Flux de travail avancé pour la prise de cœurs incrémentiels de haute qualité - Nouvelles techniques et nouveaux dispositifs
Summary
Ici, nous présentons un protocole sur la façon d’éviter les microfissures dans les carottes incrémentielles en appliquant une perceuse sans fil avec un multiplicateur de couple pour minimiser les problèmes lors du carottage des arbres, ainsi que son effet sur la préparation de longues micro-sections. Ce protocole comprend également une procédure pour affûter les carotteurs sur le terrain.
Abstract
Dans la recherche dendroécologique, la datation précise de chaque anneau de croissance est une exigence de base pour toutes les études, en se concentrant uniquement sur les variations de largeur des anneaux, les analyses chimiques ou isotopiques, ou les études anatomiques du bois. Indépendamment de la stratégie d’échantillonnage pour une certaine étude (p. ex., climatologie, géomorphologie), la façon dont les échantillons sont prélevés est cruciale pour la réussite de leur préparation et de leur analyse.
Jusqu’à récemment, il suffisait d’utiliser un carottier (plus ou moins) tranchant pour obtenir des échantillons de carottes pouvant être poncés pour des analyses plus approfondies. Étant donné que les caractéristiques anatomiques du bois peuvent être appliquées à de longues séries chronologiques, la nécessité d’obtenir des carottes d’incrément de haute qualité a pris une nouvelle signification. Essentiellement, le carottier doit être tranchant lorsqu’il est utilisé. Lors du carottage d’un arbre à la main, il y a quelques problèmes dans la manipulation du carottier, ce qui entraîne l’apparition cachée de microfissures le long de toute la carotte: Lorsque vous commencez à percer à la main, le foret est fortement pressé contre l’écorce et l’anneau le plus externe jusqu’à ce que le fil soit complètement entré dans le tronc. Dans le même temps, le foret est déplacé de haut en bas ainsi que latéralement. Ensuite, le carottier est foré jusque dans le tronc; Cependant, il est nécessaire de s’arrêter après chaque tour, de changer la poignée et de tourner à nouveau. Tous ces mouvements, ainsi que le carottage de départ / arrêt, exercent une contrainte mécanique sur le noyau. Les microfissures qui en résultent rendent impossible la création de microsections continues, car elles se désagrègent le long de toutes ces fissures.
Nous présentons un protocole pour surmonter ces obstacles en appliquant une nouvelle technique utilisant une perceuse sans fil pour minimiser ces problèmes lors du carottage d’un arbre, ainsi que son effet sur la préparation de longues micro-sections. Ce protocole comprend la préparation de longues micro-sections, ainsi qu’une procédure d’affûtage des carotteurs sur le terrain.
Introduction
La recherche dendroécologique est basée sur diverses caractéristiques des cernes de croissance des arbres, annuelles et autres. La dendrochronologie disciplinaire « précurseur » a été établie en utilisant les variations de largeur des anneaux comme paramètre pour simplement dater les anneaux et, par conséquent, établir de longues chronologies. Par conséquent, de nombreuses autres caractéristiques, telles que les variations de densité, les concentrations isotopiques ou les caractéristiques anatomiques du bois, sont utilisées pour corréler les anneaux individuels ou leur structure et leur contenu aux paramètres environnementaux afin de mieux comprendre l’impact des conditions environnementales sur la croissance des arbres au fil du temps.
La dendroécologie, ainsi que la dendroclimatologie, ont gagné en importance dans la recherche environnementale, principalement dans la reconstruction des conditions climatiques passées 1,2,3. Pour cela, les anneaux d’innombrables arbres doivent être analysés en détail. Bien qu’il existe certaines techniques pour déterminer la largeur et la densité des cernes des arbres (p. ex., par la technologie des ondes acoustiques4 ou la résistance au forage 5,6), il n’existe à ce jour aucune méthode « non destructive » fiable pour extraire les caractéristiques des cernes des arbres. Pour des analyses très détaillées des caractéristiques des anneaux dans un arbre, ou pour estimer l’accroissement de la surface basale, il serait préférable de couper les disques des arbres d’intérêt7. Cela nécessiterait d’abattre tous les arbres d’intérêt potentiels pour des analyses spécifiques. Compte tenu du grand nombre d’arbres analysés chaque année dans le monde, cette stratégie d’échantillonnage n’est pas réalisable. Indépendamment du gaspillage d’une quantité incroyable de ressources, cette stratégie est tout simplement trop coûteuse. Pour cette raison, l’utilisation de carottes d’accroissement a été établie comme une technique d’échantillonnage standard dans la recherche sur les cernes d’arbres8. L’utilisation de carottes incrémentielles permet une extraction peu invasive des noyaux de bois des tiges, en partant de l’écorce et en atteignant (dans les cas optimaux) la moelle de l’arbre9.
Bien que le carottage cause une blessure à la tige – un trou d’un diamètre de ~ 1 cm – les arbres sont capables de fermer cette plaie grâce à une formation accrue de bois à proximité du trou de noyau. Un inconvénient, en dehors du trou lui-même, est la survenue d’une « zone de compartimentation », une zone autour du trou où les cellules sont remplies de phénols pour empêcher la propagation potentielle de champignons à partir du trou10,11. À notre connaissance, il n’existe toujours aucune preuve que l’augmentation du carottage entraîne une augmentation significative de la fréquence de décomposition des arbres, du moins dans les peuplements forestiers de haute altitude non perturbés pour Picea abies12 et plusieurs espèces de feuillus dans une forêt tempérée13.
Bien que cette norme d’échantillonnage soit appliquée depuis des décennies dans le monde entier, certains problèmes subsistent. L’un d’eux est le fait que les noyaux doivent être pris à la main sans aucun support mécanique, ce qui prend beaucoup de temps et est assez épuisant après un certain temps. Pour faciliter l’échantillonnage, plusieurs stratégies (plus ou moins praticables) ont été testées, comme l’utilisation de tronçonneuses équipées d’un carottier au lieu de la chaîne14,15,16,17. L’utilisation de tronçonneuses a été préférée aux perceuses car ces dernières n’étaient pas assez puissantes; Cependant, cette idée n’a pas pris en raison du poids important de la tronçonneuse et du carburant requis.
Au cours des dernières années, les techniques anatomiques du bois ont considérablement évolué et ont été intégrées dans les études dendroécologiques18,19. Cependant, la capacité d’analyser les paramètres anatomiques du bois sur de longues périodes en coupant des microsections à partir de carottes incrémentielles a entraîné des problèmes inattendus. Fréquemment, les micro-sections prélevées sur les carottes se brisaient en petits morceaux, ce qui rendait impossible la production de coupes cohérentes (Figure 1). Ce problème a été causé par la technique manuelle de carottage des arbres et des carottes peu nettes. La contrainte mécanique exercée sur le bois pendant le carottage a entraîné des microfissures dans le noyau. Ces microfissures n’ont jamais été remarquées lors de l’examen macroscopique des carottes d’incrément, et n’ont donc jamais posé de problème.
Le carottage manuel se fait en plaçant la poignée à l’extrémité arrière du carottier, en appuyant sur la pointe avec le filetage sur la tige et en commençant à tourner la poignée jusqu’à ce que le carottier ait percé un peu plus de la moitié du diamètre de la tige. Ce faisant, la pointe du carottier est (évidemment) fixée dans la tige, mais l’extrémité arrière du carottier tournée par la poignée se déplace toujours latéralement ou de haut en bas, au moins jusqu’à ce que la tête de forage soit complètement vissée dans le tronc, donnant plus de guidage et de stabilité au carottier. En raison de la pression élevée et du mouvement du carottier, les carottes d’incrément sont fréquemment déformées dans le ~5 cm le plus externe (Figure 1). Même si le frottement pendant la rotation est réduit au minimum, un autre processus exerce une contrainte sur le noyau incrémentiel à l’intérieur du carottier. Le carottage manuel ne permet pas un mouvement continu du tranchant du carottier à l’intérieur de la tige. On peut faire un tour complet maximum, avant de devoir s’arrêter pour changer la poignée, puis continuer à percer. Chaque fois que la rotation redémarre, le noyau est légèrement tordu jusqu’à ce que la friction soit surmontée et que la perceuse tourne à nouveau. Ces contraintes mécaniques peuvent provoquer des fissures microscopiques dans la structure des noyaux.
Cette contrainte mécanique est même augmentée lorsque le tranchant du carottier n’est pas tranchant. Un signe visible d’un carottier flou est une surface de noyau inégale, montrant beaucoup de fissures le long de son extension20 (Figure 2). La fréquence d’affûtage dépend de la densité des arbres à carotter et des minéraux ou du sable présents dans l’écorce de l’arbre à carotter. D’une manière générale, il ne faut pas supposer que les nouveaux carottes sont pointus. À ce jour, l’affûtage d’un carottier n’est presque jamais effectué sur le terrain en raison de sa difficulté, car cela doit être fait à la main et nécessite beaucoup d’expérience11,20.
Pour résumer, le carottage manuel et les arêtes de coupe peu nettes entraînent tous deux des microfissures dans les carottes prélevées. À ce jour, ces problèmes n’ont pas été analysés systématiquement et aucune tentative n’a été faite pour trouver des solutions. Cet article présente un protocole pour surmonter ces obstacles en comparant la technique de carottage manuel à l’application d’une nouvelle technique. Nous proposons d’utiliser une perceuse sans fil équipée d’un adaptateur spécial pour un carottier incrémentiel. Nous présentons dans quelle mesure les problèmes sont minimisés lors du carottage d’un arbre, ainsi que l’effet du carottage mécanique continu sur la préparation de longues microsections. Ce protocole comprend la préparation de longues micro-sections à l’aide d’un ruban hydrosoluble comme aide de soutien et une procédure pour affûter les carotteurs sur le terrain.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’inclusion significative de l’anatomie du bois dans les études dendroécologiques23,24, ainsi qu’un échange intensifié entre les scientifiques spécialisés dans la recherche sur les cernes des arbres et les anatomistes du bois25, ont ouvert un large champ d’analyses nouvelles et approfondies des conditions environnementales passées. Ces nouvelles études ont ouvert de nouvelles possibilités et de nouvelles questions, mais ont également donné lieu à de nouveaux problèmes.
Le développement rapide de cette nouvelle ère de « dendroanatomie » nécessite un nombre élevé d’échantillons, ce qui est certainement soutenu par l’utilisation d’une perceuse sans fil comme expliqué précédemment. En plus du fait que prendre des carottes avec la perceuse n’est pas du tout épuisant, cela permet de gagner beaucoup de temps. Bien que les résultats présentés dans cet article impliquent des possibilités d’échantillonnage six fois plus rapides que le carottage manuel, il s’agit d’un test pour les cœurs uniques. Néanmoins, lors d’un échantillonnage régulier (une personne carottage, avec une personne codant et stockant les carottes), nous avons réussi à carotter 24 épinettes (deux carottes de pleine longueur chacune), avec des diamètres de tige d’environ 80 cm, en 1,5 h. Cela représente une moyenne de <2 min pour un noyau, y compris le stockage, l’emballage et le passage à l’arbre suivant.
La gestion rapide de l’ensemble du processus est soutenue par le fait que l’adaptateur nouvellement conçu pour les carottes d’incrément peut être utilisé sans qu’il soit nécessaire de fixer le carottier à l’intérieur de l’adaptateur avec une vis ou des fermetures comparables. En conséquence, le changement de la perceuse sur la poignée du carottier pour casser et extraire le noyau est rapide et facile. L’adaptateur est conçu de manière à pouvoir même retirer le carottier lors du perçage au cas où la tige serait pourrie, ou (comme c’est courant avec certains carottes incrémentielles) si le filetage ne se serre pas en tournant en arrière et que le carottier ne se déplace pas.
Cependant, il convient de noter que lors du retrait du carottier de la tige, il faut incliner légèrement l’adaptateur afin qu’il puisse être tiré avec succès sans que la perceuse ne glisse (étape de protocole 2.8). La demande croissante d’études des cernes d’arbres pour créer de longues chronologies basées sur des approximations anatomiques19,26 a nécessité la préparation de micro-sections à partir de carottes incrémentées, coupées en morceaux avant préparation ou coupées en microsections entières 22. Bien que la qualité des microsections jusqu’à 40 cm de long ne soit pas toujours comparable à celle des sections courtes (par exemple, l’angle variable des cellules dans leur extension verticale entrave souvent les mesures de la paroi cellulaire), elles peuvent être utilisées pour identifier et dater des réactions de croissance spécifiques comme l’apparition de réactions en bois ou en anneaux bleus27 (Figure 6).
Par conséquent, la qualité des échantillons est une condition préalable essentielle à la réussite de la préparation et de l’analyse ultérieure des structures anatomiques. Cette demande nécessite plus de prudence quant à la netteté de la campagne d’échantillonnage lors de la prise de carottes incrémentielles. En conséquence, la préparation des micro-coupes peut être très longue et laborieuse, voire impossible, si les spécimens ne sont pas incrustés au préalable28.
Affûter le tranchant d’un carottier incrémentiel à la main nécessite beaucoup de pratique et d’expérience, afin de meuler le bord uniformément tout autour à la main sans aucun support. La possibilité d’utiliser le nouveau support de forage pour affûter les carottes incrémentielles permet même aux utilisateurs inexpérimentés dans l’affûtage d’affûter le tranchant de leurs carottes sur le terrain. Le fait que cela puisse être fait rapidement augmentera la qualité des échantillons prélevés à l’avenir.
Bien que l’utilisation du nouvel équipement présente des avantages évidents pour le traitement ultérieur des carottes, la perceuse sans fil pourrait également être combinée avec de petits dispositifs d’affûtage, développés et présentés il y a près de 40 ans20. Maeglin20 a présenté les détails de construction d’une modification du « tailleur de Goodchild » en bois et en métal29. De nos jours, cet appareil peut être modélisé et imprimé dans une imprimante 3D sans aucun problème30. Il suffirait de créer un modèle 3D détaillé de l’affûteur pour imprimer les pièces individuelles et l’assembler pour l’utiliser sur le terrain. Les possibilités d’amélioration ne sont pas encore épuisées et nous sommes sûrs que cette publication inspirera de nombreux collègues à développer davantage les outils présentés ici. Un obstacle encore non résolu est le fait qu’il faut retirer la perceuse et ajouter la poignée du carottier pour extraire la carotte.
La dernière étape de la découpe de micro-sections de noyaux entiers d’incrément22 est toujours une question délicate. L’application du ruban hydrosoluble, comme décrit précédemment, soutient le processus en stabilisant la section lors de la coupe et en la plaçant sur la lame de verre. Néanmoins, cette procédure exige toujours de l’utilisateur d’avoir un haut niveau d’expérience.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Aucun.
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 |
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