זרימת עבודה מתקדמת ללקיחת ליבות הגדלה באיכות גבוהה - טכניקות והתקנים חדשים
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול כיצד להימנע מסדקים זעירים בליבות ההגדלה על ידי הפעלת מקדחה אלחוטית עם מכפיל מומנט כדי למזער בעיות בעת ניקוד עצים, כמו גם את השפעתו על הכנת מקטעי מיקרו ארוכים. פרוטוקול זה כולל גם הליך לחידוד הקורים בשטח.
Abstract
במחקר דנדרואקולוגי, תיארוך מדויק של כל טבעת גדילה בודדת הוא דרישה בסיסית לכל המחקרים, תוך התמקדות בווריאציות רוחב טבעת בלבד, ניתוחים כימיים או איזוטופיים, או מחקרים אנטומיים של עץ. ללא תלות באסטרטגיית הדגימה של מחקר מסוים (למשל, קלימטולוגיה, גיאומורפולוגיה), אופן לקיחת הדגימות חיוני להכנתן ולניתוחן המוצלח.
עד לאחרונה, זה היה מספיק כדי להשתמש (פחות או יותר) בדרגה חדה כדי לקבל דגימות ליבה שניתן לשייף לניתוחים נוספים. מכיוון שניתן ליישם מאפיינים אנטומיים מעץ על סדרות ארוכות, הצורך להשיג ליבות תוספת באיכות גבוהה קיבל משמעות חדשה. בעיקרו של דבר, הליבה צריכה להיות חדה (ened) בעת השימוש. כאשר מנבאים עץ ביד, יש כמה בעיות בטיפול בקור, וכתוצאה מכך התרחשות נסתרת של סדקים זעירים לאורך כל הליבה: כאשר מתחילים לקדוח ביד, המקדחה נלחצת בחוזקה כנגד הקליפה והטבעת החיצונית ביותר עד שהחוט נכנס במלואו לגזע. במקביל, המקדחה מועברת למעלה ולמטה, כמו גם הצידה. לאחר מכן, הליבה נקדחת כל הדרך לתוך תא המטען; עם זאת, יש צורך לעצור לאחר כל סיבוב, לשנות את האחיזה, ולפנות שוב. כל התנועות הללו, כמו גם ההתחלה/עצירה, מפעילות לחץ מכני על הליבה. סדקי המיקרו הנוצרים אינם מאפשרים ליצור מקטעי מיקרו רציפים, מכיוון שהם מתפרקים לאורך כל הסדקים הללו.
אנו מציגים פרוטוקול להתגברות על מכשולים אלה על ידי יישום טכניקה חדשה באמצעות מקדחה אלחוטית כדי למזער בעיות אלה בעת ניקוד עץ, כמו גם את השפעתו על הכנת חתכי מיקרו ארוכים. פרוטוקול זה כולל הכנת חתכי מיקרו ארוכים, וכן הליך לחידוד הקורים בשטח.
Introduction
המחקר הדנדרואקולוגי מבוסס על מאפיינים שונים של טבעות צמיחה בעצים, הן שנתיים והן אחרות. דנדרוכרונולוגיה דיסציפלינרית “מקדימה” הוקמה תוך שימוש בווריאציות רוחב טבעת כפרמטר פשוט לתארך את הטבעות, וכתוצאה מכך ליצור כרונולוגיות ארוכות. לכן, מאפיינים רבים אחרים, כגון וריאציות צפיפות, ריכוזים איזוטופיים או מאפיינים אנטומיים של עץ, משמשים לקורלציה של טבעות בודדות או המבנה והתוכן שלהן לפרמטרים סביבתיים כדי להבין טוב יותר את ההשפעה של תנאי הסביבה על צמיחת עצים לאורך זמן.
דנדרואקולוגיה, כמו גם דנדרוקלימטולוגיה, צברה חשיבות במחקר סביבתי, בעיקר בשחזור תנאי אקלים בעבר 1,2,3. לשם כך, טבעות של אינספור עצים צריך להיות מנותח בפירוט. למרות שקיימות טכניקות מסוימות לקביעת רוחב וצפיפות טבעות העץ (למשל, על ידי טכנולוגיית גלים אקוסטיים4 או התנגדות קידוח5,6), נכון להיום, אין שיטה “לא הרסנית” אמינה לחילוץ תכונות הטבעות מעצים. לניתוחים מפורטים מאוד של מאפייני טבעת בתוך עץ, או כדי להעריך את הגידול בשטח הבסיסי, עדיף לחתוך דיסקים מהעצים המעניינים7. זה ידרוש כריתה של כל העצים הפוטנציאליים המעניינים לניתוחים ספציפיים. בהתחשב במספר העצום של עצים המנותחים ברחבי העולם מדי שנה, אסטרטגיית דגימה זו אינה מעשית. ללא קשר לבזבוז כמות מדהימה של משאבים, אסטרטגיה זו היא פשוט יקרה מדי. בשל כך, השימוש ב-increment corers נקבע כטכניקת דגימה סטנדרטית במחקר טבעות עצים8. השימוש בתוספות מאפשר מיצוי זעיר פולשני של ליבות עץ מגבעולים, החל מהקליפה ועד (במקרים אופטימליים) לפיתול העץ9.
למרות שהניקוד גורם לפגיעה בגזע – חור בקוטר של ~ 1 ס”מ עצים מסוגלים לסגור את הפצע הזה באמצעות היווצרות עץ מוגברת בקרבת חור הליבה. חיסרון, מלבד החור עצמו, הוא התרחשות של “אזור מידור”, אזור סביב החור שבו התאים מתמלאים על ידי פנולים כדי למנוע התפשטות פוטנציאלית של פטריות החל מהחור10,11. למיטב ידיעתנו, עדיין אין עדות לכך שעלייה מצטברת גורמת לעלייה משמעותית בתדירות ריקבון העצים, לפחות ביערות בגובה רב ללא הפרעה מייצגים את Picea abies12 וכמה מיני עצים קשים ביער ממוזג13.
למרות תקן דגימה זה מיושם במשך עשרות שנים בכל רחבי העולם, כמה בעיות עדיין נותרו. אחד מהם הוא העובדה כי הליבות צריך לקחת ביד ללא כל תמיכה מכנית, אשר לוקח הרבה זמן והוא די מתיש לאחר זמן מה. כדי להקל על הדגימה, נבדקו מספר אסטרטגיות (מעשיות יותר או פחות), כגון שימוש במסור שרשרת המצויד בקורר במקוםשרשרת 14,15,16,17. השימוש במסור שרשרת הועדף על פני מקדחים משום שהאחרונים לא היו חזקים מספיק; עם זאת, רעיון זה לא תפס בשל המשקל הגדול של מסור השרשרת והדלק הנדרש.
בשנים האחרונות, טכניקות אנטומיות של עץ התפתחו באופן משמעותי ושולבו במחקרים דנדרואקולוגיים18,19. עם זאת, היכולת לנתח פרמטרים אנטומיים של עץ לאורך תקופות ארוכות על ידי חיתוך חתכי מיקרו מליבות תוספת הביאה לבעיות בלתי צפויות. לעתים קרובות, מקטעי המיקרו שנלקחו מליבות נשברו לחתיכות קטנות, מה שלא אפשר היה לייצר חתכים קוהרנטיים (איור 1). בעיה זו נגרמה על ידי הטכניקה הידנית של ניקוד עצים ו unsharp corers. הלחץ המכני שהופעל על העץ בזמן הניקוב גרם לסדקים זעירים בתוך הליבה. סדקים זעירים אלה מעולם לא הבחינו במהלך בדיקה מקרוסקופית של ליבות ההצטברות, ולכן מעולם לא הציגו בעיה.
ניקוד ידני נעשה על ידי הנחת הידית בקצה האחורי של הקור, לחיצה על הקצה עם החוט לגבעול, והתחלת סיבוב הידית עד שהליבה חודרת קצת יותר ממחצית קוטר הגבעול. תוך כדי כך, קצה הליבה קבוע (כמובן) בגבעול, אך הקצה האחורי של הקורר המסתובב על ידי הידית נע תמיד הצידה או למעלה ולמטה, לפחות עד שראש המקדחה מוברג במלואו לתוך תא המטען, מה שנותן יותר הכוונה ויציבות לקורר. כתוצאה מהלחץ הגבוה והתנועה של הקורר, ליבות התוספת מעוותות לעתים קרובות ב~5 ס”מ החיצוניים ביותר (איור 1). גם אם החיכוך בזמן הסיבוב מצטמצם למינימום, תהליך אחר הוא הפעלת לחץ על ליבת ההגדלה בתוך הקורר. ניקוד ידני אינו מאפשר תנועה רציפה של קצה החיתוך של הליבה בתוך הגבעול. אפשר לעשות מקסימום סיבוב אחד מלא, לפני שצריך לעצור כדי לשנות את האחיזה, ואז להמשיך לקדוח. בכל פעם שהסיבוב מופעל מחדש, הליבה מעוותת מעט עד שהחיכוך מתגבר והמקדחה מסתובבת שוב. לחצים מכניים אלה עלולים לגרום לסדקים מיקרוסקופיים במבנה הליבות.
הלחץ המכני הזה אפילו מוגבר כאשר קצה החיתוך של הליבה אינו חד. סימן נראה לעין עבור ליבה לא אחידה הוא משטח ליבה לא אחיד, שמראה הרבה סדקים לאורך כל הרחבהשלו 20 (איור 2). תדירות ההשחזה תלויה בצפיפות העצים שיש ללבות ובמינרלים או החול הנמצאים בקליפת העץ שיש ללב. בנימה כללית, אין להניח כי corers חדשים הם חדים. נכון להיום, חידוד ליבה כמעט אף פעם לא נעשה בשטח בגלל הקושי של זה, שכן זה צריך להיעשות ביד צריך הרבה ניסיון11,20.
לסיכום, חידוד ידני וחיתוך קצוות unsharp שניהם גורמים לסדקים זעירים המתרחשים בליבות שנלקחו. עד כה, בעיות אלה לא נותחו באופן שיטתי, וגם לא נעשו ניסיונות למצוא פתרונות. מאמר זה מציג פרוטוקול להתגברות על מכשולים אלה על ידי השוואת טכניקת הניקוד הידנית ליישום טכניקה חדשה. אנו מציעים להשתמש במקדחה אלחוטית המצוידת במתאם מיוחד עבור מקדם תוספת. אנו מציגים באיזו מידה הבעיות ממוזערות בעת ניקוד עץ, כמו גם את ההשפעה של ניקוד מכני רציף על הכנת חתכי מיקרו ארוכים. פרוטוקול זה כולל הכנת מיקרו חתכים ארוכים באמצעות סרט מסיס במים ככלי עזר תומך והליך לחידוד הקורים בשטח.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההכללה המשמעותית של אנטומיית העץ במחקרים דנדרואקולוגיים23,24, כמו גם חילופי דברים מוגברים בין מדענים המתמחים בחקר טבעות עצים ואנטומיסטים של עץ25, פתחו שדה רחב של ניתוחים חדשים ומעמיקים של תנאי הסביבה בעבר. מחקרים חדשים אלה פתחו אפשרויות ושאלות חדשות, אך גם הולידו בעיות חדשות.
ההתפתחות המהירה של עידן חדש זה של “dendroanatomy” דורש מספר גבוה של דגימות, אשר בהחלט נתמך על ידי שימוש במקדחה אלחוטית כפי שהוסבר קודם. בנוסף לעובדה כי לוקח ליבות עם התרגיל הוא בכלל לא מתיש, זה חוסך הרבה זמן. למרות שהתוצאות המוצגות במאמר זה מרמזות על אפשרויות דגימה מהירות פי שישה מאשר ניקוד ידני, זהו מבחן לליבות בודדות. עם זאת, במהלך דגימה רגילה (ניקוד של אדם אחד, עם קידוד אחד ואחסון הליבות), הצלחנו לליבה 24 עצי אשוחית (שתי ליבות באורך מלא כל אחת), בקוטר גזע של כ-80 ס”מ, תוך שעה וחצי. זהו ממוצע של <2 דקות עבור ליבה אחת, כולל אחסון, אריזה ומעבר לעץ הבא.
הטיפול המהיר של התהליך כולו נתמך על ידי העובדה כי המתאם החדש שתוכנן עבור corers תוספת ניתן להשתמש ללא צורך לתקן את הליבה בתוך המתאם עם בורג או סגירות דומות. כתוצאה מכך, שינוי המקדחה לידית של הליבה כדי לשבור ולחלץ את הליבה הוא מהיר וקל. המתאם מתוכנן כך שניתן יהיה אפילו למשוך את הליבה החוצה תוך כדי קידוח בחזרה למקרה שהגבעול רקוב, או (כמקובל אצל חלק מהקורים) אם החוט לא תופס כאשר הוא מסתובב לאחור והקורר לא זז החוצה.
עם זאת, יש לציין כי בעת הסרת הליבה מן הגבעול, יש להטות את המתאם מעט, כך שניתן יהיה למשוך אותו בהצלחה מבלי שהמקדחה תחליק (שלב פרוטוקול 2.8). הדרישה הגוברת למחקרי טבעות עצים ליצירת כרונולוגיות ארוכות המבוססות על פרוקסי אנטומיים19,26 חייבה הכנת חתכי מיקרו מליבות תוספת, שנחתכו לחתיכות לפני ההכנה או נחתכו כמקטעי מיקרושלמים 22. אף על פי שאיכותם של מקטעי מיקרו באורך של עד 40 ס”מ עדיין אינה תמיד דומה למקטעים קצרים (לדוגמה, הזווית המשתנה של התאים בהרחבה האנכית שלהם מעכבת לעתים קרובות את מדידות דופן התא), ניתן להשתמש בהם כדי לזהות ולתארך תגובות גדילה ספציפיות כהתרחשות של עץ תגובה או טבעות כחולות27 (איור 6).
כתוצאה מכך, איכות הדגימות היא תנאי מוקדם בסיסי להכנה מוצלחת ולניתוחים נוספים של מבנים אנטומיים. דרישה זו מחייבת זהירות רבה יותר לגבי חדות מסע הדגימה בעת נקיטת ליבות תוספת. כתוצאה מכך, הכנת מיקרו-חתכים יכולה לגזול זמן רב ועתירת עבודה, ולפעמים אפילו בלתי אפשרית, אם הדגימות אינן מוטבעות מראש28.
חידוד חוד החנית של התוספת ביד דורש הרבה תרגול וניסיון, על מנת לטחון את הקצה באופן שווה מסביב ביד ללא כל תמיכה. היכולת להשתמש בתושבת המקדחה החדשה לחידוד ליבות הגדלה מאפשרת גם למשתמשים חסרי ניסיון בחידוד לחדד את חוד החנית של הקידוחים שלהם בשטח. העובדה כי זה עכשיו יכול להיעשות במהירות יגדיל את איכות הדגימות שנלקחו בעתיד.
למרות שהשימוש בציוד החדש מראה יתרונות ברורים לעיבוד הבא של הליבות, ניתן לשלב את המקדחה האלחוטית גם עם מכשירים קטנים לחידוד, שפותחו והוצגו לפני כמעט 40 שנה לפני20 שנה. Maeglin20 הציג פרטי בנייה של שינוי של “מחדד הבור של Goodchild” עשוי עץ ומתכת29. כיום, מכשיר זה יכול להיות מודל ומודפס במדפסת 3D ללא בעיות30. צריך רק ליצור מודל תלת-ממדי מפורט של המחדד כדי להדפיס את החלקים הבודדים ולהרכיב אותו לשימוש בשטח. אפשרויות השיפור טרם מוצו ואנו בטוחים כי פרסום זה יעורר השראה בעמיתים רבים להמשיך ולפתח את הכלים המוצגים כאן. מכשול שעדיין לא נפתר הוא העובדה שצריך להסיר את המקדחה ולהוסיף את הידית של הקורר כדי לחלץ את הליבה.
השלב האחרון של חיתוך מקטעי מיקרו של ליבות תוספתשלמות 22 הוא עדיין נושא מסובך. היישום של הסרט המסיס במים, כפי שתואר קודם לכן, תומך בתהליך על ידי ייצוב החלק בעת חיתוך והצבתו על שקופית הזכוכית. עם זאת, הליך זה עדיין דורש מהמשתמש להיות בעל רמה גבוהה של ניסיון.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ללא.
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).
