Come estrarre la variabilità climatica dagli anelli degli alberi

Riepilogo

Le ricostruzioni climatiche degli anelli degli alberi possono essere utili per comprendere meglio la variabilità climatica del passato al di là delle registrazioni strumentali. Questo protocollo mostra come ricostruire il clima del passato utilizzando gli anelli degli alberi e le registrazioni meteorologiche strumentali.

Abstract

Gli anelli degli alberi sono stati utilizzati per ricostruire le variabili climatologiche in molte località in tutto il mondo. Inoltre, gli anelli degli alberi possono fornire preziose informazioni sulla variabilità climatica degli ultimi secoli e, in alcune aree, di diversi millenni. Nonostante l'importante sviluppo che la dendrocronologia ha avuto negli ultimi decenni per studiare il potenziale dendroclimatico di un gran numero di specie presenti in diversi ecosistemi, molto resta da fare ed esplorare. Oltre a questo, negli ultimi anni sempre più persone (studenti, insegnanti e ricercatori) in tutto il mondo sono interessate a implementare questa scienza per estendere la cronologia delle informazioni climatiche a ritroso e capire come il clima è cambiato su scale di decenni, secoli o millenni. Pertanto, l'obiettivo di questo lavoro è quello di descrivere gli aspetti generali e i passaggi di base necessari per condurre una ricostruzione del clima degli anelli di accrescimento, dalla selezione del sito e dal campionamento sul campo ai metodi di laboratorio e all'analisi dei dati. Nel video e nel manoscritto di questo metodo, vengono spiegate le basi generali delle ricostruzioni climatiche degli anelli degli alberi in modo che i nuovi arrivati e gli studenti possano usarle come guida disponibile in questo campo di ricerca.

Introduzione

Gli anelli degli alberi sono fondamentali per capire come gli alberi rispondono al loro ambiente. Inoltre, poiché il clima influisce sulla crescita degli alberi, gli alberi fungono da indicatori ambientali che registrano le variazioni temporali durante la loro vita. Pertanto, gli anelli degli alberi sono stati preziosi per ricostruire i climi del passato ben oltre qualsiasi registrazione climatica strumentale.

I processi di crescita di radici, steli, rami, foglie e le strategie riproduttive negli alberi sono regolati da fattori ambientali come acqua, luce, temperatura e nutrienti del suolo¹. Ad esempio, gli steli crescono radialmente e il cambio vascolare controlla la crescita radiale². Il cambio vascolare è un tessuto meristematico che produrrà attivamente nuove cellule funzionali come lo xilema e la corteccia situate al confine esterno dello stelo. Inoltre, il cambio vascolare è attivo principalmente durante i cicli stagionali. Tuttavia, questa attività di crescita può essere interrotta durante i periodi di dormienza e durante particolari stagioni dell'anno. Questo periodo di dormienza di solito si verifica quando le variabili ambientali non sono ottimali (ad esempio, cicli diurni più brevi, periodi di siccità prolungati, inverni freddi o inondazioni). Inoltre, i cicli di crescita e dormienza si traducono in cambiamenti nell'attività del cambio con conseguenti confini concentrici anatomicamente distinti nel fusto chiamati anelli degli alberi³.

Gli alberi generalmente producono un anello ogni anno poiché la stagionalità climatica si verifica ogni anno. Pertanto, gli anelli degli alberi sono la manifestazione visiva della risposta ecofisiologica del cambio vascolare alle condizioni climatiche intra-annuali durante la crescita degli alberi³. Il primo gruppo di cellule xilematiche formate su un anello di un albero durante la stagione delle piogge sarà caratterizzato da celle più grandi chiamate earlywood⁴. Al contrario, durante la stagione secca e in risposta alla scarsità d'acqua, il cambio vascolare produce cellule xilematiche più piccole (tracheidi o vasi) con pareti cellulari più spesse chiamate latewood. Questa variazione nelle strutture anatomiche è più evidente nelle conifere, dove il legno precoce mostra un colore più chiaro rispetto al legno tardivo, mostrando un colore più scuro⁵. Lo spazio tra l'inizio del legno precoce e la fine del legno tardivo è definito come un anello di un albero (Figura 8F).

Gli alberi che crescono in luoghi con una stagione piovosa e secca ben definita potrebbero aspettarsi anni con una quantità di precipitazioni maggiore o minore. Questa variabilità porterà gli alberi a produrre anelli più larghi durante gli anni umidi e anelli più stretti durante gli anni secchi. Questi modelli temporali di anelli larghi e stretti possono essere visti come un codice a barre. Questa variazione temporale della larghezza degli anelli degli alberi è la base per l'applicazione del processo di datazione incrociata, uno dei principi più critici nella ricerca sugli anelli degli alberi⁶. Il processo di datazione incrociata è soddisfacente quando i modelli di anelli larghi e stretti in tutti i campioni vengono sincronizzati con successo in tempo per assegnare l'anno di formazione corrispondente.

In molte regioni del mondo in cui si verifica il clima stagionale, il segnale più dominante registrato negli anelli degli alberi è probabilmente correlato alla variabilità climatica⁷. Tuttavia, gli anelli degli alberi contengono anche informazioni aggiuntive relative all'età (gli alberi giovani crescono più velocemente di quelli più vecchi), alla competizione per le risorse con gli alberi circostanti e ai disturbi interni ed esterni (ad esempio, eventi di mortalità, focolai di parassiti o incendi)⁸. Pertanto, prima di tentare di ricostruire i climi del passato utilizzando le larghezze degli anelli degli alberi, i segnali non climatici devono essere rimossi attraverso diverse procedure statistiche spiegate in questo manoscritto.

L'obiettivo principale di questo protocollo è quello di mostrare come sviluppare una ricostruzione climatica basata sui dati degli anelli di accrescimento degli alberi per comprendere la variabilità climatica del passato. Pertanto, questo manoscritto mostrerà i metodi essenziali sul campo e di laboratorio come il campionamento, la preparazione dei campioni, la datazione incrociata e la misurazione delle larghezze degli anelli degli alberi necessari per sviluppare una ricostruzione climatica. Inoltre, questo protocollo spiegherà anche le analisi statistiche fondamentali utilizzate per estrarre la variabilità comune dalle larghezze degli anelli degli alberi e costruire una cronologia degli anelli degli alberi che sarà correlata con i dati climatici. Infine, utilizzando un semplice modello di regressione lineare, il protocollo mostrerà come ricostruire il clima del passato utilizzando la cronologia degli anelli degli alberi come variabile predittiva e i dati climatici come predittore.

Protocollo

Prima delle gite sul campo avere il permesso dei proprietari, nel caso di un'area protetta, o delle autorità competenti. È molto importante che alcuni membri del personale che rappresentano l'autorità partecipino al lavoro sul campo per evitare qualsiasi problema.

1. Strategia di campionamento

1. Determinazione dell'area di studio
   1. Selezionare l'area di campionamento più appropriata in base alle informazioni climatiche e alla composizione delle foreste (le foreste possono essere molto eterogenee; Figura 1A, B).
   2. Verificare che il sito di campionamento evidenzi un'evidente stagionalità climatica annuale e variazioni climatiche interannuali, compresa la stagione secca/umida o fredda/calda durante l'anno. Ispezionare i dati climatici delle stazioni meteorologiche vicine per determinare la stagionalità climatica annuale e la variazione climatica interannuale.
   3. Assicurarsi che sia presente una variabilità interannuale climatica da moderata a elevata, in modo che gli alberi nel sito di studio mostrino una variazione di larghezza dell'anello da un anno all'altro sufficiente per datare i campioni tra gli alberi.
   4. Effettuare escursioni sul campo nell'area di interesse per identificare potenziali siti con le specie di interesse (Figura 1B)
   5. Utilizza alcuni degli strumenti consigliati come cartografia, droni e immagini satellitari per esplorare un'area boschiva più ampia e rilevare più potenziali aree di campionamento. Verificare le informazioni provenienti da queste fonti sul campo.
   6. Raccogli informazioni da fonti complementari come gli stakeholder regionali che includono fornitori di servizi forestali, produttori forestali, comunità rurali e piccoli proprietari terrieri. Scegli i migliori siti di studio e le persone più adatte a raggiungere l'obiettivo in base alle informazioni ottenute da entrambe le fonti.
   7. Selezionare le aree in cui si osservano gli individui più longevi della specie di interesse (Figura 2A, B). Osserva gli alberi morti, gli alberi caduti e i ceppi in piedi. I vecchi campioni morti sono molto importanti poiché consentono di estendere la cronologia indietro nel tempo (Figura 2A, C, D, E)
   8. Registra la posizione delle persone con le caratteristiche sopra menzionate utilizzando un GPS.
2. Considerazioni per la selezione dell'albero migliore
   1. Una volta individuato il sito migliore, selezionare gli alberi da campionare in modo appropriato. Gli alberi situati in terreni poco profondi e rocciosi e in pendii ripidi sono più sensibili alla variabilità climatica. Utilizzare queste caratteristiche ecofisiografiche per determinare i fattori limitanti che gli alberi molto probabilmente registreranno (Figura 2A).
      NOTA: Evitare di prelevare campioni di alberi in luoghi di alta competizione; In queste località ad alta densità, gli alberi avranno un forte segnale di dinamica del popolamento forestale e uno climatico ridotto.
   2. Registrare le informazioni sul sito in un formato di campo. Raccogli informazioni geografiche ed ecologiche sull'area, come coordinate, altitudine, pendenza del terreno, nome del luogo, tipo di vegetazione, specie dominanti e uso attuale del suolo.
   3. Registrare le informazioni degli alberi campionati, come il diametro, l'altezza, la presenza di danni, se si trovano vicino o su un corso d'acqua, su un pendio ripido o su un burrone.
      NOTA: Le informazioni di cui sopra saranno utili durante l'analisi dei campioni per corroborare e interpretare meglio i risultati dello studio. Poiché gli alberi o i campioni potrebbero essere esposti a danni o le condizioni del sito in cui crescono gli alberi possono alterare le variazioni annuali della crescita. Questi metadati aiuteranno a spiegare le variazioni di crescita indipendentemente dai fattori climatici, fornendo gli elementi per considerare o eliminare i campioni rumorosi, considerando sempre l'evidenziazione del segnale climatico.
   4. Fornisci un codice per ogni campione in base al nome del sito e al numero del campione, che comprende le prime tre lettere del nome del sito, il numero dell'albero e il numero del campione. Ad esempio, il primo campione prelevato in questo sito avrà il seguente codice: RMI01A, che corrisponde al sito Río Miravalles (RMI), albero numero uno (01) e primo campione (A).
      NOTA: Il termine campione in questo caso si riferisce a un nucleo incrementale o a un pezzo di sezione trasversale prelevato da un albero.
   5. Eseguire campionamenti selettivi come fatto nella maggior parte degli studi dendroclimatici selezionando individui con specifiche caratteristiche fenotipiche e che crescono in specifiche condizioni ambientali per raggiungere gli obiettivi della ricerca. Eseguire un campionamento non selettivo se l'obiettivo è quello di proiettare gli effetti climatici sulla crescita degli alberi e di integrare le dimensioni degli alberi e le dinamiche dei popolamenti.
   6. Seleziona alberi con un aspetto longevo, in alcune occasioni con sommità secca, deperimento, fusto contorto (cioè a forma di spirale) e rami cadenti (Figura 3A-C). Gli individui longevi estenderanno le registrazioni ambientali più indietro nel tempo.
   7. Identificare gli alberi longevi osservando anelli molto compatti e più stretti durante i loro anni più recenti, che sono di conseguenza difficili da osservare e datare in modo incrociato. Identifica gli alberi più giovani che crescono durante questi stessi periodi poiché registrano anelli più larghi e più evidenti, facilitando la datazione di quelli più vecchi.
   8. Prendi in considerazione il campionamento tra il 10% e il 20% di giovani individui tra gli alberi campionati all'interno della strategia di campionamento.
   9. Assicurati che gli alberi abbiano un tronco solido per ottenere il nucleo di incremento più lungo possibile. Inoltre, evitare le aree marce perché possono causare campioni sezionati e la perdita di anelli interni e possono bloccare la piralide incrementale.
   10. Assicurarsi che gli alberi selezionati non siano cavi. Batte delicatamente l'albero con un martello di plastica e ascolta la risonanza del legno. Se la risonanza è forte o profonda, significa che l'albero potrebbe essere cavo. Se il suono è secco, c'è una bassa probabilità che l'albero sia cavo.
       NOTA: Questo passaggio è importante perché la trivella potrebbe rimanere bloccata negli alberi cavi, rendendo difficile l'estrazione della trivella e potenzialmente il campione potrebbe non essere di buona qualità.
   11. Anche quando si considera quanto sopra e non viene rilevato alcun marciume, prestare molta attenzione a quanto segue. Quando si introduce la trivella incrementale, applicare un certo grado di forza per penetrare nell'albero. Quando questa forza richiesta cambia, la trivella diventa più morbida, a questo punto si ferma e preleva il campione.
       ATTENZIONE: Se si continua a spingere la trivella incrementale, il legno in decomposizione mescolato con la resina si raccoglierà nella canna della trivella e formerà un tappo difficile da rimuovere con l'estrattore. Quando ciò accade, non utilizzare un coltello o un materiale d'acciaio per liberare il tappo di legno dalla fresa (questo potrebbe danneggiare la parte tagliente, rendendola inutilizzabile).
   12. Il bordo della trivella è molto sensibile alla ruggine metallica, utilizzare un lubrificante e un pezzo di legno per premere il tappo e rilasciare il cilindro della trivella incrementale. Il legno non provoca alcun danno al bordo della trivella incrementale.
   13. Quando si lavora con alberi resinosi o con grandi quantità di linfa, pulire spesso la piralide con olio. Utilizzare lubrificanti o etanolo, per la pulizia dei residui di resina che aderiscono al metallo.
3. Raccolta dei campioni (raccolta delle carote di incremento)
   1. Raccogli i campioni con la trivella Pressler (Figura 4A), uno strumento di precisione progettato per estrarre un piccolo nucleo da un albero vivente senza danni significativi⁶. Utilizzare una qualsiasi delle alesatrici incrementali disponibili, disponibili in diverse lunghezze (100-1000 mm), diametri (4, 5, 10, 12 mm) e filettature (2 e 3); Figura 4B, C). Come con qualsiasi strumento per tagliare il legno, mantieni la trivella affilata e pulita; I trivellatori non affilati potrebbero portare a nuclei contorti e rotti.
   2. Selezionare la trivella giusta in base alla specie arborea da campionare. Per la maggior parte dei legni, utilizzare una trivella a tre filettature di qualsiasi lunghezza o diametro per il campionamento. Per le specie di legno duro, utilizzare una trivella a due fili di piccolo diametro e lunghezza ridotta per una penetrazione più lenta, meno attrito e stress sul legno e una minore probabilità di rompersi durante il processo di campionamento.
   3. Nelle specie che mostrano un'alta frequenza di falsi anelli o fluttuazioni di densità interannuali (IADF) e/o micro-anelli, utilizzare la trivella di 12 mm di diametro invece di quella di 5 mm. Ciò consente di estrarre una superficie del campione più ampia per una migliore visualizzazione degli anelli difficili e facilita l'identificazione di questi problemi (Figura 4B). Non tentare di utilizzare trivelle più lunghe nei legni duri poiché c'è il rischio di romperle durante il processo di campionamento.
   4. Per prelevare un campione di legno, orientare la trivella inclinandola verso il centro dell'albero, 90° (perpendicolare) all'asse del tronco.
   5. Spingere la trivella incrementale nell'albero e ruotare contemporaneamente la maniglia in senso orario. Questa parte è essenziale poiché la mancanza di pressione durante la penetrazione iniziale della punta della trivella potrebbe causare nuclei irregolari o rotti. Una volta che la punta è penetrata completamente, allentare la pressione e ruotare l'impugnatura fino a raggiungere la profondità desiderata (Figura 5A).
   6. Ottenere almeno due campioni per individuo per garantire una buona qualità del campione. Se gli alberi crescono su un pendio, prelevare campioni paralleli al contorno del pendio (Figura 4A) per evitare la reazione del legno prodotta dagli alberi⁷.
      NOTA: Nelle conifere, gli alberi producono legno di reazione sotto forma di ampi anelli lungo il pendio per mantenere l'albero in posizione verticale e si chiama legno di compressione. Nelle angiosperme (alberi a foglia larga) si producono ampi anelli lungo il pendio e lo chiamano legno di tensione. Il legno di reazione deve essere considerato per trovare il centro dell'albero ed evitare influenze non climatiche sulla larghezza degli anelli degli alberi.
   7. Quando la trivella è stata ruotata abbastanza in profondità rispetto al centro dell'albero (Figura 5B), inserire l'estrattore nella trivella e spingerlo verso il centro dell'albero (Figura 5C).
   8. Quando l'estrattore è inserito per tutta la sua lunghezza, ruotare leggermente la trivella in senso antiorario per interrompere il collegamento tra il campione e l'albero (Figura 5C). Quindi, rimuovere l'estrattore che trasporta il torsolo (Figura 5D,E) e terminare l'estrazione rimuovendo il trapano dall'albero ruotandolo in senso antiorario (Figura 5F).
   9. Dopo aver prelevato il campione, prestare molta attenzione che l'albero formi un sigillo di resine o essudazione di linfa seguita da una crescita secondaria. In condizioni speciali, la lesione potrebbe essere la via per l'ingresso di agenti patogeni che potrebbero danneggiare l'albero⁶.
   10. Quando si lavora in aree riservate, ad esempio aree naturali protette e parchi nazionali, prendere in considerazione l'adozione di misure aggiuntive per proteggere gli alberi campionati. Copri le lesioni minori causate dalla piralide con cera Campeche o cera d'api.
   11. Nel caso in cui si verifichino problemi durante il lavoro sul campo, come ad esempio avere del legno incastrato all'interno della trivella, una punta rotta o avere la trivella ad accrescimento bloccata su un albero, fare riferimento ai passaggi 1.2.9.-1.2.12. Inoltre, portare sul campo più di una trivella incrementale.
       NOTA: Ricorda che non esiste una regola d'oro per estrarre il torsolo. Evitare le irregolarità e cercare di ottenere le migliori informazioni necessarie (Figura 4). Per ulteriori informazioni sulla cura del nucleo di incremento e del campionamento, consultare i documenti di Maeglin⁹ e Phipps¹⁰ disponibili gratuitamente on-line.
   12. Maneggiare i torsoli con cura perché sono fragili. Conservare ogni campione subito dopo l'estrazione. Per i campioni con diametro di 5 mm o inferiore, collocarli in cannucce di plastica con perforazioni o cannucce di carta per una migliore ventilazione e per evitare la crescita di funghi (Figura 6A). Per campioni con un diametro di 12 mm, avvolgerli in carta di giornale o qualsiasi altro tipo di carta (Figura 6B).
   13. Durante il lavoro sul campo e il trasporto in laboratorio, proteggere i campioni e conservarli su un tubo di plastica solida con tappi di plastica.
   14. Nei luoghi in cui si trovano alberi morti o ceppi, estrarre le sezioni trasversali usando una motosega. Ciò consente di prelevare campioni sia da alberi piccoli che da alberi grandi (Figura 6C).
       NOTA: L'obiettivo di questo tipo di campione è quello di estendere il periodo della cronologia e di aiutare a rilevare gli anelli mancanti non trovati sui nuclei. Gli anelli mancanti sono o saranno evidenti se l'intera circonferenza dell'albero è esposta⁶.
   15. Per i campioni prelevati con la motosega e con un certo grado di decomposizione del legno, è possibile perdere frammenti di campione. Avvolgere i campioni nella plastica per evitare ciò (Figura 6D, E).

Figura 1: Foresta temperata di conifere miste. (A) Foresta di conifere miste di Pinus montezumae, Pinus arizonica e Pinus ayacahuite. (B) Foresta mista di conifere di Pseudotsuga menziesii, Pinus arizonica e Pinus ayacahuite. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Selezione del sito. (A) Aree forestali con condizioni limitanti (terreno poco profondo, asciutto e pendio ripido) con un'alta probabilità di trovare individui longevi. (B) Gli individui longevi sono essenziali per gli studi dendroclimatici. (C, D, E) Localizzazione e selezione del legno morto (ceppi, alberi caduti e legno con un certo grado di deterioramento) che consente di estendere la cronologia nel tempo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Selezione dei migliori esemplari di alberi. (A) Albero con chioma morta e rami spessi, caratteristici di individui longevi, e (B, C) immagini di alberi con fusti e rami contorti, cioè a forma di spirale, indicativi di individui longevi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Strumenti utilizzati per la raccolta dei campioni. (A) Alesatrice incrementale (Pressler), lo strumento per estrarre campioni dendrocronologici. (B) Una trivella di 12 mm di diametro, consigliata per i casi in cui è necessario più materiale per definire gli anelli degli alberi, che consente l'estrazione di un volume di campione maggiore, che migliora la visualizzazione di anelli complessi e facilita l'identificazione dei problemi di crescita. (C) Una trivella di 5 mm di diametro utilizzata nella maggior parte dei casi. Questo tipo di trivella viene utilizzato per il campionamento di carotaggi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Processo di raccolta del campione. (A) Orientare la fresa puntando verso il centro del tronco, posizionato con un angolo di 90°, perpendicolare all'asse del tronco, spingere contemporaneamente la fresa verso l'albero e ruotare in senso orario. (B) Quando la fresa è stata inserita a 1 pollice di profondità, continuare a girare in senso orario per raggiungere il centro del tronco, l'estrattore viene inserito nel cilindro interno della fresa. (C) Quando l'estrattore è inserito per tutta la sua lunghezza, ruotare la trivella di un giro in senso antiorario per interrompere il collegamento tra il campione e l'albero. (D, E) Estrazione di campioni di legno. (F) La fresa viene rimossa dal tronco ruotandola in senso antiorario. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Tecniche per proteggere i campioni di legno. Poiché i campioni possono essere fragili, ogni campione deve essere conservato correttamente dopo essere stato raccolto. (A) I campioni prelevati con la trivella di 5 mm di diametro sono posti in cannucce di plastica perforate o cannucce di carta. Le perforazioni consentono una migliore ventilazione e prevengono la crescita di funghi. (B) I campioni di 12 mm di diametro sono più solidi. Questi campioni sono avvolti in giornali o altri tipi di carta o buste di manila. (C) Quando si raccolgono le sezioni trasversali con una motosega (D, E), queste devono essere avvolte nella plastica per fornire ulteriore supporto ed evitare la perdita di frammenti durante il trasporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Preparazione del campione in laboratorio

1. Seguire le procedure standard indicate da Stokes e Smiley⁶ per la preparazione e la datazione dei campioni in laboratorio.
2. Lasciare asciugare i campioni all'ombra in modo che la perdita di umidità dal legno riduca gradualmente le deformazioni del legno (Figura 7A). Dopo che le anime hanno perso abbastanza umidità, montarle su supporti o binari di legno, fissarle con colla (Figura 7B) e fissarle con nastro adesivo o filo (Figura 7C, D).
3. Prestare attenzione all'orientamento delle anime in legno quando le si posiziona sui supporti. Fissare i nuclei come le celle xilematiche del legno, che sono orientate perpendicolarmente al piano, vengono osservate e rivestite (Figura 7E). Questo orientamento consente una chiara visualizzazione dell'anatomia del legno degli anelli degli alberi.
4. Carteggiare e lucidare i campioni utilizzando carta vetrata di diverse grane, che vanno da 120 a 1200 grani. Nelle sezioni trasversali che possono mostrare irregolarità significative della superficie, seguire una delle due possibili opzioni.
   1. Opzione 1: lavorare con una spazzola elettrica e successivamente carteggiare il campione. Opzione 2: Iniziare il processo di levigatura con una grana di carta vetrata più grossa, nell'intervallo di 30 e aumentare gradualmente la grana fino a 1200. Ciò consentirà di vedere e differenziare più facilmente gli anelli di crescita (Figura 7F, G).
5. Lucidare l'intera parte superiore del campione (Figura 7E). Lucidare un minimo del 30% e un massimo del 50% della parte campione opposta alla sezione incollata alla rastrelliera in legno. Questo permetterà di avere una porzione di legno sufficiente per i successivi processi di lucidatura con l'obiettivo di una maggiore chiarezza degli anelli, cancellare i punti e i segni che vengono posti durante il processo di datazione.

Figura 7: Preparazione del campione. (A) L'essiccazione dei campioni all'ombra assicura che la perdita di umidità sia graduale per ridurre al minimo la deformazione del legno (anime attorcigliate). (B) Esempio di come montare i campioni su una rastrelliera di legno, fissata con colla, e (C, D) mostrare come sono fissati al rivestimento con nastro adesivo o corda sottile. (E) Indica la corretta posizione delle fibre del legno, che devono essere orientate perpendicolarmente agli anelli di crescita. Questo orientamento consentirà una chiara visualizzazione dell'anatomia degli anelli di crescita. (F, G) È un esempio della qualità della levigatura e della lucidatura con grane di carta vetrata da 120 a 1200. Questa procedura consente di visualizzare e differenziare gli anelli di crescita. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Datazione degli anelli degli alberi

1. Dopo che i campioni sono stati lucidati, analizzare ogni nucleo sotto uno stereoscopio con un ingrandimento da 10x a 15x. Prendi in considerazione uno stereoscopio che consenta di osservare e confrontare più anelli di crescita contemporaneamente.
2. Una volta che il ricercatore ha una buona idea di cosa sia un anello di crescita, a seconda della specie utilizzata, contare gli anelli di crescita di ciascun campione. Questo passaggio fornirà un'approssimazione dell'età dell'albero. Inoltre, riconoscere il tipo di variazioni che potrebbero essere riscontrate durante il processo di datazione incrociata (Figura 8A). Per il conteggio degli anelli degli alberi, iniziare dall'anello interno (centro dell'albero) all'anello esterno (corteccia).
3. Fai piccoli segni sul campione per tornare indietro e rivisitare il campione conoscendo il luogo nel tempo. Posiziona un piccolo punto per ogni decennio, due punti per ogni segmento di cinquant'anni e tre punti per ogni cento anni (Figura 8A).
4. Usa altri tipi di segni per evidenziare gli anelli che hanno caratteristiche particolari. Ad esempio, quando è evidente un micro anello con solo una piccola parte della banda di crescita, usa due punti paralleli per contrassegnarli. Quando c'è il sospetto o la certezza dell'assenza di un anello, utilizzare due punti alternati o un cerchio per contrassegnarlo e, quando viene identificato un falso anello, utilizzare una linea diagonale per indicare che si tratta di un singolo anello.
   NOTA: Per maggiori dettagli sulla tecnica di conteggio, seguire le procedure standard indicate da Stokes e Smiley⁶.
5. Una volta contati gli anelli degli alberi, utilizzare i grafici di crescita o i grafici dello scheletro per confrontare i modelli temporali e la variabilità tra anelli larghi e stretti. Questa parte grafica consente di confrontare più campioni contemporaneamente e di determinare modelli di crescita comuni e sincronizzati (Figura 8B). Questa tecnica consente di rilevare le discrepanze di crescita che potrebbero essere state erroneamente marcate durante il conteggio degli anelli.
   NOTA: Si prega di consultare il riferimento⁶ e il link sottostante per maggiori dettagli sulla creazione di un grafico di scheletro: https://www.ltrr.arizona.edu/skeletonplot/plotting.htm.
6. Nei campioni di giovani alberi vivi, dove è nota la data dell'ultimo anello esterno (oltre alla corteccia), eseguire una datazione preliminare dell'anello di albero direttamente sul campione. Ad esempio, se il campione è stato raccolto da una foresta nell'emisfero settentrionale nel dicembre 2021, che è la fine della stagione di crescita e la formazione degli anelli degli alberi è completata, la data dell'ultimo anello completamente formato sarà il 2021. Usando questo, conta gli anelli dalla parte esterna (corteccia) al centro del campione.
7. I campioni di alberi più vecchi mostrano periodi di anelli più stretti, generalmente nella parte più esterna del nucleo. Generare un grafico dello scheletro per queste carote (Figura 8C) per confrontare il loro modello di crescita con un campione noto e ben datato o con una precedente cronologia principale regionale della larghezza dell'anello (Figura 8D).
8. Per confrontare il campione, cercare la sincronia tra anelli sottili e larghi tra alberi diversi (Figura 8A, B). Il campione è considerato datato quando viene trovata una corrispondenza riuscita in base alla tecnica di datazione incrociata.
9. Nei campioni in cui i modelli di sincronia di crescita non sono chiari, a causa di differenze nella variabilità della crescita, anelli assenti o falsi anelli, rilevare il problema esaminando anello per anello tra i campioni e confrontarlo con campioni perfettamente datati. Utilizza i dati climatici delle stazioni vicine per verificare gli anelli mancanti sospetti, poiché questo tipo di anomalia dell'anello si verifica in anni con condizioni estreme di siccità o freddo.
10. Dopo aver identificato i potenziali problemi, correggere il conteggio e verificare se la sincronia è stata raggiunta.
11. Dopo che tutti gli alberi viventi sono stati datati in modo incrociato, sviluppare un grafico di crescita media comunemente chiamato Cronologia Master (Figura 8D), che è la media di tutti i grafici di crescita datati e indica il modello di crescita del sito su un dominio temporale⁶. È utile come strumento di datazione per più campioni che devono essere datati in modo incrociato, come alberi morti con data di morte sconosciuta (Figura 8C).

4. Misurazione dell'anello degli alberi

1. Una volta datati i campioni, misurare la larghezza degli anelli degli alberi. Misurare la larghezza totale dell'anello e le larghezze delle bande interannuali - legno antico e legno tardivo, se possibile. Utilizzare un sistema di misurazione con una precisione di 0,001 mm¹¹ per eseguire queste misurazioni (Figura 8E).
2. Misurare gli anelli di crescita e gli anelli parziali uno per uno facendo scorrere il tavolino del sistema di misurazione e osservando il campione attraverso uno stereoscopio con oculare reticolato. A seconda del sistema di misurazione, iniziare la misurazione dall'anello più interno all'anello esterno (Figura 8F).
3. Se non è disponibile un sistema di misurazione meccanico, in tal caso, utilizzare uno scanner per acquisire immagini ad alta risoluzione ed eseguire misurazioni degli anelli degli alberi utilizzando un software specializzato come CooRecorder o la misurazione R di CRAN.

Figura 8: Datazione incrociata e misurazione degli anelli di accrescimento. (A) Mostra il conteggio degli anelli e il confronto dei modelli di crescita tra due campioni. (B) Un esempio di come la variabilità di crescita di entrambi i campioni si rifletta nei grafici cartacei (scheletro grafico). Questo tipo di grafico permette di confrontare le crescite di molti campioni contemporaneamente (cross-dating) ed è una tecnica essenziale per ottenere la corretta datazione. I segni nella parte superiore del grafico 0, 50, 60, ecc., indicano il numero di anelli contati nel campione mostrato in A. (C) Grafico dello scheletro di un campione di legno morto datato all'anno esatto utilizzando la cronologia principale. (D) Esempio di cronologia principale, media degli alberi viventi correttamente datati. (E) Un sistema di misurazione con una precisione di 0,001 mm è stato utilizzato per misurare ciascuna delle crescite annuali. (F) Schema che mostra la crescita annuale di Pinus lumholtzii e le tre diverse porzioni di bande di un anello annuale (anello totale, legno precoce e legno tardivo). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Verifica della datazione incrociata

1. Una volta misurate le larghezze degli anelli, testane l'accuratezza e la qualità della datazione. Utilizzare i software COFECHA¹² (https://ltrr.arizona.edu/research/software) e dplR¹³ per la verifica statistica della datazione incrociata. Identificare le correlazioni non significative (< 0,3281; p > 0,01) tra i segmenti della serie di anelli all'interno di una cronologia master costruita utilizzando gli stessi campioni nel software di analisi COFECHA.
2. Cerca nel software i flag che identificano i valori di correlazione dei segmenti che non sono significativi, facilitando l'identificazione delle potenziali discrepanze tra i segmenti di qualsiasi campione con la cronologia principale complessiva (la media di tutti i valori standardizzati di ciascun campione analizzato).
3. Le discrepanze possono essere correlate a errori dovuti alla misurazione o all'identificazione dell'anello attribuiti a specifiche condizioni del microsito per gli alberi selezionati, che non sono sincronizzate con la variabilità complessiva tra il resto dei campioni. Verificarli con osservazioni e appunti presi sul campo e decidere se conservare o eliminare questo campione.
4. Per maggiori dettagli sull'interpretazione delle statistiche del COFECHA, si veda Speer⁷.

6. Sviluppo della cronologia

1. Detrendizzare o standardizzare le misurazioni degli anelli degli alberi per rimuovere tutte le informazioni non climatiche (rumore), come l'età, la geometria degli alberi, la dinamica del popolamento e gli effetti di disturbo come descritto.
   1. Adattare un'equazione matematica ai dati del campione: esponenziale negativo (Figura 9A), retta (Figura 9C) o spline cubiche, a seconda dei criteri e delle tendenze temporali riscontrate sui campioni (Figura 9A). Quindi dividere la larghezza di ciascun anello misurata per il valore montato o atteso.
   2. Calcolare la media dei valori standardizzati dei singoli alberi in una funzione di valore medio e regolare i tassi di crescita differenziali dovuti alle diverse età degli alberi e alle differenze nel tasso di crescita complessivo. Questo genererà una serie temporale standardizzata con una varianza relativamente costante e una media pari a uno⁸ (Figura 9B, D)
2. Non esiste una ricetta perfetta per standardizzare le serie di larghezze degli anelli degli alberi; Eseguire un'ispezione grafica di tutte le misurazioni della larghezza dell'anello per identificare le tendenze incorporate nei campioni prima di applicare qualsiasi metodo di detrending.
3. Utilizza qualsiasi piattaforma statistica per ottenere la standardizzazione. Software come ARSTAN o dplR sono appositamente per questo tipo di analisi^13,18 e sono disponibili gratuitamente su https://ltrr.arizona.edu/research/software e come pacchetto R da CRAN.
4. Eseguire la rimozione dell'autocorrelazione utilizzando la procedura statistica chiamata modellazione autoregressiva della media mobile (modellazione ARMA) che viene applicata automaticamente nei due programmi già citati. Ciò è necessario per studiare l'effetto della variabilità climatica interannuale sugli anelli degli alberi.
5. Una volta che le misurazioni degli anelli degli alberi sono state standardizzate e l'autocorrelazione è stata rimossa, sviluppare la cronologia del sito (Figura 10A). La cronologia dei siti degli anelli degli alberi è la media di tutte le serie standardizzate che utilizzano una robusta media biponderata che, a differenza della media aritmetica, attenua l'influenza degli anni atipici (valori anomali).
6. Valutare la qualità e il potenziale di ricostruzione del clima utilizzando i tre indicatori statistici chiave della cronologia del sito generati da ARSTAN o dplR, vale a dire il segnale espresso della popolazione (EPS), la sensibilità media (MS) e l'intercorrelazione tra le serie (ISC).
7. Stimare il grado di somiglianza tra i diversi campioni utilizzati nella cronologia e una cronologia ipotetica con un numero infinito di campioni utilizzando l'EPS (Figura 10B). Un valore maggiore di 0,85 è considerato accettabile e suggerisce che la cronologia ha un numero sufficiente di campioni per esprimere il segnale comune di un dato sito¹⁹.
8. Misurare la variabilità relativa tra le larghezze degli anelli utilizzando l'MS. Il valore della sensibilità media varia da zero a due, dove valori zero significano che non c'è differenza tra due anelli adiacenti e due che significano che un anello ha un valore zero accanto a un anello in cui il valore è maggiore di zero³. Un valore medio di sensibilità superiore a 0,3 indica una variazione interannuale sufficiente e un potenziale per la ricostruzione climatica.
   NOTA: La sensibilità media può essere interpretata come una metrica della potenziale relazione tra la crescita degli alberi e il clima.
9. Calcola il coefficiente medio di correlazione di Pearson di ciascun campione rispetto alla sua cronologia principale prodotta da tutte le altre serie temporali nel sito utilizzando l'ISC. Questa statistica indica il segnale comune della crescita degli alberi tra gli alberi.

Figura 9: Esempi di procedure di detrending e standardizzazione delle misure di larghezza degli anelli di accrescimento (RW), dalle misure agli indici. Viene calcolata la standardizzazione a un indice di larghezza dell'anello (RWI), quindi la media è intorno a uno e ha una varianza omogenea. (A) La serie di larghezza dell'anello RW indica la diminuzione esponenziale della crescita dovuta all'effetto dell'età, viene applicata la curva di detrending del miglior adattamento e in questo esempio utilizziamo una curva esponenziale negativa (colore rosso). (C) Questo è un secondo esempio di linea retta (colore rosso). (B, D) Gli indici normalizzati (RWI) vengono generati dopo aver diviso il valore della curva per la serie RW. Questa divisione elimina gli andamenti in linea con la curva, massimizzando il segnale climatico (serie storiche in colore grigio) e una spline di livellamento di 20 anni (colore rosso) per osservare eventi a bassa frequenza come siccità e periodi umidi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

7. Analisi mensile delle correlazioni

1. Eseguire analisi di correlazione per identificare la relazione tra la crescita annuale degli alberi (cronologia del sito) e le variabili climatiche mensili (precipitazioni, temperatura, evaporazione, umidità relativa, tra le altre). Utilizza questa analisi per valutare il periodo di ricostruzione dell'anello degli alberi in base ai valori di correlazione più elevati tra le variabili climatiche stagionali e la cronologia del sito.
2. Effettuare l'analisi di correlazione con i dati climatici mensili dell'anno precedente e dell'anno corrente (Figura 11A). Utilizzare uno dei numerosi programmi disponibili per eseguire questo tipo di analisi, vedere i riferimenti ^3,20,13.
   NOTA: L'analisi con risoluzione mensile e stagionale indica il grado di associazione, utilizzando i coefficienti di correlazione di Pearson, tra le variabili climatiche e la cronologia del sito degli anelli di armatura.
3. Per eseguire l'analisi di correlazione, utilizzare i record climatici delle stazioni meteorologiche più vicine o il punto della griglia più vicino da un set di dati a griglia. Inoltre, valuta la qualità dei record e utilizza la migliore opzione disponibile.
4. Quando si esegue l'analisi di correlazione su più stazioni meteorologiche, esplorare ogni record regionale uno per uno prima di compilare un record climatico regionale. Utilizzare solo le stazioni che visualizzano i valori di correlazione più elevati con la cronologia degli anelli degli alberi.
5. Confrontare la media regionale con il miglior set di dati grigliato disponibile per valutare ed evitare di perdere la variabilità climatica quando si combinano più stazioni meteorologiche.

8. Modello di regressione lineare semplice e ricostruzione della variabile climatica

1. Una volta identificato il periodo stagionale che mostra la crescita climatica più forte (Figura 11B e Figura 12A), eseguire un'analisi di regressione lineare semplice o multipla per costruire il modello di ricostruzione (Figura 12B).
2. Eseguire questa procedura su un'ampia gamma di combinazioni mensili per ottenere il miglior modello di ricostruzione (quello con il potere esplicativo più alto, valore R² aggiustato). In questa analisi, si consideri l'indice cronologico degli anelli degli alberi come variabile indipendente e le precipitazioni per un periodo mensile accumulato stagionale come variabile dipendente.
3. Dopo che il modello di regressione è stato generato, applicarlo alla cronologia nel periodo comune dei dati osservati.
4. Successivamente, dividere il periodo comune dei dati osservati e ricostruiti in due periodi, ciascuno contenente la metà dei dati utilizzati nell'intero modello di regressione comune, per convalidare statisticamente il modello ed eseguire un test di calibrazione e verifica.
5. Determinare le seguenti variabili statistiche per verificare il potere predittivo statistico e l'incertezza del modello di regressione (vedere la discussione per una descrizione dettagliata): coefficiente di correlazione (r), R² aggiustato, riduzione dell'errore (RE), test dei segni, test t del campione accoppiato, errore standard di stima (SE), errore quadratico medio di convalida (RMSEv) e test di Durbin-Watson.
6. Una volta che il modello di regressione è stato convalidato statisticamente, utilizzarlo per ricostruire la variabile climatica di risposta utilizzando la cronologia degli anelli degli alberi.
7. Infine, per fornire ulteriore affidabilità e certezza a qualsiasi ricostruzione climatica, verificare la ricostruzione con registrazioni storiche documentate o altre ricostruzioni dendroclimatiche da località vicine.

Risultati

Seguendo i passaggi 1.1 e 1.2 del protocollo, Pinus lumholtzii B.L. Rob. & Fernald è stato selezionato per questo studio. Tra gli aspetti più importanti che sono stati considerati, alcuni sono i seguenti: Si tratta di una conifera del genere Pinus con un'ampia distribuzione geografica e pochissimi studi dal punto di vista dendrocronologico; si sviluppa in siti poveri con affioramenti rocciosi, con scarsa capacità di stoccaggio dell'acqua, e la sua crescita è limitat...

Discussione

I record proxy sono sistemi naturali che dipendono dal tempo, che erano presenti in passato ed esistono ancora, come i sedimenti lacustri e marini, il polline, le barriere coralline, le carote di ghiaccio, i middens di packrat e gli anelli degli alberi, quindi le informazioni possono essere derivate da essi²⁴. Tuttavia, dalla maggior parte dei proxy sensibili al clima, gli anelli degli alberi rappresentano il proxy con la massima precisione e risoluzione interannu...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
ARSTAN Software			https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
Belt Sander		Dewalt Dwp352vs-b3 3x21 PuLG	For sanding samples
Chain Saw Chaps	Forestry Suppliers	PGI 5-Ply Para-Aramid	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Chain%20Saw%20Chaps
Chainsaw	Stihl or Husqvarna for example	MS 660	Essential equipment for taking cross sections samples (Example: 18-24 inch bar)
Clinometer	Forestry Suppliers	Suunto PM5/360PC with Percent and Degree Scales	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Clinometer
COFECHA Software			https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
Compass	Forestry Suppliers	Suunto MC2 Navigator Mirror Sighting	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=compass
Dendroecological fieldwork programs		Programs where dating skills can be acquired or honed	http://dendrolab.indstate.edu/NADEF.htm
Diameter tape	Forestry Suppliers	Model 283D/10M Fabric or Steel.	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Diameter%20tape
Digital camera	CANON	EOS 90D DSLR	To take pictures of the site and the samples collected (https://www.canon.com.mx/productos/fotografia/camaras-eos-reflex)
Digital camera for microscope	OLYMPUS	DP27	https://www.olympus-ims.com/es/microscope/dp27/
Electrical tape or Plastic wrap to protect samples	uline.com		https://www.uline.com/Product/Detail/S-6140/Mini-Stretch-Wrap-Rolls/
Field format		There is no any specific characteristic	To collect information from each of the samples
Field notebook			To take notes on study site information
Gloves			For field protection
Haglöf Increment Borer Bit Starter	Forestry Suppliers		https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
Hearing protection	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Hearing%20protection
Helmet	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Wildland%20Fire%20Helmet
Increment borer	Forestry Suppliers	Haglof	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
Large backpacks		There is no any specific characteristic	Strong backpack for transporting cross-sections in the field
Safety Glasses	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Safety%20Glasses
Sandpaper			From 40 to 1200 grit
Software Measure J2X		Version 4.2	http://www.voortech.dreamhosters.com/projectj2x/tringSubscribeV2.html
STATISTICA	Kernel Release 5.5 program (Stat Soft Inc. 2000)		Statistical analysis program
Stereomicroscope	OLYMPUS	SZX10	https://www.olympus-ims.com/en/microscope/szx10/
Topographic map, land cover map			Obtained from a public institution or generated in a first phase of research
Tube for drawings		There is no any specific characteristic	Strong tube for transporting samples in the field
Velmex equipment	Velmex, Inc.	0.001 mm precision	www.velmex.com