用于对增量岩芯进行采样和数字化的新工作流程

Summary

我们提出了一种协议，使用 3D 打印支架在现场固定增量芯，而无需拆包并将它们粘合在木制支架上。新的 GSC 支架允许将核心放置在核心切片机中，以切割其表面并直接将其转移到数字图像捕获中。

Abstract

在这里，我们提出了一种新的工作流程，从在野外采集增量岩芯，将它们储存并运输到实验室，再到数字化它们的树木年轮以进行进一步的分析，以便进行后续的树木生态学分析。该过程涉及对增量核心使用新的样品载体。这些新的 Gärtner Schneider Core （GSC） 支架是使用 3D 建模软件设计的，最后使用 3D 打印机打印。在现场从一开始就使用这些支架，可以直接用核心切片机切割核心，然后可以使用新的高分辨率图像捕获系统对其表面进行数字化，而无需进一步重新排列。因此，它们可用于直接分析。该系统允许对岩心和磁盘的树木年轮进行数字化，还可以使用透射光从长微观切片（长达 40 厘米）中拍摄图像。此功能对于树状生态学和地貌应用特别感兴趣，以识别使用切片机核心切片机切割的微切片中任何干扰的开始。

Introduction

1881 年，奥地利森林科学家 Arthur Freiherr von Seckendorff-Gudent 首次提出了通过应用交叉测年技术对树木年轮进行测年的原则¹。在 20^世纪 上半叶，“树木年代学之父”安德鲁·埃利科特·道格拉斯 （Andrew Ellicott Douglass） 重新发明了这项技术，并将其深入应用于考古遗址和活树的年代测定²。

如今，树木生态学作为树木年代学的一种环境框架的研究课题，被定义为研究由生态和环境随时间变化引起的树木年轮及其固有的生长变化³。在树木生态学研究中，除年轮宽度变化外的许多其他特征，例如稳定同位素、晚期木材密度或单个年轮内的细胞特征，用于将这些数据与环境参数相关联，以更好地了解环境条件对树木生长随时间推移的影响⁴。通过不断将木材解剖学研究与树木生态学研究相结合，树木生态学研究在过去十年中不断发展，并且比以往任何时候都更能成为重建过去气候条件的支柱 5,6,7,8。

尽管在过去十年中，样品制备和分析的技术发展，尤其是木材解剖学方面的技术发展强劲 9,10,11,12,13,14，但在简化采样技术方面几乎没有真正的进展¹⁵。尽管有声波技术¹⁶，但直到今天还没有可靠的“无损”方法可以提取树木年轮的特征。

因此，所有与树木年轮相关的研究仍然依赖于从感兴趣地点采集的树木或灌木的木制样本。当关注树时，标准过程是从^{Stems 15} 中获取增量核心。

使用增量取芯通常表示为一种“非破坏性”技术¹⁷。与从茎中取出磁盘相比，这是正确的;然而，这种采样技术会在茎上形成一个直径约 1 厘米的孔，大部分延伸到茎的髓³ 之外。树木能够自行闭合这个伤口，但这个过程会引起生长反应，改变伤口附近的常见结构，并且由于真菌病害，孔周围现有木材或多或少地严重变色^18,19。因此，最好将其称为“微创”而不是“非破坏性”。

最近通过使用机械钻头的能力，采用增量岩芯的技术不断发展，从而产生更高质量的样本，尤其是用于木材解剖学分析¹⁵。与人工取芯相比，该程序还节省了大量现场时间。保持不变的是处理岩芯的程序，从从树中提取到标记、储存运输，并在实验室中为各种可能的分析技术做准备。

芯材仍需包装在稳定的容器中，例如塑料或纸制的吸管，以防止它们在运输过程中破损。使用软铅笔直接在芯上标记芯，或者（更频繁地）在每根吸管的外侧进行标记。使用塑料容器时，必须在短时间内取出芯，以避免真菌传播。因此，需要再次将 Core 从容器中取出。为了稳定型芯并防止它们在开始干燥时弯曲，需要将型芯固定在支架上。这也有助于后续的表面处理，以便进一步分析。执行此操作时，还需要将标签转移到相应的安装座上。标准程序是将芯子粘在木制支架上或用胶带将它们固定在瓦楞纸板的凹槽中。将它们粘合在木制支架上是最常用的技术。虽然这个程序非常适合稳定和打磨或切割芯，但它在潜在的化学、同位素甚至木材解剖分析方面有几个缺点。尽管需要时间，但另一个缺点是每个内核的标签容易错误地转移到新的安装座上。

在树木年代学中，作为准确测年的基础的年轮宽度测量是所有树木生态学研究的支柱²⁰。尽管许多实验室仍然依赖于使用测量表进行手动测量，例如带有双筒望远镜的 Lintab²¹，但有一种趋势是使用平板扫描仪对核心表面进行数字化，并使用 CooRecorder²² 或 WinDENDRO²³ 等软件测量环宽。不幸的是，这些扫描仪，例如广泛使用的 Epson Expression 10000XL 没有足够的分辨率来清楚地将结构描绘为早木或晚木管胞（图 1）。因此，生成的图像不适合识别困难的结构，例如非常窄的环或密度波动，这对于准确的交叉测年程序至关重要，而无需使用双筒望远镜返回原始岩芯^24,25。

由于高图像分辨率是树木年轮科学¹⁰ 中充分图像分析不可或缺的先决条件，因此 WSL （Skippy;https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/） 开发了一种新的图像捕获系统，使用数码相机对岩心表面的树木年轮进行数字化处理，从而获得比所有现有平板扫描仪更高的分辨率的图像。该系统基于²⁰⁰⁷ 年开发的 ATRICS 系统 26 的理念。最近，一种与 Skippy 相当的简单但高效的图像捕获系统作为自组装套件²⁷ 推出。

数字化树木年轮，即反射光图像捕获，是创建增量核心或磁盘的高分辨率图像的重要步骤，以支持省时、基于数字的年轮宽度测量。WSL 开发的系统还允许使用透射光从长微切片（长达 40 厘米）拍摄图像。例如，这种附加功能对于树状地貌应用来说很有意义，以识别微切片中反应木材的开始。

在这项研究中，我们提出了一种协议，以简化在现场和实验室处理岩芯的过程。提出的新技术的基础是可重复使用的支架;新型 GSC 支架 GärtnerSchneiderC矿石 （GSC） 支架使用 3D 建模软件设计并使用 3D 打印机打印。GSC 支架允许直接处理在现场采集的岩芯，而无需重新包装或重新贴标签。我们还提出了一种高效的新系统，用于对型芯的准备好的表面进行数字化。该协议涵盖了从现场取芯到样品制备、数字化芯表面以进行后续分析并最终将其存储在档案中的整个过程。

Protocol

1. 创建 GSC 支架

1. 在与 3D 打印机兼容的切片器程序中打开支架的 3D 模型。创建可由 3D 打印机读取的打印文件（在本例中为“*.gcode”文件）。
   注意：可以使用任何 3D 建模软件设计 3D 模型。
2. 使用存储卡或 U 盘将打印文件传输到 3D 打印机，然后在 3D 打印机上激活打印文件。
3. 打印支架后，请等待支架冷却至室温 （RT）。然后，从打印机上取下支架粘住的印版，并将印版稍微弯曲，直到模板与表面分离。
4. 从支架上取下所有多余的螺纹或附件。
   注意：一次打印的支架数量取决于打印机的尺寸。在印版尺寸为 36 厘米 x 36 厘米的 3D 打印机上，一次可以打印大约 30 个长度为 35 厘米的支架。打印 30 个支架所需的时间取决于设备。平均而言，这应该在大约 8 小时内完成（隔夜打印）。

2. 在现场提取、稳定和运输增量岩芯

1. 取一个装有扭矩助推器和增量取芯器的无绳电钻，选择取芯的位置，并将取芯器垂直于茎的生长轴。
   注意： 同样的操作可以使用增量取芯器手动完成，无需充电式电钻。
2. 开始去核，直到去核器至少达到茎直径的一半。如上所述，通过将提取器（与取芯器的长度相同）与取芯器一起检查深度。
3. 如果使用充电式钻头，取下钻头，将手柄放在取芯器上（手动使用增量取芯器时已经出现这种情况），取出提取器，开口面朝上，然后将其完全插入取芯器。
4. 向后转动增量去芯器（一整圈）以将核心从阀杆上折断。取出提取器，包括型芯。
5. 从提取器中取出型芯。检查纤芯的光纤方向，以确保在将纤芯放入支架时光纤的方向是直立的。
   注意：可以在纤芯的两端以及纤芯的侧面检查光纤方向。为此，请将磁芯对着光线并转动它，直到看到侧面发光。发生这种情况是因为，在这一侧，径向单元壁是纵向切割的，并且反射光线的方式与核心的其余部分不同。
6. 将纤芯放在支架顶部，纤维方向朝直。用所有手指按压岩芯顶部，直到岩芯滑入支架。
7. 使用软铅笔在支架侧面标记芯，即使在玻璃上也能书写。
   注意：稍后可以用普通橡胶去除书写物。
8. 将带有芯的支架放入运输箱中，然后合上盖子。

3. 在实验室中准备已安装的磁芯

1. 可选：将封固的芯包埋在石蜡中，以进行可能的微切片。
   1. 将一个带盖的钢盒放在热板上，用石蜡填充至约 2 厘米，然后等待其完全熔化。
   2. 从运输箱中取出已安装的芯。将支架与核心放在液体石蜡中一样，然后盖上盖子。
   3. 启动真空泵，对容器施加恒定的轻度真空，然后等待约 2 小时。由于支架的开放式结构，石蜡可以穿透型芯，而不会产生额外的屏障。
   4. 停止真空泵并打开盖子。取出带有芯的支架，将它们放在网格上，让它们冷却。
   5. 如果需要，从支架侧面去除多余的石蜡。
2. 准备型芯表面
   1. 将已安装的岩芯从运输箱或石蜡浴中取出。将支架与核心放在核心切片机的样品架中一样。确保将芯的方向调整为环的晚材朝向刀片。
   2. 拧紧样品架的螺钉，直到岩芯架完全固定。
   3. 提起样品架，直到样品芯稍微接触刀片。将刀片拉过核心的整个范围以切断顶部的第一部分。
   4. 将刀推回核心后面，将样品架抬起几微米，然后重复该过程，直到获得至少 2-3 毫米宽的平面。
   5. 按预期切割表面后，立即从切片机的样品架上取下核心支架。
      注意：建议使用核心切片机切割核心，不要打磨它们，因为表面更干净、更直，并且细胞不会充满灰尘。

4. 数字化核心表面

1. 将具有普通核心表面的岩芯支架放在图像捕获系统的桌子上，因为这里介绍了 WSL-Skippy 系统。
2. 确保磁芯支架与工作台或相机的移动方向对齐。
3. 将带有核心支架的工作台放置在相机下方，以将最外层的环置于相机物镜下方的视图中心。
4. 在核心起点旁边放置一个刻度，并拍摄图像以进行校准。
   注意：在连续执行多个内核的映像时，只需执行一次此操作。
5. 在软件中定义内核的长度并开始图像捕获过程。拍摄最后一张图像时，表格将移回起始位置。
6. 从桌子上取出样品，将下一个支架放在相机下方，然后通过定义核心的长度来重复前面描述的过程，直到拍摄到所有核心。
7. 使用（无失真的）拼接软件（例如 PTGui）将单个图像组合成核心表面的一个最终图像。

5. 存储核心

1. 将分析好的岩芯放入支架中，将它们放在用 3D 打印机打印的便携式存储架中。
2. 为机架贴上标签，以便从外部识别核心。
3. 将机架存放在架子或任何其他可用的存档上。

Discussion

将木材解剖学纳入树木生态学研究广泛开放了这些研究，以便对过去的环境条件进行新的和深入的分析28,29,30。这些新技术还加强了分析工作，即生成感兴趣数据所需的实验室时间。已经有许多尝试来优化实验室工作并减少有关木材解剖技术^{9、12、13、15、30} 的实验室所需时间。但几乎没有采取任何措施来简化处理、准备和储存这些研究所需的岩芯的常见程序。

3D 打印在这方面提供了新的可能性⁹.新的 3D 打印岩芯支架是简化整个过程的首次尝试，使其更省时，因此效率更高。

虽然需要取出储存在塑料吸管 ^31,32 或类似容器中的岩芯，以防止真菌在岩芯的外部（很快也会是内部）生长，但固定在 GSC 支架中的岩芯可以保持原样。在这一点上，它相当于将它们存放在纸吸管^{中 33}。

一旦 （i） 从稻草（或其他容器）中取出芯线，（ii） 将它们粘在木制支架上或将它们固定在其他物体上作为电缆支架，以及 （iii） 传输每个芯线使用的相应代码的过程可能容易出错，因为几十年来它几乎是一个标准³⁴， 变得不必要。

GSC 支架的开放式结构允许储存岩芯，而不会像储存在塑料容器中那样有真菌侵扰的风险。如上所述，支架还允许包埋在石蜡中以稳定结构。然而，这种“简单”的包埋不能与使用包埋盒将样品包埋在石蜡块中的常见包埋程序相提并论，就像对微核心³⁵ 所做的那样。这种简单的技术与在切割微切片³⁶ 时施用玉米淀粉相当。它会更好地稳定细胞并防止它们在切割过程中破裂，但比简单地添加玉米淀粉更耗时。这种形式的 embedding 不会像嵌入到 block 中那样稳定整个 core。如果核心断裂，各部分也会断裂。由于 GSC 支架安装在核心切片机³⁷ 中，因此只需几分钟即可为后续的数字化过程准备表面。

对于树木年轮的数字化过程，经常用于蓝色强度测量^38,39 的平板扫描仪的应用对于年轮结构的更详细视图并不令人满意，因为生成的图像质量相当低。尽管在这些图像中可以看到针叶树的常见（宽）环的边界，但几乎不可能识别窄环，甚至密度波动。

尽管有一些令人着迷的新尝试可以以高分辨率数字化树木年轮，例如 X 射线 CT⁴⁰，但使用高分辨率的数码相机仍然是生成高质量图像以供进一步测量的最有效和最具成本效益的方法。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Core-microtome	WSL	https://www.wsl.ch/en/services-produkte/microtomes/	Microtome to cut micro sections from increment cores
Epson Expression 10000XL	EPSON	https://epson.com/Support/Scanners/Expression-Series/Epson-Expression-10000XL---Graphic-Arts/s/SPT_E10000XL-GA	flatbed scanner
GSC holder	WSL	in-house	3D printed mount to fix cores for transport, preparation, analyses, and storage
Skippy image capturing system	WSL	https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/)	Image capturing system developed at WSL equiped with a 61 MP camera (Sony Alpha 7R IV and Sony FE 90mm f/2.8 Macro lens)