onderzoek is gebaseerd op verschillende kenmerken van groeiringen in bomen, zowel eenjarig als anderszins. “Precursory” discipline dendrochronologie werd vastgesteld met behulp van ringbreedtevariaties als parameter om eenvoudig de ringen te dateren en als gevolg daarvan lange chronologieën vast te stellen. Daarom worden talloze andere kenmerken, zoals dichtheidsvariaties, isotopische concentraties of anatotomische kenmerken van hout, gebruikt om enkele ringen of hun structuur en inhoud te correleren met omgevingsparameters om de impact van omgevingsomstandigheden op de boomgroei in de loop van de tijd beter te begrijpen.
Dendro-ecologie, evenals dendroclimatologie, heeft aan belang gewonnen in milieuonderzoek, voornamelijk bij het reconstrueren van klimaatomstandigheden uit het verleden 1,2,3. Hiervoor moeten de ringen van talloze bomen in detail worden geanalyseerd. Hoewel er enkele technieken bestaan om de breedte en dichtheid van de boomring te bepalen (bijvoorbeeld door akoestische golftechnologie4 of boorweerstand 5,6), is er tot op heden geen betrouwbare “niet-destructieve” methode om de kenmerken van ringen uit bomen te halen. Voor zeer gedetailleerde analyses van ringkenmerken binnen een boom, of om de toename van het basale gebied te schatten, is het het beste om schijven te snijden van de bomen van belang7. Dit zou vereisen dat alle potentiële bomen die van belang zijn voor specifieke analyses worden gekapt. Gezien het enorme aantal bomen dat elk jaar wereldwijd wordt geanalyseerd, is deze bemonsteringsstrategie niet uitvoerbaar. Ondanks het verspillen van een ongelooflijke hoeveelheid middelen, is deze strategie gewoon te duur. Hierdoor is het gebruik van increment corers vastgesteld als een standaard bemonsteringstechniek in boomringonderzoek8. Het gebruik van incrementele knollen maakt een minimaal invasieve extractie van houtkernen uit stengels mogelijk, beginnend bij de schors en (in optimale gevallen) het merg van de boombereiken 9.
Hoewel coring een verwonding aan de stengel veroorzaakt- een gat met een diameter van ~ 1 cm – zijn bomen in staat om deze wond te sluiten door verhoogde houtvorming in de buurt van het kerngat. Een nadeel, afgezien van het gat zelf, is het optreden van een “compartimentalisatiezone”, een gebied rond het gat waar de cellen worden gevuld met fenolen om de mogelijke verspreiding van schimmels vanaf het gatte voorkomen 10,11. Voor zover wij weten, is er nog steeds geen bewijs dat increment coring een significante toename van de frequentie van boomverval veroorzaakt, althans in ongestoord hooggelegen bos staat voor Picea abies12 en verschillende hardhoutsoorten in een gematigd bos13.
Hoewel deze bemonsteringsnorm al tientallen jaren over de hele wereld wordt toegepast, blijven er nog steeds enkele problemen bestaan. Een daarvan is het feit dat de kernen met de hand moeten worden genomen zonder enige mechanische ondersteuning, wat veel tijd kost en na een tijdje behoorlijk vermoeiend is. Om de bemonstering te vergemakkelijken, zijn verschillende (min of meer uitvoerbare) strategieën getest, zoals het gebruik van kettingzagen uitgerust met een knol in plaats van de ketting 14,15,16,17. Het gebruik van kettingzagen had de voorkeur boven boren omdat deze laatste niet krachtig genoeg waren; dit idee sloeg echter niet aan vanwege het grote gewicht van de kettingzaag en de benodigde brandstof.
In de afgelopen jaren zijn de houtanatomische technieken aanzienlijk geëvolueerd en geïntegreerd in dendro-ecologische studies18,19. Het vermogen om houtanatomische parameters over lange perioden te analyseren door microsecties uit incrementele kernen te snijden, resulteerde echter in onverwachte problemen. Vaak braken de microsecties uit de kernen in kleine stukjes, waardoor het onmogelijk was om coherente sneden te produceren (figuur 1). Dit probleem werd veroorzaakt door de handmatige techniek van coring bomen en onscherpe knollen. De mechanische belasting die tijdens het coren op het hout werd uitgeoefend, resulteerde in microscheuren in de kern. Deze microscheurtjes werden nooit opgemerkt tijdens macroscopisch onderzoek van de increment cores en vormden daarom nooit een probleem.
Handmatig coring wordt gedaan door het handvat aan de achterkant van de knol te plaatsen, de punt met de draad tegen de steel te drukken en het handvat te draaien totdat de knol iets meer dan de helft van de diameter van de steel heeft doorboord. Daarbij wordt de punt van de knol (uiteraard) in de steel bevestigd, maar het achterste uiteinde van de knol dat door het handvat wordt gedraaid, beweegt altijd zijwaarts of op en neer, tenminste totdat de boorkop volledig in de stam is geschroefd, waardoor de knol meer geleiding en stabiliteit krijgt. Als gevolg van de hoge druk en de beweging van de knol worden de incrementele kernen vaak vervormd in de buitenste ~ 5 cm (figuur 1). Zelfs als de wrijving tijdens het draaien tot een minimum wordt beperkt, oefent een ander proces spanning uit op de incrementele kern in de knol. Handmatig coring laat geen continue beweging van de snijkant van de knol in de steel toe. Men kan maximaal één volledige draai maken, voordat men moet stoppen om de grip te veranderen, en dan verder boren. Elke keer dat de rotatie opnieuw wordt gestart, wordt de kern enigszins gedraaid totdat de wrijving is overwonnen en de boor opnieuw draait. Deze mechanische spanningen veroorzaken mogelijk microscopische scheuren in de structuur van de kernen.
Deze mechanische spanning wordt zelfs verhoogd wanneer de snijkant van de knol niet scherp is. Een zichtbaar teken voor een onscherpe corer is een oneffen kernoppervlak, dat veel scheuren vertoont langs de gehele extensie20 (figuur 2). De frequentie van het slijpen hangt af van de dichtheid van de bomen die moeten worden gekernd en de mineralen of het zand dat aanwezig is in de schors van de te bekernen boom. In het algemeen moet men er niet van uitgaan dat nieuwe knollen scherp zijn. Tot op heden wordt het slijpen van een knol bijna nooit in het veld gedaan vanwege de moeilijkheid ervan, omdat dit met de hand moet worden gedaan en veel ervaring vereist11,20.
Samenvattend, handmatige coring en onscherpe snijkanten resulteren beide in microscheuren in genomen kernen. Tot op heden zijn deze problemen niet systematisch geanalyseerd en zijn er ook geen pogingen gedaan om oplossingen te vinden. Dit artikel presenteert een protocol om deze obstakels te overwinnen door de handmatige coringtechniek te vergelijken met de toepassing van een nieuwe techniek. We stellen voor om een accuboormachine te gebruiken die is uitgerust met een speciale adapter voor een increment corer. We presenteren in welke mate problemen worden geminimaliseerd bij het coren van een boom, evenals het effect van continue, mechanische coring op de voorbereiding van lange microsecties. Dit protocol omvat de voorbereiding van lange microsecties met behulp van een in water oplosbare tape als ondersteunend hulpmiddel en een procedure om knollen in het veld te slijpen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De belangrijke opname van houtanatomie in dendro-ecologische studies23,24, evenals een geïntensiveerde uitwisseling tussen wetenschappers die gespecialiseerd zijn in boomringonderzoek en houtanatomisten25, heeft een breed veld van nieuwe en diepgaande analyses van milieuomstandigheden in het verleden geopend. Deze nieuwe studies hebben nieuwe mogelijkheden en vragen geopend, maar hebben ook nieuwe problemen veroorzaakt.
De snelle ontwikkeling van dit nieuwe tijdperk van “dendroananatomie” vereist een groot aantal monsters, wat zeker wordt ondersteund door het gebruik van een draadloze boor zoals eerder uitgelegd. Naast het feit dat het nemen van kernen met de boor helemaal niet vermoeiend is, bespaart het veel tijd. Hoewel de resultaten in dit artikel steekproefmogelijkheden impliceren die zes keer sneller zijn dan handmatig coring, is het een test voor enkele kernen. Niettemin zijn we er tijdens regelmatige bemonstering (één persoon coring, met één codering en opslag van de kernen) in geslaagd om 24 sparrenbomen (twee kernen van volledige lengte elk), met stamdiameters van ongeveer 80 cm, binnen 1,5 uur te kernen. Dit is een gemiddelde van <2 minuten voor de ene kern, inclusief opslag, verpakking en verhuizing naar de volgende boom.
De snelle afhandeling van het hele proces wordt ondersteund door het feit dat de nieuw ontworpen adapter voor increment corers kan worden gebruikt zonder dat de corer in de adapter met een schroef of vergelijkbare sluitingen hoeft te worden bevestigd. Als gevolg hiervan is het snel en eenvoudig om de boor naar het handvat van de knol te veranderen om de kern te breken en te extraheren. De adapter is zo ontworpen dat men de corer zelfs kan uittrekken tijdens het terugboren in het geval dat de steel rot is, of (zoals gebruikelijk is bij sommige increment corers) als de draad niet grijpt bij het terugdraaien en de corer niet naar buiten beweegt.
Er moet echter worden opgemerkt dat bij het verwijderen van de corer van de steel, men de adapter iets moet kantelen, zodat deze met succes kan worden getrokken zonder dat de boor wegglijdt (protocol stap 2.8). De toenemende vraag naar boomringstudies om lange chronologieën te maken op basis van anatomische proxy’s19,26 heeft de voorbereiding van microsecties uit incrementele kernen vereist, in stukken gesneden vóór de bereiding of gesneden als volledige microsecties22. Hoewel de kwaliteit van tot 40 cm lange microsecties nog steeds niet altijd vergelijkbaar is met korte secties (de variabele hoek van de cellen in hun verticale extensie belemmert bijvoorbeeld vaak celwandmetingen), kunnen ze worden gebruikt om specifieke groeireacties te identificeren en te dateren als het optreden van reactiehout of blauwe ringen27 (figuur 6).
Bijgevolg is de kwaliteit van de monsters een basisvoorwaarde voor een succesvolle voorbereiding en verdere analyse van anatomische structuren. Deze eis vereist meer voorzichtigheid met betrekking tot de scherpte van de bemonsteringscampagne bij het nemen van increment cores. Als gevolg hiervan kan het voorbereiden van microsecties zeer tijdrovend en arbeidsintensief zijn, en soms zelfs onmogelijk, als de monsters niet van tevoren zijn ingebed28.
Het met de hand slijpen van de snijkant van een increment corer vereist veel oefening en ervaring, om de rand gelijkmatig rondom met de hand te slijpen zonder enige ondersteuning. De mogelijkheid om de nieuwe boorbevestiging te gebruiken voor het slijpen van incrementele kernen stelt zelfs gebruikers die onervaren zijn in het slijpen in staat om de snijkant van hun knollen in het veld te slijpen. Het feit dat dit nu snel kan, zal de kwaliteit van de genomen monsters in de toekomst verhogen.
Hoewel het gebruik van de nieuwe apparatuur duidelijke voordelen laat zien voor de daaropvolgende verwerking van de kernen, kon de accuboor ook worden gecombineerd met kleine apparaten voor het slijpen, ontwikkeld en gepresenteerd bijna 40 jaar geleden20. Maeglin20 presenteerde constructiedetails van een modificatie van “Goodchild’s boorslijper” gemaakt van hout en metaal29. Tegenwoordig kan dit apparaat zonder problemen worden gemodelleerd en geprint in een 3D-printer30. Men zou alleen een gedetailleerd 3D-model van de slijper hoeven te maken om de afzonderlijke onderdelen te printen en te assembleren om in het veld te gebruiken. De mogelijkheden voor verbetering zijn nog niet uitgeput en we zijn er zeker van dat deze publicatie veel collega’s zal inspireren om de hier gepresenteerde tools verder te ontwikkelen. Een nog onopgelost obstakel is het feit dat men de boor moet verwijderen en het handvat van de knol moet toevoegen om de kern te extraheren.
De laatste stap van het snijden van microsecties van hele increment cores22 is nog steeds een lastige kwestie. De toepassing van de in water oplosbare tape, zoals eerder beschreven, ondersteunt het proces door het gedeelte te stabiliseren bij het snijden en op de glasplaat te plaatsen. Toch vereist deze procedure nog steeds van de gebruiker een hoog ervaringsniveau.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
Materials
| BS 18 LTX-3 BL QI | Metabo | 0 | Cordless drill |
| Core-microtome | WSL | 0 | Microtome to cut micro sections from increment cores |
| Drill adapter for increment corer | WSL | 0 | Adapter to fix the increment corer on the cordless drill |
| Increment corer | Haglöff | 0 | 40cm increment corer |
| Power X3 | Metabo | 0 | Torque amplifyer |
| Sharpening support board | WSL | 0 | Board to attach the cordless dril to sharpen the cutting edge ofd the corer |
| Water-soluble tape 5414, transparent 3/4IN | 3M | 0 | Transparent tape to support cutting long sections |
References
- Büntgen, U. Scrutinizing tree-ring parameters for Holocene climate reconstructions. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. , 778 (2022).
- Hadad, M. A., González-Reyes, &. #. 1. 9. 3. ;., 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. , (1985).
- Schweingruber, F. H. . Tree Rings and Environment: Dendroecology. , (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, (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).
