高品質のインクリメントコアを取得するための高度なワークフロー - 新しい技術とデバイス

要約

ここでは、トルクマルチプライヤー付きのコードレスドリルを適用して、ツリーをコアリングする際の問題を最小限に抑えることにより、インクリメントコアのマイクロクラックを回避する方法と、長いマイクロセクションの準備への影響に関するプロトコルを紹介します。このプロトコルには、現場でコアラーを研ぐ手順も含まれています。

要約

樹状生態学的研究では、各単一成長輪の正確な年代測定は、輪幅の変動のみ、化学的または同位体分析、または木材の解剖学的研究に焦点を当てたすべての研究の基本的な要件です。特定の研究(気候学、地形学など)のサンプリング戦略とは無関係に、サンプルの採取方法は、サンプルの準備と分析を成功させるために重要です。

最近まで、さらなる分析のために研磨できるコアサンプルを取得するには、(多かれ少なかれ)シャープインクリメントコアラーを使用するだけで十分でした。木材の解剖学的特性は長い時系列に適用できるため、高品質のインクリメントコアを取得する必要性は新しい意味を帯びています。基本的に、コアラーは使用時に鋭利である必要があります。手で木をコアリングする場合、コアラーの取り扱いにいくつかの問題があり、コア全体に沿ってマイクロクラックの隠れた発生が発生します。 手で穴を開け始めるとき、糸が幹に完全に入るまで、ドリルビットを樹皮と最も外側のリングに強く押し付けます。同時に、ドリルビットは上下左右に動かされます。次に、コアラーはトランクに完全にドリルで開けられます。ただし、ターンごとに停止し、グリップを変更してから、再度ターンする必要があります。これらすべての動き、およびスタート/ストップコアリングは、コアに機械的ストレスを与えます。結果として生じる微小亀裂は、これらすべての亀裂に沿ってバラバラになるため、連続した微小断面を作成することを不可能にします。

本稿では、コードレスドリルを用いた新しい手法を適用し、樹木をコアリングする際のこれらの問題を最小限に抑えることで、これらの障害を克服するためのプロトコルと、長い微小切片の作成への影響を紹介します。このプロトコルには、長いマイクロセクションの準備と、現場でコアラーを研ぐ手順が含まれています。

概要

樹状生態学的研究は、樹木の成長輪のさまざまな特性に基づいています。「先駆的な」分野の年輪年代学は、リング幅の変化をパラメーターとして使用して確立され、リングの年代測定を単純にし、その結果、長い年代学を確立しました。したがって、密度変動、同位体濃度、木材の解剖学的特性などの多様な他の特性を使用して、単一リングまたはその構造と含有量を環境パラメータに関連付け、環境条件が時間の経過に伴う樹木の成長に与える影響をよりよく理解します。

樹状生態学および樹状気候学は、主に過去の気候条件の再構築において、環境研究において重要性を増しています^1,2,3。このためには、無数の木の年輪を詳細に分析する必要があります。年輪の幅と密度を決定するためのいくつかの技術が存在しますが(たとえば、音波技術⁴または掘削抵抗^5,6による)、今日まで、木から年輪の特性を抽出するための信頼できる「非破壊的」方法はありません。樹木内のリング特性の非常に詳細な解析、または基底面積の増加を推定するには、関心のある樹木から円盤を切り取るのが最善です⁷。これには、特定の分析のために関心のある可能性のあるすべての木を切り倒す必要があります。世界中で毎年分析される膨大な数の樹木を念頭に置いて、このサンプリング戦略は実用的ではありません。信じられないほどの量のリソースを浪費することに関係なく、この戦略は単に高すぎます。このため、年輪研究における標準的なサンプリング技術としてインクリメントコアラーの使用が確立されました⁸。インクリメントコアラーを使用すると、樹皮から始めて(最適な場合には)木の髄に到達する、茎からの木の芯の低侵襲抽出が可能になります⁹。

コアリングは直径1~1cmの幹穴に損傷を与えるが、木は芯穴付近の木材形成の増加によってこの傷を閉じることができる。欠点は、穴自体とは別に、穴^10,11から始まる真菌の潜在的な広がりを防ぐために細胞がフェノールで満たされる穴の周りの領域である「区画化ゾーン」の発生です。私たちの知る限り、少なくともPicea abies¹²の乱されていない高地の森林林と温帯林¹³のいくつかの広葉樹種では、増加コアリングが樹木の腐敗頻度の有意な増加を引き起こすという証拠はまだありません。

このサンプリング標準は世界中で何十年にもわたって適用されてきましたが、まだいくつかの問題が残っています。これらの1つは、コアを機械的なサポートなしで手で取らなければならないという事実であり、これには時間がかかり、しばらくすると非常に疲れます。サンプリングを容易にするために、チェーンの代わりにコアラーを備えたチェーンソーの使用など、いくつかの(多かれ少なかれ実用的な)戦略がテストされています14,15,16,17。チェーンソーの使用は、ドリルが十分に強力ではなかったため、ドリルよりも好まれました。しかし、チェーンソーの重量が大きく、燃料が必要なため、このアイデアは普及しませんでした。

近年、木材の解剖学的技術は大幅に進化し、樹状生態学的研究に統合されています^18,19。しかし、インクリメントコアから微小切片を切断することにより、長期間にわたって木材の解剖学的パラメータを解析する機能は、予期しない問題を引き起こしました。多くの場合、コアから採取されたマイクロセクションが細かく砕け、コヒーレントカットを生成できませんでした(図1)。この問題は、コアリングツリーとアンシャープコアラーの手動技術によって引き起こされました。コアリング中に木材にかかる機械的応力により、コア内に微小亀裂が生じました。これらのマイクロクラックは、インクリメントコアの巨視的検査中に気付かなかったため、問題を引き起こすことはありませんでした。

手動コアリングは、コアラーの後端にハンドルを置き、先端を糸でステムに押し付け、コアラーがステムの直径の半分強に穴を開けるまでハンドルを回し始めることによって行われます。これを行う間、コアラーの先端は(明らかに)ステムに固定されますが、ハンドルで回されたコアラーの後端は、少なくともドリルヘッドがトランクに完全にねじ込まれるまで、常に横または上下に動き、コアラーにより多くのガイダンスと安定性を与えます。高圧とコアラーの動きの結果として、インクリメントコアは最も外側~5cmで頻繁に歪んでいます(図1)。旋回中の摩擦が最小限に抑えられたとしても、コアラー内部のインクリメントコアに別のプロセスで応力がかかっています。手動コアリングでは、ステム内のコアラーの刃先を連続的に動かすことはできません。グリップを変更するために停止する前に、最大1回転を完了してからドリルを続けることができます。回転が再開するたびに、摩擦が克服され、ドリルが再び回転するまで、コアがわずかにねじられます。これらの機械的ストレスは、コアの構造に微視的な亀裂を引き起こす可能性があります。

この機械的ストレスは、コアラーの刃先が鋭くない場合にも増加します。アンシャープコアラーの目に見える兆候は、凹凸のあるコア表面であり、その延長部全体に沿って多くの亀裂を示しています²⁰(図2)。研ぐ頻度は、コアリングする木の密度と、コアリングする木の樹皮に存在するミネラルまたは砂によって異なります。一般的な注意点として、新しいコアラーが鋭いと仮定するべきではありません。今日まで、コアラーを研ぐことは、手作業で行う必要があり、多くの経験を必要とするため、現場ではほとんど行われません^11,20。

要約すると、手動コアリングと不鮮明な刃先の両方が、採取されたコアにマイクロクラックが発生します。今日まで、これらの問題は体系的に分析されておらず、解決策を見つける試みも行われていません。本稿では、手動コアリング技術と新しい技術の適用を比較することにより、これらの障害を克服するためのプロトコルを提示します。インクリメントコアラー用の特別なアダプターを備えたコードレスドリルの使用を提案します。ツリーをコアリングするときに問題がどの程度最小限に抑えられるか、および長いマイクロセクションの準備に対する連続的な機械的コアリングの効果を示します。このプロトコルには、支持助剤として水溶性テープを使用した長いマイクロセクションの準備と、現場でコアラーを研ぐ手順が含まれます。

プロトコル

1.手動コアリング

1. インクリメントコアラーを組み立て、研究課題に応じて木の幹のコア位置を選択します(たとえば、地形再構成の場合は機械的応力の方向に平行、年齢決定の場合はできるだけ低く)。
   注意: 常に各ステムから2つのコアを取り、できれば反対方向に取ります。
2. コアリング位置を選択したら、コアラーをステムの成長方向に対して直角に配置します。
3. コアラーの後端にプッシャーを配置して、掘削中にコアラーを安定させます。
4. 安定した位置を達成し、プッシャーにもたれかかって刃先に圧力をかけます。
5. ドリルのねじ部分が完全にステムになるまで、コアラーのハンドルを両手で回します。
6. 圧力を解放し、プッシャーを取り外します。
7. コアラーが髄に到達するか穴を開けるまで、両手でコアラーのハンドルを回し始めます。ステムの横にあるハンドルにエクストラクター(コアラーと同じ長さ)を持ってこれを確認します。
8. 開いた側を上にして抽出器を取り、コアラーに完全に挿入します。コアラーを後方に回して(1回転)、コアをステムから切り離します。抽出器をコアラーから引き出します。
9. 抽出器からコアを取り外し、紙ストローに保管します。
10. コアラーをステムから取り外し、ハンドルに保管します。

2.コードレスドリルによるコアリング

1. トルクブースターを装備したコードレスドリルに、WSLで開発されたインクリメントコアラー用の専用アダプターを追加。
2. インクリメントコアラーをトルクブースターのアダプターに配置し、研究タスクに応じて木の茎のコアリングの位置を選択します(ステップ1.1を参照)。
3. コアリング位置を選択したら、コアラーをステムの成長方向に対して直角に配置します。
4. 安定した位置を実現し、コードレスドリルをしっかりと保持し、刃先に圧力をかけます。
5. コードレスドリルを開始し、ドリルのねじ部分がステムに完全にコアされるまでゆっくりと回転させ、コアラーが髄に到達するかドリルするまで速度を上げます。
   注意: 深さは、手順1.7で説明されているように確認できます。
6. コアラーからコードレスドリルを取り外し、ハンドルをその上に置き、手順1.8で説明したように、抽出器を使用してコアを取り外します。
7. インクリメントコアを紙ストローに保管します。
8. ハンドルを取り外し、コードレスドリルをコアラーに置き、コアラーをステムから取り外します。

3. インクリメントコアラーの刃先を研ぐ

1. WSL シャープニング サポートの使用
   1. 新しくデザインされたホルダーを取り、地面に置きます。
   2. インクリメントコアラーを含むコードレスドリルを指定されたサポートポイントに配置し、取り付けブラケットを閉じてコードレスドリルを固定します。
   3. スターターボタンのテフロンブロックを固定してコードレスドリルを開始し、実行します。円錐形の砥石を取り、それで刃先の内側を研削します。
      注意: 接触角は刃先の内側によって異なります。砥石は内側の側壁と完全に接触し、刃先からコアラーの内側が広がるまで到達する必要があります。
   4. 長方形の砥石を取り、刃先の外側を研削してバリ取りします。
      注:これは、以前に形成されたバリを内側から研削してエッジに除去し、最終的にエッジを鋭くするために必要です。
   5. スターターボタンからテフロンブロックを取り外してドリルを停止し、取り付けブラケットを開いてコードレスドリルを解放し、デバイスをホルダーから取り出します。
2. 刃先の切れ味を確認する
   1. コードレスドリルのアダプターからインクリメントコアラーを取り外します。
   2. 研ぎサポートの木板の上に一枚の紙を置きます。
   3. コアラーを垂直に保持しながら、コアラーの刃先を紙の上に置きます。
   4. コアラーに圧力をかけずに垂直に保持しながらコアラーを回します-コアラーの重量だけが紙を押す必要があります。
   5. コアラーを持ち上げて、コアラーの刃先の内側に丸い紙片が残っているかどうかを確認します。もしそうなら、コアラーは鋭いです。そうでない場合は、シャープニング手順を繰り返します(ステップ3.1)。コアの外側が滑らかでない場合は、手順全体(手順3.1および3.2)を繰り返します。

5. インクリメントコア全体の微小切片を水溶性テープで切断

1. ミクロトームの横に長いガラススライドを置き、スライドの全長に沿ってスライドの中央に水を追加します。
2. コアミクロトームのサンプルホルダーにコアを配置します。
   注意: 断面を真の断面として切断するには、繊維の方向が直立していることを確認してください。
3. コアがブレードの端にほぼ接触するまでサンプルホルダーを持ち上げます。ブレードをコアの上に引っ張って、上部を切り取ります。
4. 再びナイフをコアの先頭に置き、サンプルを約10μm持ち上げ、少なくとも2mm幅の平面が得られるまで切断手順を繰り返します。
5. ブラシ²¹を用いて切断面にコーンスターチ溶液を加える。
6. 一枚の布を使用して、コアの上部から余分な溶液を取り除きます。
7. 水溶性テープのストリップをコアと同じ長さにカットします。テープの片側をコアの始点まで、約1 cm重ねて置き、コアの始点をミクロトームの刃に向けます。
8. 指で表面のテープをなでて、コアの表面にテープを取り付けます。
9. ミクロトーム内のサンプルを15〜20 μm持ち上げ、テープの重なり合った部分を少し持ち上げて、ミクロトームブレードをコアの端に置きます。
10. テープの端を持ちながら切片を切り取ります。
11. 薄い部分を貼り付けたテープを取り、手順5.1で準備したスライドガラスの水線に切り込みを下に向けて置きます。
12. 約10秒後、セクションがスライドガラスに残るように注意しながら、テープを片側に保持して持ち上げ、ピンセットを使用してテープの取り外しを開始します。
13. このセクションのパーマネントスライドを作成するには、標準的な手順²²に従います。

結果

手動コアリング手順をコードレスドリルの使用と比較すると、後者の利点は明らかです。コアリングトウヒの木(Picea abies (L.) H. Karst.)と胸の高さ60-80 cmの茎の直径を比較した。採取したすべてのコアに長さ40cmの5mmコアラーを使用し、コアラーの全長をステムにドリルで穴を開けました。コアを手動で取得する場合、コアを取得してツリーからコアラーを削除する完全な手順には、平均~6分かかりました。トルクブースターを装備したコードレスドリルを使用してこれを繰り返すと、全体の手順が平均1分しかかかりませんでした。コードレスドリルによるコアリングはまったく疲れ果てていないという事実に加えて、ねじ山が完全にステムの内側になるまで、掘削の最初の段階で刃先に圧力がかかるため、コアは変形しませんでした。糸がステムの内側に入るとすぐに、コアラーは多かれ少なかれ安定し、潜在的な上下の動きが最小限に抑えられます(図3)。

図2のように、最初のコアの外側が滑らかでなくなり、傷や亀裂が見られるとすぐに、刃先の研ぎが必要でした。コードレスドリルは、コアリングに使用されるため(つまり、アダプターとインクリメントコアラーを含む)、固定できるためです。図4)、シャープニング手順も非常に高速です。少し練習すれば、研ぎは5分以内で完了します。カットされた紙がコアラー内にくっつくとすぐに、サンプリングを続けることができます。結果として得られるコアは、傷や亀裂がなく滑らかです。コードレスドリルの助けを借りて採取されたコアは、マイクロクラックを示す可能性が低くなります。これは、インクリメントコア全体のマイクロセクションをカットするための前提条件です。水溶性テープ(図5)を貼ると、テープが薄い部分をブレードから外してスライドガラスの上に置くときに裂け目から保護するため、長くて壊れやすい部分の取り扱いが容易になりました。この手順は、テープ接着剤が非ニュートン流体(コーンスターチ溶液;プロトコルステップ5.5を参照)に加えて切断しながら細胞壁を安定させるため、ラボでの時間を節約し、マイクロセクションの品質を向上させます。

図1:インクリメントコアラー。 (A)手動コアリングに使用されるインクリメントコアラー、およびねじ山と刃先の拡大図。(B)手動コアリングの開始時に木材にかかる高圧による歪んだインクリメントコア。(C)マイクロクラックにより断片化したインクリメントコアの一部のマイクロセクション。スケールバー= 0.5 cm(D-F)コードレスドリル使用時のコアリング手順を示す写真。コアリングを開始するのに高圧は必要なく(D、E)、ハンドルを使用してコアを簡単に抽出でき(F)、ドリルは直後に抽出されます(G)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:アンシャープコアラーの使用による外側の傷や亀裂を示すインクリメントコア。スケールバー= 0.5 cm。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:コアと関連するマイクロセクションをインクリメント します。 (A)鋭利なコアラーとコードレスドリルで撮影したストレートコア。(B)アンシャープコアラーで手動で採取した歪んだコア。(C)鋭利なコアラーでサンプリングされた マツシルベストリスト スコアの連続セクション。(D)アンシャープコアラーを使用したためにバラバラに壊れた カラマツデシデュア コアのセクション。スケールバー= 0.5センチメートル(A、B);1センチメートル(C)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:インクリメントコアラーの刃先を研ぐために設計されたホルダー 。 (A)インクリメントコアラーをガイドして安定させるためのテフロンブロック。(B)コードレスドリルのスターターを固定するためのテフロンブロック。(C)使用するコアラーの種類に応じて、ボード上の他の位置に A を固定するための六角レンチ。(D)クランプ コードレスドリルを固定します。(E)円錐形の砥石を刃先の内側に置きます。(F)真っ直ぐな砥石を外側に置いて刃先のバリ取りをします。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:水溶性テープの塗布 。 (A)芯の表面を覆うのに必要な長さにテープをカットします。(B)準備したコアの表面にテープを置きます。(C)テープの端を片手で持ってセクションを切り取ります。(D)セクションを下に向けてテープをスライドガラスの上に置き、水を加えてテープをセクションから分離します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:「青い輪」を示す針葉樹の微小断面。 木質化されていない後期木材の細胞壁、そしてこのために、1974年のリングの青(長いセクションを示すスライドの上に拡大)。スケールバー= 1 cm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

樹木生態学的研究^23,24に木材の解剖学が有意に含まれ、年輪研究を専門とする科学者と木材解剖学者²⁵の間の交流が激化したことで、過去の環境条件の新しく詳細な分析の幅広い分野が開かれました。これらの新しい研究は、新しい可能性と質問を開きましたが、新しい問題も生み出しました。

この新しい時代の「樹状解剖学」の急速な発展には多数のサンプルが必要であり、これは前に説明したようにコードレスドリルの使用によって確実にサポートされています。ドリルでコアを取ることはまったく疲れないという事実に加えて、それは多くの時間を節約します。このホワイトペーパーで提示された結果は、手動コアリングよりも6倍高速なサンプリングの可能性を示唆していますが、これはシングルコアのテストです。それにもかかわらず、定期的なサンプリング(1人のコアリング、1人のコーディングとコアの保管)中に、茎の直径が約80 cmの24本のトウヒの木(それぞれ全長の2つのコア)を1.5時間以内にコアにすることができました。これは、保管、パッキング、次のツリーへの移動を含む、1つのコアの平均<2分です。

プロセス全体の迅速な取り扱いは、インクリメントコアラー用に新しく設計されたアダプターを、アダプター内のコアラーをネジや同等のクロージャーで固定することなく使用できるという事実によってサポートされています。その結果、ドリルをコアラーのハンドルに変更してコアを壊して抽出することが迅速かつ簡単になります。アダプターは、ステムが腐っている場合、または(一部のインクリメントコアラーで一般的であるように)折り返し時に糸がつかまらず、コアラーが移動しない場合に、ドリルバック中にコアラーを引き抜くことができるように設計されています。

ただし、コアラーをステムから取り外すときは、ドリルが滑り落ちることなくアダプターを正常に引っ張ることができるように、アダプターをわずかに傾ける必要があることに注意してください(プロトコルステップ2.8)。解剖学的プロキシ^19,26に基づいて長い年代学を作成するための年輪研究に対する需要の高まりにより、インクリメントコアからのマイクロセクションの準備、準備前に細かくカットするか、マイクロセクション全体としてカットする^{必要がありました22}。長さ40cmまでの微小切片の品質は、依然として短い切片に必ずしも匹敵するわけではありませんが(例えば、垂直伸長における細胞の角度の変化が細胞壁の測定を妨げることがよくあります)、それらは、反応木材または青いリングの発生として特定の増殖反応を識別し、日付を記入するために使用できます²⁷(図6)。

したがって、サンプルの品質は、解剖学的構造の調製とさらなる分析を成功させるための基本的な前提条件です。この要求では、インクリメントコアを取得する際のサンプリングキャンペーンの鋭さに関してさらに注意が必要です。結果として、微小切片の準備は非常に時間と労力を要し、標本が事前に埋め込まれていない場合、時には不可能でさえあります²⁸。

インクリメントコアラーの刃先を手で研ぐには、サポートなしで手で刃先を均等に研磨するために、多くの練習と経験が必要です。インクリメントコアの研ぎにドリルマウントを使用できるため、研ぎに不慣れなユーザーでも、現場でコアラーの刃先を研ぐことができます。これが迅速に行えるようになったことで、将来的に採取されるサンプルの品質が向上します。

新しい装置の使用は、その後のコアの処理に明らかな利点を示していますが、コードレスドリルは、ほぼ40年前に開発され、提示された研ぎ用の小型デバイスと組み合わせることもできます²⁰。Maeglin²⁰ は、木と金属で作られた「グッドチャイルドの穴あけ器削り」²⁹の改造の構造の詳細を提示しました。現在、このデバイスは問題なく3Dプリンターでモデル化および印刷できます³⁰。シャープナーの詳細な3Dモデルを作成するだけで、単一の部品を印刷し、現場で使用するために組み立てることができます。改善の可能性はまだ尽きておらず、この出版物が多くの同僚にここで紹介されているツールをさらに開発するよう促すと確信しています。まだ解決されていない障害は、コアを抽出するためにドリルを取り外し、コアラーのハンドルを追加する必要があるという事実です。

インクリメントコア²² 全体の微小切片を切断する最終ステップは、依然としてトリッキーな問題である。水溶性テープの塗布は、前述のように、切断してスライドガラス上に配置するときに断面を安定化させることによってプロセスをサポートします。それにもかかわらず、この手順では、ユーザーに高度な経験が必要です。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
BS 18 LTX-3 BL QI	Metabo		Cordless drill
Core-microtome	WSL		Microtome to cut micro sections from increment cores
Drill adapter for increment corer	WSL		Adapter to fix the increment corer on the cordless drill
Increment corer	Haglöff		40cm increment corer
Power X3	Metabo		Torque amplifyer
Sharpening support board	WSL		Board to attach the cordless dril to sharpen the cutting edge ofd the corer
Water-soluble tape 5414, transparent 3/4IN	3M		Transparent tape to support cutting long sections