والجدول Gusseted Thermogradient لتنظيم درجة الحرارة التربة لتقييم نمو النبات ومراقبة العمليات التربة
Summary
Traditional thermogradient tables create a range of temperatures across the surface. Welding gussets perpendicular to the surface of a thermogradient table will control temperature in depth increasing possible research applications.
Abstract
Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a series of incubators. A temperature gradient is passively established across the surface of the table between the heated and cooled ends and is lost quickly at distances above the surface. Since temperature is only controlled on the table surface, experiments are restricted to shallow containers, such as Petri dishes, placed on the table. Welding continuous aluminum vertical strips or gussets perpendicular to the surface of a table enables temperature control in depth via convective heat flow. Soil in the channels between gussets was maintained across a gradient of temperatures allowing a greater diversity of experimentation. The gusseted design was evaluated by germinating oat, lettuce, tomato, and melon seeds. Soil temperatures were monitored using individual, battery-powered dataloggers positioned across the table. LED lights installed in the lids or along the sides of the gradient table create a controlled temperature chamber where seedlings can be grown over a range of temperatures. The gusseted design enabled accurate determination of optimum temperatures for fastest germination rate and the highest percentage germination for each species. Germination information from gradient table experiments can help predict seed germination and seedling growth under the adverse soil conditions often encountered during field crop production. Temperature effects on seed germination, seedling growth, and soil ecology can be tested under controlled conditions in a laboratory using a gusseted thermogradient table.
Introduction
الجداول Thermogradient ليست جديدة، وقد ذكرت استخدامها في الأدب على مدى عدة عقود 1-6. وقد وضعت الجداول في وقت مبكر ظاهريا لاختبار إنبات البذور مختبر في كثير من الأحيان على الصخور القائمة على ورقة على نطاق واسع من درجات الحرارة في تجربة واحدة (الشكل 1). هناك تصاميم مختلفة من الجداول thermogradient ولكن واحدة من الاكثر شيوعا تتكون من ورقة مستطيلة سميكة نسبيا من المعدن، وغالبا ما الألمنيوم المقاومة للتآكل، مع حلقة من مربع أنابيب ملحومة إلى أسفل على طرفي نقيض. أنابيب بلاستيكية تربط في- ومخرج أنابيب الطاولة لدرجة الحرارة للرقابة، وتعميم الحمامات التي تضخ السوائل المبردة وساخنة من خلال الأنابيب على طرفي نقيض تحت الطاولة. الأنابيب تجري السوائل الخليط، وعادة ما تكون المياه التجمد (جلايكول الإثيلين)، لمنع تجميد إذا كان النظام ليتم تشغيلها قرب أو تحت درجات الحرارة المنخفضة. تصميم آخر هو لحام من الشرائط من المعدن معا لجنة المساواة العرقيةأكلت خزان السائل في كل نهاية الجدول مع المداخل والمخارج لتوزيع حلول الدافئة والباردة على حد سواء. الحمامات تعميم يمكن وضعه في الطابق تحت الطاولة أو على طاولة جنبا إلى جنب منفصل. وقد تم بناء الجداول thermogradient الكهربائية مع لفائف التدفئة و / أو وحدات التبريد بلتيير ولكن التكلفة العالية والتحديات توليد درجات حرارة منخفضة متسقة، والموثوقية قضايا منع الاستخدام التجاري على نطاق واسع 8.
التصاميم السوائل تعميم سلبي خلق التدرج ذات بعد واحد عن طريق التوصيل الحراري. إذا كانت لوحة الألومنيوم ذات شكل موحد وسمك ومعزولة بشكل صحيح، وتدفق الحرارة بشكل موحد من الحارة إلى نهاية الباردة جدول إنشاء المستمر بعد واحد التدرج في درجة الحرارة، وبعد القانون الثاني للديناميكا الحرارية 7. التدرج عبر السطح هو وظيفة من طول الطاولة والاختلافات بين درجات الحرارة نهاية. الطاولة وplumbinوعادة ما يضم غرام في العلبة معزولة مع أغطية للوصول. العلبة يعزل الجدول عن محيطها، وخلق الانحدار موحدة عبر السطح مع قليل من الاختلاف في درجات الحرارة. العلبة معزولة يمكن أن يدعم الساقين أو وضعها على سطح مستو مثل جدول أو مقاعد البدلاء. وبالنسبة للتطبيقات التي تحتاج إلى التحكم في درجة الحرارة موحدة دون التدرج، قد يتم تعيين الجدول إلى إنتاج الظروف متساوي إذا طرفي تعميم السوائل في نفس درجة الحرارة.
عندما يعمل الجدول التدرج بشكل صحيح، أطباق بتري، وأكياس البلاستيك مختوم، حاويات مسطحة القاع، وما إلى ذلك، وضعت على السطح والحرارية تتوازن إلى درجات حرارة مختلفة (الشكل 1). درجة الحرارة التجريبية في كل حاوية يعتمد على الأجواء التي قد تكون موجودة بين الحاوية وسطح الطاولة وسمك وخصائص العزل من كل حاوية. تحتفظ الجدول التدرج نحو فعال عينة الشركة المصرية للاتصالاتmperatures بالقرب من السطح، ولكن فقدان السيطرة فوق السطح. عدم التحكم في درجة الحرارة العمودية يحد من أنواع التجارب ممكن على طاولة التدرج التقليدي.
تم إضافة شرائح الألمنيوم أو ألواح التقويه لالتقليدي تصميم الجدول التدرج لتحسين التحكم في درجة الحرارة فوق سطح الطاولة. كانت ملتحمة ألواح التقويه على فترات عمودي على سطح الطاولة. وألواح التقويه تسهل تدفق الحرارة بالحمل عموديا فوق سطح طاولة مسطحة. عينات وضعت بين ألواح التقويه، لها السطوح تنظيم درجة الحرارة على ثلاثة جوانب توفير التحكم في درجة الحرارة أكثر فعالية. كليج وإيستن 2 وضعت رمل الكوارتز على سطح الطاولة التدرج لخلق التحكم في درجة الحرارة في العمق. كما جربت كليج وإيستن 2 مع وضع العزل على الجزء العلوي من الجدول. ويب وآخرون. 9 وضعت أنابيب مليئة التربة على طاولة في محاولة لموحد التحكم في درجة الحرارة.
تا جديدتصميم بلي ذكرت هنا تسعة 7.6 سم (3 بوصات) ألواح التقويه عالية (شرائط الألومنيوم) أن يتم لحام إلى السطح على طول الجدول (الشكل 2). يتم تثبيت الصمام مصابيح تنبعث منها الضوئي النشطة الترددات على جانبي الطاولة لدعم نمو البادرات عند إغلاق الجدول. يتم إنشاء سياج عازل للجدول thermogradient gusseted من لوحات PVC البيضاء التي هي الماء، وتشوه، ومقاومة للقضاء. والغرض من هذه الورقة هو وصف gusseted جديد تصميم الجدول التدرج والتطبيقات الممكنة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد استخدمت الجداول Thermogradient لسنوات عديدة لإجراء التجارب في المقام الأول إنبات البذور في الحاويات الضحلة على مجموعة من درجات الحرارة في وقت واحد. ومع ذلك، فإن درجات الحرارة التجريبية تقتصر على سطح الطاولة حتى عمق التحكم في درجة الحرارة محدودة. بروتوكولات اختبار البذور التي أجريت على جداول التدرج التقليدية تنتهي مع ظهور الجذير على الصخور القائمة على ورقة في أطباق بتري أو غيرها من أوعية مسطحة وليس اختبار واقعي الشتلات ظهور ونمو كما يمكن أن يحدث بشكل طبيعي في التربة. غالبا ما يرغب شركات البذور اليوم لتقييم حيوية البذور (القدرة على الإنبات تحت أقل من الظروف المثلى) باستخدام الظروف الميدانية المحاكاة أن المزارعين من المرجح أن تواجه بعد الزرع. كما يكشف فحص التربة والبذور لالفطرية والضغوط الأمراض البكتيرية التي ليست شائعة في موحدة الاختبارات المعملية إنبات على وسائل الإعلام بدون تربة. عندما يتم وضع التربة على طاولة غير gusseted شقة، والاختلافات الكبيرة من 5 درجات مئوية أو أكثر ونحنإعادة ليس من غير المألوف بين المواقف في التربة والسطوح الجدول (نتائج غير منشورة).
وقد تم وضع جدول التدرج ذات بعد واحد مع ألواح التقويه لتحسين التحكم في درجة الحرارة العمودية بحيث يمكن استخدامها أن التربة في اختبارات الإنبات وتجارب أخرى حيث مراقبة دقيقة لدرجة حرارة التربة أمر بالغ الأهمية. وألواح التقويه تحصر التربة أو وسائل الإعلام المتزايد الاصطناعية والتحكم في درجة الحرارة في العمق. وألواح التقويه هي الألومنيوم، المواد نفس الطاولة، وعندما ملحومة عمودي على سطح أنها توفر التحكم في درجة الحرارة من الفضاء بين من نقل الحرارة بالتوصيل. وألواح التقويه يمكن أن يكون موجها بالطول أسفل الجدول أو widthwise عبر الطاولة. كلا تصاميم أداء مماثل ولكن التوجه widthwise مجمعة مريحة لأن المسافة بين ألواح التقويه قد يكون بمثابة درجة حرارة تجريبية واحدة عندما يتم ضبط التدرج بشكل صحيح. اتجاه أفقي يسمح الوحدات التجريبية (البذور في هذا المثال) إلى أن متباعدة لعبور جدول في السطر التالي إلى واحد آخر. مجمعة التباعد لا يمكن إلا أن تكون متنوعة أثناء التصنيع ليتم لحام ألواح التقويه في مكان وضع بديل لذلك لا يمكن اختبارها بمجرد الانتهاء من بناء الجدول. وقد تم اختيار تباعد مجمعة من 10.9 سم لاستيعاب الحاويات الضحلة غالبا ما تستخدم لاختبار البذور بالإضافة إلى التربة. قد توفر المسافات القريبة مجمعة تحكم أفضل في درجة الحرارة ولكن من شأنه أن يحد أنواع الحاويات التي يمكن استخدامها على الطاولة.
يجب مراقبة درجة الحرارة والرطوبة وسائل الإعلام نموا في الجدول thermogradient باستمرار لتحقيق الظروف التجريبية المطلوبة. قبل الغرس، يجب تعيين حمامات تعميم أقل من الحد الأدنى المطلوب قليلا وقليلا فوق درجات الحرارة القصوى من تعديل حتى وصلت العينات درجات الحرارة التجريبية المطلوبة. ما يقرب من ينبغي أن يسمح لل24 ساعة لعينات إلى الحراري تتوازن مع الجدول التدرج. محتوى الرطوبة من اله يجب أن تكون وسائل الإعلام المتزايد كافية (70-80٪ من السعة الحقلية) للإنبات البذور أو العمليات البيولوجية الأخرى والمضي قدما. العزل الطاولة وأغطية مزدوجة تقليل تقلبات درجة الحرارة وتبخر الماء عندما تكون في المكان.
النتائج في الجدول 1 مقارنة نمو البادرات من 4 الأنواع عند درجات حرارة مختلفة. بدأ نمو البطيخ والطماطم بذور عند 15 درجة مئوية، ونبتت بشكل جيد عند 40 درجة مئوية شرح لماذا توصف بأنها محاصيل الموسم الحار 10. في المقابل، الخس نبتت أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. نبتت بذور الشوفان على نطاق أوسع من درجات الحرارة من الأنواع الأخرى (الجدول 1). بينما نتائج مماثلة يمكن الحصول عليها باستخدام سلسلة من الغرف النمو في سلسلة من التجارب منسقة، وتصميم مجمعة يسمح كل من إنبات ونمو البادرات إلى أن تقارن على مجموعة من درجة حرارة التربة في وقت واحد. التربة الميدانية المختلفة أو المتزايدةقد تكون بديلا وسائل الاعلام لمحاكاة مجموعة من الظروف الميدانية. جرثومية أو كيميائية العلاج، والأنظمة الأسمدة، والإجهاد والجفاف، والتغيرات في البيئة الخفيفة يمكن فرضها عبر درجات الحرارة على الطاولة التدرج.
سجلت dataloggers الصغيرة في درجة الحرارة في المواقف المختلفة على الطاولة. أظهرت بيانات درجة الحرارة، درجة حرارة موحدة نسبيا في منتصف الطاولة مع تنوعا أكبر، لا سيما في نهاية الحارة. تحديد المواقع قطع الاشجار في اتصال مع سطح الطاولة ومعرضة للهواء على سطح التربة المرجح حدته النقيضين. وكانت درجات الحرارة المسجلة في موقف وسط ربما أكثر تدل على ظروف التربة السائبة. على سبيل المثال، بذرة زرعت في التربة على الطاولة التدرج بين ألواح التقويه لمحاكاة زراعة الحقل من شأنه فقط أن تتعرض لدرجة حرارة التربة السائبة وليس في الهواء أو في درجة حرارة سطح الطاولة. محتوى الرطوبة والملمس من التربة يلعب دورا في تحديد درجات الحرارة الجدول. إذا والعشرينالبريد التربة جافة، الفراغات الهوائية تقاوم التغير في درجة الحرارة ولا تجري على نحو فعال الحرارة من ألواح التقويه. التربة رطبة لديها الفراغات الهوائية قليلة والمياه أكثر سيولة لإجراء الحرارة على نحو فعال من خلال التربة. في هذه التجربة، واستمر التربة بنسبة 70 إلى 80٪ من سعتها القصوى على الاحتفاظ بالمياه ولكن المحتوى العالي من الماء قد خفضت درجة الحرارة الاختلاف التربة. الرمال لديها نظرا لقلة عدد الفراغات المسامية كبيرة من التربة بالمواد العضوية عالية، وبالتالي من المتوقع أن توفر درجات حرارة أكثر اتساقا.
كان هناك قدر أكبر من التباين في درجة حرارة التربة في نهاية الدافئة في جدول مقارنة بنهاية الباردة. أحد التفسيرات الممكنة يكمن في توزيع الرطوبة عبر الطاولة. الرطوبة يميل الى الاحتفاظ بها في النهاية الباردة، في حين أن نهاية الحارة تميل إلى أن تجف بسبب خسائر التبخر أكبر. منذ الماء يساعد سلوك الحرارة، فمن المهم أن محتوى الرطوبة في الجدول أن يكون متجانسة بقدر الإمكان. ويب وآخرون. 9 المستخدمة blottورقة إيه لإجراء الماء على طاولة thermogradient عبر عمل شعري، في حين عملت صحيفة كذلك بديلا أقل تكلفة في الجدول thermogradient gusseted. على الرغم من واصطف ألواح التقويه مع ورقة للماء لإضافة توزيع الرطوبة، والحفاظ على حد سواء بارد وينتهي الدافئة بشكل موحد الرطب يمثل تحديا.
التبخر السريع في درجات حرارة عالية يحدث على جميع التصاميم جدول التدرج. التكثيف وغالبا ما يكون مشكلة عندما يتم إجراء التجارب الحاوية على طاولة التدرج في درجات الحرارة كثيرا فوق المحيط ذلك لأن الجزء السفلي من وعاء أكثر دفئا من أعلى مما تسبب في المياه إلى جمع على الجانب الداخلي للغطاء برودة. في التجارب التربة على الطاولة gusseted، تبخر المياه من الطبقات العليا من التربة في الهواء فوق في الجدول gusseted. إذا كانت التربة رطبة جدا، خسائر التبخر في نهاية الدافئة في الجدول قد تتكثف على غطاء برودة الداخلية-الاكريليك. يستريح قطعة ضيقة من الاكريليك أو العزل البوليسترين المباشرلاي على رأس ألواح التقويه يقلل الصرف بخار مع المجال الجوي فوق طاولة الحفاظ على التربة رطبة أكثر بشكل موحد وثابت درجة الحرارة (لا تظهر البيانات). عندما تمت تغطية الجدول مع عزل البوليسترين، واختلاف درجة الحرارة فقط 1-2 درجة مئوية خلال التربة في درجات الحرارة القصوى (لا تظهر البيانات). ومع ذلك، والعزل البوليسترين يمنع شتلة من الناشئة ويجب إزالة بعد تحلل ساعة الأولى من حضانة للنمو. حل آخر لمنع جفاف سريع للتربة دافئة لإضافة تفضيلي المزيد من المياه إلى نهاية الحارة للتعويض عن خسائر التبخر. سقي ناحية إشكالية لأن الأغطية يجب إزالتها وأحجام الطلب أقل دقة. ويمكن تصميم بواعث الصغير الري على طاولة التدرج ويمكن تعديلها لتطبيق تفضيلي المزيد من المياه إلى نهاية الحارة.
الجداول Thermogradient لديها وظائف والقدرة على خدمة غرف النمو كما بديلة. عرجن يتم تعيين كل من الحمامات نفسه، equilibrates الطاولة لدرجة حرارة تجريبية واحدة للتطبيقات التي لا بد من التدرج. ويمكن أيضا أن يوم وضوء الليل ودرجة الحرارة تقلبات يتم محاكاة باستخدام حمامات تعميم برمجة والصمام تنمو الاضواء. يعيش سكان الدواخل من الأغطية مع الصمام تنمو الاضواء يمكن زيادة شدة الإضاءة. الصمام تنمو الاضواء إدخال الحد الأدنى من الحرارة في النظام، ولم تتدخل في الانحدار بسبب سجلت درجات حرارة التربة مماثلة مع أضواء على نحو متقطع (لا تظهر البيانات). إضافة أضواء تمكن نمو النبات وزيادة الرقابة البيئية.
وقد استخدمت الجداول Thermogradient في المقام الأول من قبل صناعة البذور للدراسات الإنبات في الماضي، ولكن العديد من التطبيقات الأخرى ممكنة. وقد تمت دراسة سلوك الحشرات على طاولة التدرج لتحديد أوبتيما درجة حرارة بعض السلوكيات 11. الجليد يمكن تجميدها على سطح الطاولة التدرج لظواهر التجارب في subfreezing رemperatures (لا تظهر البيانات). تبادل الغازات بين التربة والغلاف الجوي، بما في ذلك تطور ثاني أكسيد الكربون، ممكن على طاولة التدرج gusseted في محتويات متفاوتة المياه والمدخلات التربة، ودرجات الحرارة. دراسة الآثار المترتبة على نمو البكتيريا والفطريات في أنواع مختلفة من وسائل الإعلام على مجموعة من درجات الحرارة من الممكن أيضا مع هذا النظام التجريبي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Kent J. Bradford and his students at the UC Davis Seed Biotechnology Center for recording seedling emergence data.
Materials
| Thermogradient table | Appalachian Machinge Inc | Custom made, gussetted thermogradient table (schematics are included in the manuscript). The aluminum fabrication and welding were peformed by Appalachian Machinge Inc. 5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084. | |
| Insulated polymer board cabinet | TASCO LLC | The insulated polymer board cabinet containing the aluminum plate was constructed by TASCO LLC, 1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073 | |
| Blue Hawk Folding Steel Adjustable Sawhorse | Lowes Home Improvement | 162111 | Model #: 60142 Folding Steel Adjustable Sawhorses |
| Circulating Refrigerated water baths or comparable units | Brookfield Engineering | TC-550SD | |
| Seeds (200 seeds) | Johnny's Selected Seeds | Oat, lettuce, tomato, melon seeds from Johnny's Selected Seeds 955 Benton Ave, Winslow, ME 04901 or any other seed for germination testing, | |
| Professional 550 Grow Light | SolarOasis | Pro550 | |
| ID braided PVC tubing | United States Plastics Inc. | 60703 | 0.6 m pieces of 200 cm OD, 130 mm (1/2") |
| Super Tech 50/50 Antifreeze/Coolant Pre-Mix | Walmart | 1012574 | 4 liters distilled water-antifreeze (ethylene glycol) mixture |
| WatchDog Data Loggers | Spectrum Technologies Inc | Model 100 | |
| Parafilm M 4 cm wide | Fisher Scientific | S37440 | |
| Container Acrylic 5 1/4"x5"x1 3/8" plastic boxes | Hoffman Manufacturing Inc | Hoffman Manufacturing Inc. 16541 Green Bridge Road, Jefferson, OR | |
| 1" Collared-screw | Global Industrial | CS16H | Global Industrial, 11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY |
| Collared Screw Worm Gear Hose Clamp | Global Industrial | WGB513588 | 3/4" – 1-1/2" Clamping Dia. 10-Pack . |
| Everbilt Model Foam Pipe Insulation | Home Depot | ORP11812 | Internet # 204760805 Store SKU # 1000031792 1 in. x 6 ft. |
| Capillary Mat | Farmtek | 106223 | greenhouse capillary matting – 4' x 100' or alternatively sheets of newspaper |
| Sunshine Mix #3 | TerraLink | 3236320 | 3.8 cubic feet compressed bale,SKU: 3236320, Germinating media |
References
- Chatterton, N. J., Kadish, A. R. A temperature gradient germinator. Agron. J. 61 (4), 643-644 (1969).
- Clegg, M. D., Eastin, J. D. A Thermogradient generating sand table. Agron. J. 70 (5), 881-883 (1978).
- Evans, R. A., Young, J. A., Henkel, R., Klomp, G. A low temperature-gradient bar for seed germination studies. Weed Science. 18, 575-576 (1970).
- Grime, J. P., Thompson, K. An apparatus for measurement of the effect of amplitude of temperature fluctuation upon the germination of seeds. Annals of Botany. 40 (4), 795-799 (1976).
- Halldal, P., French, C. S. Algal growth in crossed gradients of light intensity and temperature. Plant Physiol. 33 (4), 249-252 (1958).
- Thompson, K., Whatley, J. C. A thermogradient apparatus for the study of the germination requirements of buried seeds in situ. New Phytologist. 96, 459-471 (1984).
- Bergman, T. L., Incropera, F. P., Lavine, A. S. . Fundamentals of Heat and Mass Transfer. , (2011).
- McLaughlin, N. B., Bowes, G. R., Thomas, A. G., Dyck, F. B., Lindsay, T. M., Wise, R. F. A new design for a seed germinator with 100 independently temperature controlled cells. Weed Research. 25, 161-173 (1985).
- Webb, D. M., Smith, C. W., Schulz-Schaeffer, J. Amaranth seedling emergence as affected by seeding depth and temperature on a thermogradient plate1. Agron. J. 79 (1), 23-26 (1987).
- Welbaum, G. E. . Vegetable Production and Practices. , (2015).
- Swoboda, L. E. . Environmental influences on subterranean termite foraging behavior and bait acceptance. , (2004).
