سير عمل متقدم لأخذ نوى زيادة عالية الجودة - تقنيات وأجهزة جديدة
Summary
نقدم هنا بروتوكولا حول كيفية تجنب التشققات الدقيقة في النوى المتزايدة من خلال تطبيق مثقاب لاسلكي بمضاعف عزم الدوران لتقليل المشاكل عند حفر الأشجار ، وكذلك تأثيره على إعداد المقاطع الدقيقة الطويلة. يتضمن هذا البروتوكول أيضا إجراء لشحذ الكورات في الحقل.
Abstract
في البحوث البيئية الشجرية ، يعد التأريخ الدقيق لكل حلقة نمو واحدة مطلبا أساسيا لجميع الدراسات ، مع التركيز على الاختلافات في عرض الحلقة فقط ، أو التحليلات الكيميائية أو النظائرية ، أو الدراسات التشريحية للأخشاب. بغض النظر عن استراتيجية أخذ العينات لدراسة معينة (على سبيل المثال ، علم المناخ ، الجيومورفولوجيا) ، فإن الطريقة التي يتم بها أخذ العينات أمر بالغ الأهمية لإعدادها وتحليلها بنجاح.
حتى وقت قريب ، كان يكفي استخدام أداة زيادة حادة (أكثر أو أقل) للحصول على عينات أساسية يمكن صنفرتها لمزيد من التحليلات. نظرا لأنه يمكن تطبيق الخصائص التشريحية للخشب على سلاسل زمنية طويلة ، فقد اكتسبت الحاجة إلى الحصول على نوى زيادة عالية الجودة معنى جديدا. بشكل أساسي ، يجب أن يكون الكور حادا (داخليا) عند استخدامه. عند حفر شجرة يدويا ، هناك بعض المشاكل في التعامل مع الحفرة ، مما يؤدي إلى حدوث تشققات دقيقة خفية على طول القلب بأكمله: عند البدء في الحفر يدويا ، يتم ضغط مثقاب الحفر بقوة على اللحاء والحلقة الخارجية حتى يدخل الخيط الجذع بالكامل. في الوقت نفسه ، يتم تحريك مثقاب الحفر لأعلى ولأسفل وكذلك جانبيا. بعد ذلك ، يتم حفر الحفرة على طول الطريق إلى الجذع ؛ ومع ذلك ، من الضروري التوقف بعد كل منعطف ، وتغيير القبضة ، والعودة مرة أخرى. كل هذه الحركات ، بالإضافة إلى بدء / إيقاف الحفر ، تضع ضغطا ميكانيكيا على القلب. تجعل الشقوق الدقيقة الناتجة من المستحيل إنشاء أقسام دقيقة مستمرة ، لأنها تنهار على طول كل هذه الشقوق.
نقدم بروتوكولا للتغلب على هذه العقبات من خلال تطبيق تقنية جديدة باستخدام مثقاب لاسلكي لتقليل هذه المشاكل عند حفر شجرة ، وكذلك تأثيرها على إعداد المقاطع الدقيقة الطويلة. يتضمن هذا البروتوكول إعداد أقسام صغيرة طويلة ، بالإضافة إلى إجراء لشحذ الكورات في هذا المجال.
Introduction
تعتمد الأبحاث البيئية الشجرية على خصائص مختلفة لحلقات النمو في الأشجار ، سواء السنوية أو غير ذلك. تم إنشاء علم التسلسل الزمني للانضباط “السلائف” باستخدام اختلافات عرض الحلقة كمعلمة لتأريخ الحلقات ببساطة ، ونتيجة لذلك ، إنشاء تسلسل زمني طويل. لذلك ، يتم استخدام الخصائص الأخرى المتعددة ، مثل اختلافات الكثافة ، أو التركيزات النظيرية ، أو الخصائص التشريحية للخشب ، لربط الحلقات المفردة أو هيكلها ومحتواها بالمعلمات البيئية لفهم تأثير الظروف البيئية على نمو الأشجار بمرور الوقت بشكل أفضل.
اكتسبت Dendroecology ، وكذلك علم المناخ الشجري ، أهمية في البحوث البيئية ، وخاصة في إعادة بناء الظروف المناخية السابقة1،2،3. لهذا ، يجب تحليل حلقات الأشجار التي لا تعد ولا تحصى بالتفصيل. على الرغم من وجود بعض التقنيات لتحديد عرض حلقة الشجرة وكثافتها (على سبيل المثال ، بواسطة تقنية الموجات الصوتية4 أو مقاومة الحفر 5,6) ، حتى الآن ، لا توجد طريقة موثوقة “غير مدمرة” لاستخراج خصائص الحلقات من الأشجار. للحصول على تحليلات مفصلة للغاية لخصائص الحلقة داخل الشجرة ، أو لتقدير زيادة المساحة القاعدية ، سيكون من الأفضل قطع الأقراص من الأشجار ذات الأهمية7. سيتطلب ذلك قطع جميع الأشجار المحتملة ذات الأهمية لإجراء تحليلات محددة. مع الأخذ في الاعتبار العدد الهائل من الأشجار التي يتم تحليلها في جميع أنحاء العالم كل عام ، فإن استراتيجية أخذ العينات هذه غير عملية. بغض النظر عن إهدار كمية لا تصدق من الموارد ، فإن هذه الاستراتيجية ببساطة مكلفة للغاية. ونتيجة لذلك ، تم إنشاء استخدام أدوات الزخرفة المتزايدة كتقنية قياسية لأخذ العينات في أبحاث حلقات الأشجار8. يسمح استخدام أدوات الإزالة المتزايدة باستخراج نوى الخشب من السيقان بأقل تدخل جراحي ، بدءا من اللحاء والوصول (في الحالات المثلى) إلى لب الشجرة9.
على الرغم من أن الحفر يسبب إصابة في الساق – ثقب يبلغ قطره ~ 1 سم – إلا أن الأشجار قادرة على إغلاق هذا الجرح من خلال زيادة تكوين الخشب بالقرب من الثقب الأساسي. العيب ، بصرف النظر عن الثقب نفسه ، هو حدوث “منطقة تقسيم” ، وهي منطقة حول الحفرة حيث تمتلئ الخلايا بالفينولات لمنع الانتشار المحتمل للفطريات بدءا من الحفرة10,11. على حد علمنا ، لا يوجد حتى الآن دليل على أن زيادة الحفر تسبب زيادة كبيرة في تكرار تسوس الأشجار ، على الأقل في الغابات عالية الارتفاع غير المضطربة تقف على Picea abies12 والعديد من أنواع الأخشاب الصلبة في غابة معتدلة13.
على الرغم من تطبيق معيار أخذ العينات هذا منذ عقود في جميع أنحاء العالم ، إلا أن بعض المشاكل لا تزال قائمة. واحدة من هذه هي حقيقة أن النوى يجب أن تؤخذ باليد دون أي دعم ميكانيكي ، الأمر الذي يستغرق الكثير من الوقت ومرهق للغاية بعد فترة. لتسهيل أخذ العينات ، تم اختبار العديد من الاستراتيجيات (العملية إلى حد ما) ، مثل استخدام المناشير المزودة بآلة حفر بدلا من السلسلة14،15،16،17. تم تفضيل استخدام المناشير على التدريبات لأن الأخيرة لم تكن قوية بما فيه الكفاية. ومع ذلك ، لم تنتشر هذه الفكرة بسبب الوزن الكبير للمنشار والوقود المطلوب.
في السنوات الأخيرة ، تطورت تقنيات تشريحية الخشب بشكل كبير وتم دمجها في الدراسات البيئية الشجرية18،19. ومع ذلك ، فإن القدرة على تحليل المعلمات التشريحية للخشب على مدى فترات طويلة عن طريق قطع المقاطع الدقيقة من نوى الزيادة أدت إلى مشاكل غير متوقعة. في كثير من الأحيان ، تنقسم المقاطع الدقيقة المأخوذة من النوى إلى قطع صغيرة ، مما جعل من المستحيل إنتاج قطع متماسكة (الشكل 1). كان سبب هذه المشكلة هو التقنية اليدوية لحفر الأشجار و unsharpers. أدى الضغط الميكانيكي الذي يمارس على الخشب أثناء الحفر إلى حدوث تشققات صغيرة داخل القلب. لم تلاحظ هذه الشقوق الدقيقة أبدا أثناء الفحص العياني لنوى الزيادة ، وبالتالي لم تمثل مشكلة أبدا.
يتم الحفر اليدوي عن طريق وضع المقبض على الطرف الخلفي للكور ، والضغط على الطرف مع الخيط إلى الجذع ، والبدء في تدوير المقبض حتى يخترق الحفرة ما يزيد قليلا عن نصف قطر الساق. أثناء القيام بذلك ، يتم تثبيت طرف الحفرة (من الواضح) في الجذع ، لكن الطرف الخلفي من اللب الذي يديره المقبض يتحرك دائما جانبيا أو لأعلى ولأسفل ، على الأقل حتى يتم تثبيت رأس الحفر بالكامل في الجذع ، مما يعطي المزيد من التوجيه والاستقرار للحفر. نتيجة للضغط العالي وحركة اللب ، يتم تشويه نوى الزيادة بشكل متكرر في الخارج ~ 5 سم (الشكل 1). حتى إذا تم تقليل الاحتكاك أثناء الدوران إلى الحد الأدنى ، فإن هناك عملية أخرى تمارس ضغطا على قلب الزيادة داخل القلب. لا يسمح الحفر اليدوي بحركة مستمرة لحافة القطع داخل الساق. يمكن للمرء أن يفعل دورة كاملة واحدة كحد أقصى ، قبل الاضطرار إلى التوقف لتغيير القبضة ، ثم مواصلة الحفر. في كل مرة يتم فيها إعادة تشغيل الدوران ، يكون القلب ملتويا قليلا حتى يتم التغلب على الاحتكاك ويدور المثقاب مرة أخرى. من المحتمل أن تسبب هذه الضغوط الميكانيكية تشققات مجهرية في بنية النوى.
يزداد هذا الضغط الميكانيكي عندما لا تكون حافة القطع في الحفرة حادة. العلامة المرئية ل unsharp corer هي سطح قلب غير مستو ، يظهر الكثير من الشقوق على طول امتدادهبالكامل 20 (الشكل 2). يعتمد تواتر الشحذ على كثافة الأشجار المراد حفرها والمعادن أو الرمل الموجود في لحاء الشجرة المراد حفرها. بشكل عام ، لا ينبغي للمرء أن يفترض أن الكورات الجديدة حادة. حتى الآن ، لا يتم شحذ الكور تقريبا في هذا المجال بسبب صعوبة ذلك ، حيث يجب القيام بذلك يدويا ويحتاج إلى الكثير من الخبرة11,20.
للتلخيص ، يؤدي كل من الحفر اليدوي وحواف القطع غير الحادة إلى حدوث تشققات صغيرة في النوى المأخوذة. حتى الآن ، لم يتم تحليل هذه المشاكل بشكل منهجي ، ولم تبذل محاولات لإيجاد حلول. يقدم هذا البحث بروتوكولا للتغلب على هذه العقبات من خلال مقارنة تقنية الحفر اليدوي بتطبيق تقنية جديدة. نقترح استخدام مثقاب لاسلكي مزود بمحول خاص لرافعة زيادة. نقدم إلى أي مدى يتم تقليل المشاكل عند حفر شجرة ، وكذلك تأثير الحفر الميكانيكي المستمر على إعداد المقاطع الدقيقة الطويلة. يتضمن هذا البروتوكول إعداد أقسام دقيقة طويلة باستخدام شريط قابل للذوبان في الماء كمساعد داعم وإجراء لشحذ الكورات في الحقل.
Protocol
Representative Results
Discussion
إن الإدراج الكبير لتشريح الخشب في الدراسات البيئية الشجرية 23،24 ، بالإضافة إلى التبادل المكثف بين العلماء المتخصصين في أبحاث حلقات الأشجار وعلماء تشريح الخشب25 ، قد فتح مجالا واسعا من التحليلات الجديدة والمتعمقة للظروف البيئية السابقة. لقد فتحت هذه الدراسات الجديدة إمكانيات وأسئلة جديدة ، ولكنها أدت أيضا إلى ظهور مشاكل جديدة.
يتطلب التطور السريع لهذا العصر الجديد من “التشريح الشجري” عددا كبيرا من العينات ، وهو ما يدعمه بالتأكيد استخدام مثقاب لاسلكي كما هو موضح من قبل. بالإضافة إلى حقيقة أن أخذ النوى مع الحفر ليس مرهقا على الإطلاق ، فإنه يوفر الكثير من الوقت. على الرغم من أن النتائج المقدمة في هذه الورقة تشير إلى إمكانيات أخذ العينات التي تكون أسرع بست مرات من الحفر اليدوي ، إلا أنها اختبار للنوى المفردة. ومع ذلك ، أثناء أخذ العينات بانتظام (شخص واحد يحفر ، مع ترميز واحد وتخزين النوى) ، تمكنا من قلب 24 شجرة تنوب (نواتان بطول كامل لكل منهما) ، بأقطار جذعية تبلغ حوالي 80 سم ، في غضون 1.5 ساعة. هذا متوسط <2 دقيقة لنواة واحدة ، بما في ذلك التخزين والتعبئة والانتقال إلى الشجرة التالية.
يتم دعم المعالجة السريعة للعملية بأكملها من خلال حقيقة أنه يمكن استخدام المحول المصمم حديثا لأدوات الإزالة المتزايدة دون الحاجة إلى إصلاح المحول داخل المحول بمسمار أو عمليات إغلاق مماثلة. نتيجة لذلك ، فإن تغيير المثقاب إلى مقبض اللب لكسر واستخراج النواة أمر سريع وسهل. تم تصميم المحول بحيث يمكن للمرء حتى سحب الحفرة للخارج أثناء الحفر للخلف في حالة تعفن الجذع ، أو (كما هو شائع مع بعض أدوات الزيادة) إذا لم يمسك الخيط عند الرجوع للخلف ولم يتحرك الكور للخارج.
ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه عند إزالة corer من الجذع ، يحتاج المرء إلى إمالة المحول قليلا بحيث يمكن سحبه بنجاح دون انزلاق المثقاب (خطوة البروتوكول 2.8). تطلب الطلب المتزايد على دراسات حلقات الأشجار لإنشاء تسلسل زمني طويل يعتمد على الوكلاء التشريحيين19,26 إعداد أقسام صغيرة من نوى الزيادة ، مقطعة إلى قطع قبل التحضير أو مقطوعة كأقسام جزئية كاملة 22. على الرغم من أن جودة المقاطع الدقيقة التي يصل طولها إلى 40 سم لا تزال غير قابلة للمقارنة دائما مع المقاطع القصيرة (على سبيل المثال ، الزاوية المتغيرة للخلايا في امتدادها الرأسي تعيق في كثير من الأحيان قياسات جدار الخلية) ، إلا أنه يمكن استخدامها لتحديد وتاريخ تفاعلات نمو محددة مثل حدوث تفاعل الخشب أو الحلقات الزرقاء27 (الشكل 6).
وبالتالي ، فإن جودة العينات هي شرط أساسي للتحضير الناجح والتحليلات الإضافية للهياكل التشريحية. يتطلب هذا الطلب مزيدا من الحذر فيما يتعلق بحدة حملة أخذ العينات عند أخذ نوى الزيادة. نتيجة لذلك ، يمكن أن يكون إعداد الأقسام الدقيقة مستهلكا للوقت وكثيف العمالة ، وأحيانا مستحيلا ، إذا لم يتم تضمين العينات مسبقا28.
يتطلب شحذ حافة القطع لآلة الحفر المتزايدة يدويا الكثير من الممارسة والخبرة ، من أجل طحن الحافة بالتساوي في كل مكان يدويا دون أي دعم. تتيح القدرة على استخدام حامل الثقب الجديد لشحذ نوى الزيادة حتى للمستخدمين عديمي الخبرة في الشحذ شحذ حافة القطع الخاصة بهم في الميدان. حقيقة أن هذا يمكن القيام به الآن بسرعة سيزيد من جودة العينات المأخوذة في المستقبل.
على الرغم من أن استخدام المعدات الجديدة يظهر مزايا واضحة للمعالجة اللاحقة للنوى ، إلا أنه يمكن أيضا دمج المثقاب اللاسلكي مع أجهزة صغيرة للشحذ والتطوير والعرض منذ ما يقرب من 40 عاما20. قدم Maeglin20 تفاصيل البناء لتعديل “مبراة حفار Goodchild” المصنوعة من الخشب والمعدن29. في الوقت الحاضر ، يمكن تصميم هذا الجهاز وطباعته في طابعة ثلاثية الأبعاد دون أي مشاكل30. سيحتاج المرء فقط إلى إنشاء نموذج 3D مفصل للمبراة لطباعة الأجزاء الفردية وتجميعها لاستخدامها في هذا المجال. لم يتم استنفاد إمكانيات التحسين بعد ونحن على يقين من أن هذا المنشور سيلهم العديد من الزملاء لمواصلة تطوير الأدوات المعروضة هنا. العقبة التي لم يتم حلها بعد هي حقيقة أن المرء يحتاج إلى إزالة المثقاب وإضافة مقبض اللب لاستخراج النواة.
لا تزال الخطوة الأخيرة المتمثلة في قطع المقاطع الدقيقة من نوى الزيادةالكاملة 22 مشكلة صعبة. يدعم تطبيق الشريط القابل للذوبان في الماء ، كما هو موضح سابقا ، العملية عن طريق تثبيت القسم عند القطع ووضعه على الشريحة الزجاجية. ومع ذلك ، لا يزال هذا الإجراء يتطلب من المستخدم أن يتمتع بمستوى عال من الخبرة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
اي.
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).
