Сибирская дендрохронологическая лаборатория
Обработка материалов
В настоящее время, при измерении собранных коллекций в России наиболее часто используется два способа:
- первый, основан на использовании классической связки - измерительный стол (например, LINTAB VI) и стереомикроскоп (более детально с методикой можно ознакомится в методическом пособии - Шиятов и др., 2000);
- второй (новый), на применении профессионального сканера (мы используем Epson V850 Pro) или микроскоп с автоматизированным предметным столом для исследования в отраженном свете (мы используем Axio Zoom.V16).
В Сибирской дендрохронологической лаборатории при построении древесно-кольцевых хронологий используется новый подход, основанный на применении методов цифровой микроанатомии для комплексного анализа годичных колец, включающий в себя измерение: ширины годичного кольца, ширины ранней и поздней древесины, оптическая плотность плотность поздней древесины и др. параметры.
Всю работу мы выполняем в несколько этапов.
I этап. Верификация и экстракция
Наша работа начинается с процесса сверки фактического количества/нумерации древесных спилов и кернов с учетными ведомостями (составленными во время полевых работ) по каждому участку отбора образцов. Древесные керны извлекаются из бумажных контейнеров (рис. 1) и осматриваются, а затем производится выбраковка образцов содержащих креневую и реактивную древесину (например, образовавшуюся в процессе зарастания пожарной подсушины) и тп.
Маркировка с контейнеров переносится на поверхность кернов с помощью карандаша с грифелем мягкой твердости (рис. 2).
Керны, превышающие в длину 20 см, разделяются косым резом на сегменты для удобства последующей обработки (ограничивается высотой камеры экстракции в приборе Сокслета и возможностями шлифовального станка). Древесные спилы высушиваются и при необходимости (наличие трещин, расколов, гнилей) проклеиваются. Затем поверхность полируется с помощью ленточной или орбитальной шлифовальной машинки (круги Р80-Р600, рис. 3).
После визуального осмотра зачищенной поверхности выбирается наилучший радиус (с типичными годичными кольцами) из которого ленточной пилой выпиливается сегмент (сечением 100 мм2). Подготовленные керны и сегменты с древесных спилов собираются в небольшие марлевые мешочки – «кассеты». Для экстракции в приборе Сокслета диаметр марлевой кассеты составляет не более 50 мм и ограничивается диаметром камеры. Получившиеся кассеты партиями по 10-20 штук погружаются в емкость с ацетоном, где выдерживаются в течение 500 часов (рис. 4). Эта процедура обеспечивает первичное удаление и размягчение смол. При использовании ультразвуковой ванны (УЗК) данная процедура не обязательна.
Кассеты с образцами подвергаются активному удалению смол, камедей, дубильных, красящих и пр. веществ из древесины. Для выполнения этой процедуры можно использовать прибор Сокслета (рис. 5). Длительность процесса при интенсивном кипении спирта (скорость возгонки около 1 литр/час) составляет не менее 40 часов и продолжается до полного прекращения окрашивания спирта в экстракционной камере. Другим способом является использование ультразвуковой ванны (рис. 6). В нашей лаборатории используется УЗК-28 (40 кГц), произСпецмашСоник. Кассеты с образцами помещают в стеклянную емкость заполненную ацетоном выступающим в качестве моющего раствора. Процесс ультразвуковой кавитации способствует активному выделению посторонних веществ из древесины в моющий раствор. По мере насыщения ацетона (глубокий янтарный/коричневый оттенок) производится его замена на чистый. Процедура повторяется до прекращения окрашивания раствора и в среднем занимает от 200 до 400 мин. работы УЗК (с перерывами на охлаждение УЗК).
После завершения процесса экстракции кассеты с образцами помещаются в 5-ти литровый автоклав, где вывариваются 10 часов в дистиллированной воде при температуре 120 С, при этом смена воды производится каждый час. Данная процедура позволяет провести очистку древесины от веществ растворимых в горячей воде.
II этап. Фиксация образцов и подготовка поверхности
Вываренные кассеты распаковываются, образцы подсушиваются, обновляется нумерация на образцах, восстанавливается нумерация сегментов в случае обнаружения новых разломов, возникших в процессе экстракции. С помощью клеевых пистолетов образцы/сегменты приклеиваются на деревянные/фанерные подложки (рис. 7). Тщательное внимание уделяется положению трахеид годичных колец, которые обязательно располагают строго перпендикулярно относительно плоскости подложки.
Верхняя (торцевая) поверхность образцов/сегментов снимается на шлифовальном станке (Рис. 8). При этом крупнозернистой шлифовальной лентой P80-240 убирается около четверти от высоты керна. Затем поверхность в несколько этапов полируется мелкозернистыми шлифовальными лентами P400-1500 для достижения наилучшей видимости клеточной структуры древесины. Критически важно при полировке получить максимально ровную торцевую поверхность. Все образцы/сегменты проходят контроль качества на микроскопе STEMI 2000-C (CARL ZEISS) и по необходимости подвергаются повторной шлифовке.
Отдельным пунктом стоит описать камеральную обработку древесных углей. В нашей практике основным источником древесных углей выступают крупные шлаки с фрагментами с вплавленными древесных углей. Угли извлекались из тела шлаков с помощью зубил, в некоторых случаях применялась углошлифовальная машина с алмазным диском.
Извлеченные хрупкие угли тщательно очищались от вкраплений шлака и песка (в трещинах и углублениях), по необходимости укреплялись путем нанесения термоклея. Клей наносился по периферии образцов таким образом, чтоб удерживать растрескавшиеся части углей вместе, но при этом не препятствовать процессу шлифовки торцевой поверхности. Поверхность углей шлифовалась на тарельчато-ленточном шлифовальном станке (лента P600, 1000, круг Р1000). Угольная пыль, которая заполняет трахеиды в процессе шлифовки препятствует визуализации клеточной структуры годичных колец, для ее удаления использовался промышленный пылесос с щелевой насадкой. При удалении пыли очень важно предварительно высушить угли (до уровня не более 7%-ной влажности), поскольку при избыточной влажности образцов, пыль заполняющая трахеиды - слипается, что препятствует ее удалению.
III этап. Оцифровка структуры годичных колец
Перед началом работы производится сортировка образцов на две группы: с широкими годичными кольцами и узкими годичными кольцами (или с наличием периодов сильных депрессий в приросте). Образцы с широкими годичными кольцами сканируются на сканере Epson Perfection V850 Pro (предварительно откалиброванном при помощи отражающей мишени MONR2014:08-02) с разрешением 4800 DPI. Образцы с узкими годичными кольцами фотографируются в отраженном свете при 20-ти кратном увеличении с помощью микроскопа AXIO zoom.V16 (CARL ZEISS), оснащенном моторизированным предметным столиком (Рис. 9). Полученные фотографии годичных колец образцов сшиваются в специальном программном пакете ZEN (CARL ZEISS) и дополняются сопроводительной информацией об увеличении, масштабе и т.п., далее изображения оптимизируются для дальнейшей работы. Несмотря на получение изображения разными способами, проведенные эксперименты для одних и тех же образцов по измерению таких параметров как: ширина, ширина ранней, ширина поздней древесины, оптическая плотность поздней древесины, дельта оптической плотности, на нашем оборудовании, не выявило разницы, выходящей за пределы инструментальной ошибки.
V этап. Измерение параметров ширины годичных колец
На пятом этапе цифровые изображения клеточной структуры образцов (полученные на сканере и микроскопе) загружаются в программу CooRecorder (CR) (Larsson, 2013), где оператором в ручном режиме выполняется измерение 4 параметров годичного кольца: ширина годичного кольца (w), ширина ранней древесины (e), ширина поздней древесины (l), плотность поздней древесины (bl) (Рис. 10). Графическое представление полученных данных (измерений индивидуальных серий w, e, l и bl) выполняется в программе CDendro (Larsson, 2013) (Рис. 11).
Календарное датирование всех измеренных индивидуальных серий w, e и l выполняется посредством сочетания графической перекрестной датировки (Douglass, 1919) и кросс-корреляционного анализа в пакете специализированных программ для дендрохронологических исследований. При проведении перекрестной датировки экстремальные величины прироста (самые узкие и самые широкие кольца), а также кольца, содержащие патологические структуры (как морозобойные, светлые и ложные кольца и др.) использовались в качестве реперов, что позволяло верифицировать правильность датировки. Наиболее значимыми являются узкие кольца, которые формируются в неблагоприятные по климатическим условиям годы у большей части деревьев, произрастающих в одно время в однородном по климатическим условиям районе. В ходе процедуры происходит выявление выпавших колец и ошибок измерений. На основании этого выполняется возврат и коррекция на цифровых изображениях (проверяется факт наличия или отсутствия годичного кольца, вносятся поправки в измерения).
Возрастной тренд измеренных серий убирается путем стандартизации в программе ARSTAN (Cook, Krusic, 2008). Выбор способа стандартизации хронологий определяется целями исследования. Оценка качества построенных хронологий выполняется на основе применения традиционных показателей: коэффициентов корреляции и чувствительности, стандартного отклонения и др. (Wigley at al., 1984). Как правило, при выполнении процедуры стандартизации (построение обобщенной древесно-кольцевой хронологии) в лесостепной зоне мы используем скользящий сплайн в ⅔ от длины каждой серии.
Проблема подкорового кольца. При датировке археологической, исторической древесины, т.е. определении года рубки, огромное значение имеет выявление последнего наружного годичного кольца. В случае если на наружной части спила сохранились остатки коры и отсутствуют следы повреждений личинками короедов, то год и сезон заготовки древесины определяется без особых сложностей. Другая ситуация возникает в случае когда коры нет, но для внешнего края образца характерна гладкая боковая поверхность по всему периметру. В такой ситуации мы проводим зачистку поперечной поверхности образца. В случае, если край окружности приходится на заболонь и последнее периферийное кольцо просматривается повсеместно, а также отсутствуют следы механических повреждений (деградации древесины), то можно предположить, что внешний слой является подкоровым кольцом.
Наличие последнего подкорового кольца позволяет помимо года установить еще и сезон рубки дерева. Если край годичного кольца сформирован из клеток ранней древесины, то это означает, что дерево было срублено весной или в первую половину лета (Рис. 12а). Присутствие клеток поздней древесины, указывает, что дерево было срублено осенне-зимний период (Рис. 12b). В случае, если на внешней поверхности образца (или под корой) присутствуют следы личинок короедов, то это с одной стороны является верным признаком наличия подкорового кольца. Однако обычно они развиваются под корой у срубленных, сухостойных (в первое лето после рубки) или ослабленных деревьев. В этом случае зачастую невозможно точно сказать, в какой момент времени данная древесина использовалась при постройке, т.е. сколько она пролежала срубленной или простояла в виде сухостоя.
