Geophysical investigations for early detection of root rot - Applying ERT and GPR methods to explore the possibilities of detection of Heterobasidion spp. root rot in Pinus sylvestris (Scots pine)

Abstract (Swedish)

Pinus sylvestris (tall) är en betydelsefull trädart i Sverige och Europa, både ekonomiskt och kulturellt sett. Trädet infekteras dock av den destruktiva rottickan (Heterobasidion spp.) vilket resulterar i stora ekonomiska förluster inom skogsindustrin, med en uppskattad monetär förlust på ca 800 miljoner EUR årligen i Europa. Det är svårt att upptäcka svampen i tidiga infektionsstadier eftersom infektionen främst stannar i rötterna hos P. sylvestris och inte ger tydliga visuella symptom på trädet förrän i senare infektionsstadier. Idag detekteras en svampinfektion främst genom uppgrävning av rötter och vidare laboratorietester – en tidskrävande och arbetsintensiv metod. Att utveckla en icke-destruktiv och snabbare metod är eftersträvansvärt.
Baserat på tidigare forskning tycks geoelektriska och elektromagnetiska metoder vara användbara för att upptäcka Heterobasidion spp. i P. sylvestris rötter. Markradar (Ground Penetrating Radar, GPR) har använts för att studera rotutbredning och röta i trädstammar. Resistivitetsmätningar på trädstammar har använts för att identifiera röta i till exempel Picea abies (gran). Med detta i åtanke verkar det troligt att en Heterobasidion spp.-infektion hos P. sylvestris rötter kan upptäckas med hjälp av dessa metoder.
Syftet med studien är att (1) undersöka möjligheterna att använda geofysiska metoder för att identifiera en infektion av Heterobasidion spp. hos P. sylvestris rötter, (2) se om olika stadier av en rotröteinfektion resulterar i förändringar i rötters elektriska resistivitet och (3) om GPR har potential att upptäcka rötter i marken och upptäcka rotröta.
Tretton P. sylvestris-rötter med olika diameter grävdes upp från en plantering med bekräftad närvaro av Heterobasidion spp. Rötterna testades för infektion både genom sökning efter konidiesporer samt genom DNA-extraktion, polymeraskedjereaktion (Polymerase Chain Reaction, PCR) och efterföljande elektrofores. De två geofysiska metoderna GPR och elektrisk resistivitetstomografi (Electrical Resistivity Tomography, ERT) användes för att undersöka de uppgrävda rötterna i laboratoriemiljö, med sand (utan objekt), samt metall- och plastföremål som kontroll. För ERT-mätningar användes ett cylindriskt plastkärl fyllt med fuktad sand utrustat med 32 elektroder, där resistiviteten mättes med en ABEM Terrameter LS 2. Erhållen ERT-data bearbetades med pyGIMLi och visualiserades i programmet ParaView. För GPR-mätningarna användes ett GSSI SIR-4000-instrument och en 900 MHz-antenn monterad på en mekanisk skanner på en rektangulär låda fylld med fuktad sand. All GPR-data bearbetades med GPR-SLICE.
Inga Heterobasidion spp.-konidiesporer hittades vid inspektion av rotmaterialet och inget Heterobasidion spp.-DNA hittades heller. Generellt visade inversionen av ERT-mätningarna en ökning i resistivitet för rötter med större diameter, samt för både metall- och plastföremålen, jämfört med mätningar endast på sand. Även om resultaten av GPR-mätningarna var relativt brusiga, kunde båda metallföremålen och plastföremålet tydligt ses. Inga klara resultat erhölls dock för rotproven från GPR-data.
På grund av bristen på infekterade rötter var det inte möjligt att uppfylla målen relaterade till att jämföra mätningar från rötter i olika stadier av röta. Men med information från litteraturstudien bedöms metoderna vara lovande för att uppfylla målen. Vidare forskning med ett större antal rotprover rekommenderas för att öka chanserna att hitta infekterat material. Huruvida GPR som metod har potential att upptäcka rötter i marken eller inte är tvetydigt. Med den experimentuppsättning som användes här kunde inga tydliga reflektioner av rötterna ses, men i en tidigare studie där GPR användes med en antenn med samma centralfrekvens användes kunde rötter mindre än de som samlades in för detta arbete identifieras på ungefär samma djup.

Abstract

Pinus sylvestris (Scots pine) is an important tree species in Sweden and Europe, both economically and culturally. However, the highly destructive root rot fungi Heterobasidion spp. infect P. sylvestris and cause major economic losses in the forest industry, estimated to about 800 million EUR annually in Europe alone. Detection of the fungus in early stages is hard, as the infection mainly stays in the roots and does not give clear visual symptoms on the tree until later infection stages. Today, the most reliable detection method is time consuming and labour intensive: excavation of roots and further laboratory testing. A method that can give faster results without necessitating excavation is desirable.
Based on previous research, the geophysical geoelectrical and electromagnetic methods may be useful methods to detect Heterobasidion spp. in P. sylvestris roots. Ground Penetrating Radar (GPR) has been used to study root distribution and internal decay in tree stems. Resistivity measurements of tree trunks have been used to find decay in for example Picea abies (Norway spruce). Considering this, it seems plausible that a Heterobasidion spp. infection in P. sylvestris roots can be similarly detected.
The aims of the study are to (1) examine the possibilities in using geophysical methods to identify root rot in roots of P. sylvestris, (2) see if different stages of root decay will result in changes of electrical resistivity and (3) if GPR has potential for detecting roots in soil and detect root rot.
Thirteen P. sylvestris roots of varying diameter were dug up from a location known to be affected by Heterobasidion spp. The roots were tested for infection of Heterobasidion spp. using both visual conidiophore search and DNA extraction, Polymerase Chain Reaction (PCR) and following electrophoresis. The two methods GPR and Electrical Resistivity Tomography (ERT) were used to examine these excavated roots in a laboratory setting, using only sand, as well as metal and plastic objects as control. For ERT measurements, a cylindrical vessel equipped with 32 electrodes and filled with wetted sand was used, and the resistivity was measured with an ABEM Terrameter LS 2 instrument. The ERT data was processed using pyGIMLi and visualised using ParaView. For GPR measurements a GSSI SIR-4000 controller and a 900 MHz antenna mounted to a mechanical scanner was used on a rectangular box filled with wetted sand. The GPR data was processed and visualised using GPR-SLICE.
Contrary to expectation, none of the root samples showed Heterobasidion spp. conidiophores upon inspection nor was any Heterobasidion spp.-DNA found. In general, the ERT inversion results showed an increase in resistivity for roots of bigger diameter, and for both the metal and plastic objects, compared to measurements on only sand. Even though the GPR results were relatively noisy, both metal objects could be clearly seen. However, no clear results were acquired for the root samples from the GPR data.
Due to the lack of infected root samples, the aims related to comparing results from roots in various stages of decay were not possible to fulfil. However, using information from the literature study, the methods are deemed to be promising in fulfilling the aims. Further research with a larger amount of root samples is recommended in order to increase the chances of finding infected material. The answer to the question of whether GPR has potential for detecting roots in soil or not is ambivalent. With the experimental setup used here, no clear reflections of roots could be seen, but in a previous study of GPR with an antenna with the same centre frequency, roots smaller than the ones gathered for this thesis could be identified at approximately the same depth.

Popular Abstract (Swedish)

Identifiering av rotröta i tallrötter med hjälp av oförstörande metoder

Svampgruppen Heterobasidion spp. (spp. = flera arter) infekterar träd och orsakar världsomspännande ekonomiska förluster. Precis som människor kan bli sjuka av patogener som angriper våra kroppar, kan även träd bli sjuka av svampinfektioner. Faktum är att Heterobasidion spp. har uppskattats orsaka ekonomiska förluster på runt 800 miljoner EUR i Europa varje år. Relaterat till detta problem är trädarten tall. I svenskt skogsbruk är tallen en mycket betydelsefull trädart: det är det näst mest avverkade trädet och antalet planterade tallplantor ökar för varje år. En infektion av Heterobasidion spp. i en tall minskar tillväxthastigheten och ökar dödligheten hos trädet. Det är därför angeläget för oss att kunna identifiera infekterade träd, så att åtgärder för att minska ekonomiska försluter och för att förhindra vidare spridning av infektionen kan vidtas.
Idag är identifiering av Heterobasidion spp.-infektion i tall främst gjort genom att gräva upp rötter och utföra laboratorietester på dem, eftersom infektionen främst stannar i tallens rötter och sällan ger synliga symptom på trädet ovan för marken. Denna metod är dock dyr och arbetsintensiv. En billigare och enklare metod behövs, till exempel genom användning av elektricitet och elektromagnetiska vågor för undersökningar av markens underjordiska beskaffenhet.
I detta examensarbete användes de två oförstörande metoderna elektrisk resistivitetstomografi (Electrical Resistivity Tomography, ERT) och markradar (Ground Penetrating Radar, GPR) för att undersöka nedgrävda tallrötter, och se om det finns skillnader i fysiska egenskaper mellan friska och infekterade rötter som kan detekteras. ERT-mätningar resulterade i volymer av elektrisk resistivitet, ett mått på hur svårt det är för elektrisk ström att färdas genom ett visst material, medan GPR resulterade i volymer som visar styrkan hos elektromagnetiska vågreflektioner mot olika material.
Genom DNA-tester på de uppgrävda rötterna, visade det sig tyvärr att ingen av de undersökta rotproverna var infekterade av Heterobasidion spp. Därför kunde ingen jämförelse göras mellan friska och infekterade rötter. Dock visar resultaten från ERT-mätningarna stor potential för att identifiera rötter. Vidare har tidigare forskning visat att både ERT och GPR bör vara användbara för att upptäcka infekterade rötter, och båda metoderna bör undersökas vidare i detta avseende.
Sammanfattningsvis så kan det här arbetet eventuellt möjliggöra framtida utveckling av oförstörande metoder för att identifiera rotröta i tallrötter. I framtiden kommer utvecklandet av en enkel metod för att upptäcka Heterobasidion spp.-infektion i tall bli ännu viktigare och mer brådskande, eftersom klimatförändringarna förväntas öka spridningshastigheten av Heterobasidion spp. på grund av stigande temperaturer och förändrade väderförhållanden, och därmed öka dess negativa ekonomiska påverkan ännu mer.

Popular Abstract

Detecting fungal decay in roots of Scots pine using non-destructive methods

The fungal species group Heterobasidion spp. (spp. = several species) infect trees and causes enormous economic losses all over the world. Just like humans can get sick from pathogens entering our bodies, trees can get sick from fungi infections. In fact, Heterobasidion spp. are estimated to cause economic losses of 800 million EUR each year in Europe alone. Related to this problem is the tree species Scots pine. In Swedish forestry, Scots pine is a species of large importance: it is the second most logged tree, and the amount planted is increasing each year. An infection of Heterobasidion spp. in a Scots pine tree will reduce the growth rate and increase mortality of the tree. It is therefore in our best interest to be able to identify infected trees, so that cost-saving measures and efforts to contain the spread of the infection can be made.
Today, identification of Heterobasidion spp. infection in Scots pine is mainly done by digging up roots and performing further laboratory tests, as the infection mainly stays in the roots and seldom gives visual symptoms above ground. This is however costly and labour intensive. A cheaper and easier method is needed, for example by using electricity and electromagnetic waves to investigate the subsurface.
This thesis work used two non-destructive methods, Electrical Resistivity Tomography (ERT) and Ground Penetrating Radar (GPR), to examine the physical differences between healthy and infected buried roots of Scots pine. ERT measurements resulted in volumes of electrical resistivity, a measure of how hard it is for electrical current to travel through a certain material, while GPR resulted in volumes showing the strength of electromagnetic wave reflections against different materials.
It was shown through DNA-testing that none of the investigated root samples were infected by Heterobasidion spp, unfortunately. Therefore, no comparison could be made between healthy and infected roots; however, the results from measurements of ERT show promise in identifying roots. Further, previous research has shown that both ERT and GPR should be useful in detecting infected roots, and both methods merit further evaluation in this regard.
All in all, this thesis work can aid in future possibilities of non-destructive testing methods being developed to identify root rot in pine roots. In the future, discovering an easy method of detecting Heterobasidion spp. infection in Scots pine may become even more important and urgent, as climate change is predicted to increase the speed at which Heterobasidion spp. spreads due to increasing temperatures and changing weather patterns, and thus increasing its economic impact even more.

• author: Nyberg, Anna
• supervisor: Tina Martin; Peter Jonsson; Iryna Matsiakh
• organization: Civil Engineering (M.Sc.Eng.); Engineering Geology
• alternative title: Geofysiska metoder för identifiering av rotröta - Användning av ERT och GPR för att undersöka möjligheten att identifiera rotticka (Heterobasidion spp.) i Pinus sylvestris (tall)
• course: VTGM05 20241
• year: 2024
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: geophysical methods, ERT, GPR, non-invasive method, Pinus sylvestris, Heterobasidion, root rot
• publication/series: ISRN
• other publication id: LUTVDG(TVTG-5184)/1-55/(2024)
• language: English
• additional info: Examiner: Matteo Rossi
• id: 9163592
• date added to LUP: 2024-06-25 13:29:16
• date last changed: 2024-06-25 13:29:16