Flusso di lavoro avanzato per l'acquisizione di core incrementali di alta qualità - Nuove tecniche e dispositivi
Summary
Qui, presentiamo un protocollo su come evitare micro crepe nei nuclei di incremento applicando un trapano a batteria con un moltiplicatore di coppia per ridurre al minimo i problemi durante il carotaggio degli alberi, nonché il suo effetto sulla preparazione di lunghe micro sezioni. Questo protocollo include anche una procedura per affinare i carotatori sul campo.
Abstract
Nella ricerca dendroecologica, la datazione precisa di ogni singolo anello di crescita è un requisito fondamentale per tutti gli studi, concentrandosi solo sulle variazioni della larghezza dell’anello, sulle analisi chimiche o isotopiche o sugli studi anatomici del legno. Indipendentemente dalla strategia di campionamento per un determinato studio (ad esempio, climatologia, geomorfologia), il modo in cui vengono prelevati i campioni è cruciale per la loro preparazione e analisi di successo.
Fino a poco tempo fa, era sufficiente utilizzare un carotatore incrementale (più o meno) acuto per ottenere campioni di carotaggio che potevano essere levigati per ulteriori analisi. Poiché le caratteristiche anatomiche del legno possono essere applicate a serie temporali lunghe, la necessità di ottenere nuclei incrementali di alta qualità ha assunto un nuovo significato. In sostanza, il carotatore deve essere affilato (ened) quando viene utilizzato. Quando si carotaggio di un albero a mano, ci sono alcuni problemi nella gestione del carotatore, con conseguente comparsa nascosta di micro crepe lungo l’intero nucleo: quando si inizia a perforare a mano, la punta del trapano viene fortemente premuta contro la corteccia e l’anello più esterno fino a quando il filo non è completamente entrato nel tronco. Allo stesso tempo, la punta del trapano viene spostata su e giù e lateralmente. Quindi, il carotatore viene forato fino in fondo nel tronco; Tuttavia, è necessario fermarsi dopo ogni curva, cambiare la presa e girare di nuovo. Tutti questi movimenti, così come il carotaggio start/stop, sollecitano meccanicamente il nucleo. Le micro fessure risultanti rendono impossibile la creazione di microsezioni continue, poiché cadono a pezzi lungo tutte queste fessure.
Presentiamo un protocollo per superare questi ostacoli applicando una nuova tecnica che utilizza un trapano a batteria per ridurre al minimo questi problemi durante il carotaggio di un albero, nonché il suo effetto sulla preparazione di lunghe micro sezioni. Questo protocollo include la preparazione di lunghe micro sezioni, nonché una procedura per affilare i carotatori sul campo.
Introduction
La ricerca dendroecologica si basa su varie caratteristiche degli anelli di crescita negli alberi, sia annuali che non. La disciplina “precursore” dendrocronologia è stata stabilita usando le variazioni della larghezza dell’anello come parametro per datare semplicemente gli anelli e, di conseguenza, stabilire lunghe cronologie. Pertanto, molteplici altre caratteristiche, come le variazioni di densità, le concentrazioni isotopiche o le caratteristiche anatomiche del legno, vengono utilizzate per correlare i singoli anelli o la loro struttura e contenuto ai parametri ambientali per comprendere meglio l’impatto delle condizioni ambientali sulla crescita degli alberi nel tempo.
La dendroecologia, così come la dendroclimatologia, ha acquisito importanza nella ricerca ambientale, principalmente nella ricostruzione delle condizioni climatiche del passato 1,2,3. Per questo, gli anelli di innumerevoli alberi devono essere analizzati in dettaglio. Sebbene esistano alcune tecniche per determinare la larghezza e la densità degli anelli degli alberi (ad esempio, con la tecnologia delle onde acustiche4 o la resistenza di perforazione5,6), ad oggi, non esiste un metodo affidabile “non distruttivo” per estrarre le caratteristiche degli anelli dagli alberi. Per analisi molto dettagliate delle caratteristiche degli anelli all’interno di un albero, o per stimare l’incremento dell’area basale, sarebbe meglio tagliare i dischi dagli alberi di interesse7. Ciò richiederebbe l’abbattimento di tutti i potenziali alberi di interesse per analisi specifiche. Tenendo presente l’enorme numero di alberi analizzati ogni anno in tutto il mondo, questa strategia di campionamento non è praticabile. Indipendentemente dallo spreco di un’incredibile quantità di risorse, questa strategia è semplicemente troppo costosa. A causa di ciò, l’uso di carotatori incrementali è stato stabilito come tecnica di campionamento standard nella ricerca sugli anelli degli alberi8. L’utilizzo di carotatori incrementali consente un’estrazione minimamente invasiva di anime di legno dai fusti, partendo dalla corteccia e raggiungendo (in casi ottimali) il midollo dell’albero9.
Sebbene il carotaggio causi una lesione allo stelo – un foro con un diametro di ~ 1 cm – gli alberi sono in grado di chiudere questa ferita attraverso una maggiore formazione di legno in prossimità del foro centrale. Uno svantaggio, a parte il foro stesso, è la presenza di una “zona di compartimentazione”, un’area intorno al foro dove le cellule vengono riempite da fenoli per prevenire la potenziale diffusione di funghi a partire dal foro10,11. Per quanto ne sappiamo, non ci sono ancora prove che l’incremento del carotaggio causi un aumento significativo della frequenza di decadimento degli alberi, almeno nelle foreste indisturbate di alta quota per Picea abies12 e diverse specie di latifoglie in una foresta temperata13.
Sebbene questo standard di campionamento sia stato applicato per decenni in tutto il mondo, permangono ancora alcuni problemi. Uno di questi è il fatto che i nuclei devono essere presi a mano senza alcun supporto meccanico, il che richiede molto tempo ed è abbastanza estenuante dopo un po ‘. Per facilitare il campionamento, sono state sperimentate diverse strategie (più o meno praticabili), come l’uso di motoseghe dotate di carotatrice al posto della catena14,15,16,17. L’uso delle motoseghe era preferito ai trapani perché questi ultimi non erano abbastanza potenti; Tuttavia, questa idea non ha preso piede a causa del grande peso della motosega e del carburante richiesto.
Negli ultimi anni, le tecniche anatomiche del legno si sono evolute in modo significativo e sono state integrate negli studi dendroecologici18,19. Tuttavia, la capacità di analizzare i parametri anatomici del legno per lunghi periodi tagliando microsezioni da nuclei incrementali ha comportato problemi imprevisti. Spesso, le microsezioni prelevate dalle anime si rompevano in piccoli pezzi, il che rendeva impossibile produrre tagli coerenti (Figura 1). Questo problema è stato causato dalla tecnica manuale di carotaggi di alberi e carotatori di contrasto. Lo stress meccanico esercitato sul legno durante il carotaggio ha provocato micro crepe all’interno del nucleo. Queste micro crepe non sono mai state notate durante l’esame macroscopico dei nuclei di incremento, e quindi non hanno mai presentato un problema.
Il carotaggio manuale viene eseguito posizionando la maniglia sull’estremità posteriore del carotatore, premendo la punta con il filo sullo stelo e iniziando a girare la maniglia fino a quando il carotatore non ha perforato poco più della metà del diametro dello stelo. Durante questo processo, la punta del carotatore è (ovviamente) fissata nello stelo, ma l’estremità posteriore del carotiere girata dal manico si muove sempre lateralmente o su e giù, almeno fino a quando la testa del trapano non è completamente avvitata nel tronco, dando più guida e stabilità al carotatore. Come risultato dell’alta pressione e del movimento del carotatore, i nuclei di incremento sono distorti frequentemente nel più esterno ~ 5 cm (Figura 1). Anche se l’attrito durante la tornitura è ridotto al minimo, un altro processo esercita sollecitazioni sul nucleo di incremento all’interno del carotatore. Il carotaggio manuale non consente un movimento continuo del tagliente della carotatrice all’interno dello stelo. Si può fare un massimo di un giro completo, prima di doversi fermare per cambiare l’impugnatura, e quindi continuare la perforazione. Ogni volta che la rotazione si riavvia, il nucleo viene leggermente attorcigliato fino a superare l’attrito e il trapano ruota di nuovo. Queste sollecitazioni meccaniche causano potenzialmente crepe microscopiche nella struttura dei nuclei.
Questa sollecitazione meccanica aumenta anche quando il tagliente del carotatore non è affilato. Un segno visibile per un carotatore non affilato è una superficie irregolare del nucleo, che mostra molte crepe lungo l’intera estensione20 (Figura 2). La frequenza di affilatura dipende dalla densità degli alberi da carotare e dai minerali o sabbia presenti nella corteccia dell’albero da animare. Su una nota generale, non si dovrebbe presumere che i nuovi corer siano taglienti. Ad oggi, l’affilatura di un carotatore non viene quasi mai eseguita sul campo a causa della difficoltà di esso, poiché questo deve essere fatto a mano e richiede molta esperienza 11,20.
Per riassumere, il carotaggio manuale e i taglienti non affilati provocano entrambi micro crepe che si verificano nei nuclei presi. Ad oggi, questi problemi non sono stati analizzati sistematicamente, né sono stati fatti tentativi per trovare soluzioni. Questo articolo presenta un protocollo per superare questi ostacoli confrontando la tecnica del carotaggio manuale con l’applicazione di una nuova tecnica. Proponiamo l’utilizzo di un trapano a batteria dotato di apposito adattatore per un carotatore incrementale. Presentiamo in che misura i problemi sono ridotti al minimo durante il carotaggio di un albero, nonché l’effetto del carotaggio continuo e meccanico sulla preparazione di lunghe micro sezioni. Questo protocollo prevede la preparazione di lunghe microsezioni utilizzando un nastro idrosolubile come ausilio di supporto e una procedura per affilare i carotatori sul campo.
Protocol
Representative Results
Discussion
La significativa inclusione dell’anatomia del legno negli studi dendroecologici23,24, nonché un intensificato scambio tra scienziati specializzati nella ricerca sugli anelli degli alberi e anatomisti del legno25, ha aperto un ampio campo di analisi nuove e approfondite delle condizioni ambientali passate. Questi nuovi studi hanno aperto nuove possibilità e domande, ma hanno anche dato origine a nuovi problemi.
Il rapido sviluppo di questa nuova era di “dendroanatomia” richiede un elevato numero di campioni, che è sicuramente supportato dall’uso di un trapano a batteria come spiegato prima. Oltre al fatto che prendere i carotaggi con il trapano non è affatto estenuante, consente di risparmiare molto tempo. Sebbene i risultati presentati in questo documento implichino possibilità di campionamento sei volte più veloci rispetto al carotaggio manuale, si tratta di un test per singoli core. Tuttavia, durante il campionamento regolare (una persona carotaggi, con una codifica e la conservazione dei nuclei), siamo riusciti a carotare 24 alberi di abete rosso (due nuclei di lunghezza intera ciascuno), con diametri dello stelo di circa 80 cm, entro 1,5 ore. Si tratta di una media di <2 minuti per un core, inclusi lo stoccaggio, l'imballaggio e lo spostamento all'albero successivo.
La rapida gestione dell’intero processo è supportata dal fatto che l’adattatore di nuova concezione per carotatrici incrementali può essere utilizzato senza la necessità di fissare il carotatore all’interno dell’adattatore con una vite o chiusure simili. Di conseguenza, cambiare il trapano con l’impugnatura del carotatore per rompere ed estrarre il nucleo è facile e veloce. L’adattatore è progettato in modo da poter estrarre il carotatore durante la perforazione nel caso in cui lo stelo sia marcio, o (come è comune con alcuni carotatori di incremento) se il filo non si afferra quando si torna indietro e il carotiere non si sposta.
Tuttavia, va notato che quando si rimuove il carotatore dallo stelo, è necessario inclinare leggermente l’adattatore in modo che possa essere tirato con successo senza che il trapano scivoli via (passaggio del protocollo 2.8). La crescente richiesta di studi sugli anelli degli alberi per creare lunghe cronologie basate su proxy anatomici19,26 ha richiesto la preparazione di micro sezioni da nuclei incrementali, tagliati in pezzi prima della preparazione o tagliati come intere micro sezioni 22. Sebbene la qualità di microsezioni lunghe fino a 40 cm non sia ancora sempre paragonabile a sezioni corte (ad esempio, l’angolo variabile delle cellule nella loro estensione verticale spesso ostacola le misurazioni della parete cellulare), esse possono essere utilizzate per identificare e datare reazioni di crescita specifiche come il verificarsi di anelli di legno o blu di reazione27 (Figura 6).
Di conseguenza, la qualità dei campioni è un prerequisito fondamentale per una preparazione di successo e ulteriori analisi delle strutture anatomiche. Questa richiesta richiede maggiore cautela per quanto riguarda la nitidezza della campagna di campionamento quando si prendono i core di incremento. Di conseguenza, la preparazione di microsezioni può essere molto dispendiosa in termini di tempo e manodopera, e talvolta persino impossibile, se i campioni non sono incorporati in anticipo28.
L’affilatura manuale del tagliente di un carotatore incrementale richiede molta pratica ed esperienza, al fine di rettificare uniformemente il bordo tutto intorno a mano senza alcun supporto. La possibilità di utilizzare il nuovo supporto per trapano per l’affilatura di nuclei di incremento consente anche agli utenti inesperti nell’affilatura di affilare il tagliente dei loro carotatori sul campo. Il fatto che ciò possa essere fatto rapidamente aumenterà la qualità dei campioni prelevati in futuro.
Sebbene l’uso della nuova attrezzatura mostri chiari vantaggi per la successiva lavorazione delle anime, il trapano a batteria potrebbe anche essere combinato con piccoli dispositivi per l’affilatura, sviluppati e presentati quasi 40 anni fa20. Maeglin20 ha presentato i dettagli costruttivi di una modifica del “temperamatile di Goodchild” in legno e metallo29. Al giorno d’oggi, questo dispositivo può essere modellato e stampato in una stampante 3D senza problemi30. Basterebbe creare un modello 3D dettagliato dell’affilatoio per stampare le singole parti e assemblarlo da utilizzare sul campo. Le possibilità di miglioramento non sono ancora state esaurite e siamo sicuri che questa pubblicazione ispirerà molti colleghi a sviluppare ulteriormente gli strumenti qui presentati. Un ostacolo ancora irrisolto è il fatto che è necessario rimuovere il trapano e aggiungere la maniglia del carotatore per estrarre il nucleo.
La fase finale del taglio di microsezioni di interi nuclei incrementali22 è ancora una questione delicata. L’applicazione del nastro idrosolubile, come descritto in precedenza, supporta il processo stabilizzando la sezione durante il taglio e posizionandola sul vetrino. Tuttavia, questa procedura richiede ancora all’utente di avere un alto livello di esperienza.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nessuno.
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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