Een Gusseted Thermogradient Tabel naar grondtemperaturen controle voor het evalueren van Plant Groei en Monitoring bodemprocessen
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
Thermogradient tabellen niet nieuw en het gebruik ervan is beschreven in de literatuur tientallen jaren 1-6. Vroege tafels zogenaamd ontwikkeld voor laboratorium zaadkieming testen vaak papiersubstraat over een breed gebied van temperaturen in een enkel experiment (figuur 1). Er zijn verschillende ontwerpen van thermogradient tafels maar een van de meest voorkomende bestaat uit een relatief dikke rechthoekige plaat uit metaal, meestal aluminium zijn corrosieweerstand, met een lus van vierkante buis gelast aan de bodem aan de tegengestelde uiteinden. Plastic buizen sluit de tafel in- en uitlaat pijpen om de temperatuur gecontroleerde, circulerende baden dat het afgekoeld en verwarmde vloeistof te pompen door de leidingen aan tegenovergestelde uiteinden onder de tafel. De buis voert fluïdum, gewoonlijk een water-antivries (ethyleenglycol) mengsel om te voorkomen dat het bevriezen van het stelsel wordt gebruikt dichtbij of onder vriestemperaturen. Een ander ontwerp is het strippen van metaal aan elkaar te lassen om te createn een vloeistof reservoir aan elk uiteinde van de tafel met in- en uitlaten voor de circulatie van warme en koude oplossingen aan beide zijden. De circulerende baden kan worden geplaatst op de vloer onder de tafel of op een aparte elkaar liggende tafel. Elektrische thermogradient tafels met verwarmingselementen en / of Peltier koeling modules zijn gebouwd, maar de hoge kosten, uitdagingen het genereren van consistente lage temperaturen, en de betrouwbaarheid problemen zijn wijdverbreid commercieel gebruik 8 voorkomen.
De circulerende vloeistof ontwerpen passief maken van een eendimensionale gradiënt via thermische geleiding. Als de aluminium plaat met een gelijkmatige vorm en dikte en goed geïsoleerd, stroomt gelijkmatig warmte van de warme naar de koude einde van een tabel instelling van een continue eendimensionale temperatuurgradiënt, na de tweede wet van de thermodynamica 7. De gradiënt over het wegdek is afhankelijk van de lengte van de tafel en de verschillen tussen het einde temperaturen. De tafel en plumbing zijn meestal ondergebracht in een geïsoleerde behuizing met deksels voor toegang. De behuizing isoleert de tafel van zijn omgeving, het creëren van een uniforme gradiënt over het oppervlak met kleine temperatuurverschillen. De geïsoleerde behuizing kan worden ondersteund door poten of op een vlak oppervlak zoals een tafel of een bank. Voor toepassingen waarbij gelijkmatige temperatuurregeling nodig zonder gradiënt, kan een tabel worden opgezet om isotherme omstandigheden te produceren als beide uiteinden circuleren fluïdum bij dezelfde temperatuur.
Wanneer de gradiënt tabel goed functioneert Petrischalen afgesloten plastic zakken, platte bodem containers, etc., worden op het oppervlak geplaatst en thermo-evenwicht voor de verschillende temperaturen (figuur 1). De experimentele temperatuur van elke container hangt in luchtruimtes die kunnen bestaan tussen de houder en het tafeloppervlak en de dikte en isolerende eigenschappen van elke container. De gradiënt tafel effectief handhaaft monster temperatures dicht bij het oppervlak, maar de controle verliest boven het oppervlak. Het gebrek aan controle verticale temperatuur beperkt de typen experimenten mogelijk een traditionele gradiënt tafel.
Aluminium strips of soufflets werden toegevoegd aan de traditionele gradient tafel ontwerp tot temperatuurregeling boven het tafeloppervlak te verbeteren. Geren werden gelast tussenpozen loodrecht op het tafeloppervlak. De loopsplitten vergemakkelijken convectieve warmtestroom verticaal boven de vlakke tafel oppervlak. Monsters geplaatst tussen splitten hebben op temperatuur oppervlakken aan drie zijden met meer temperatuurregeling. Clegg en Eastin 2 geplaatst kwartszand op een helling tafeloppervlak om temperatuurregeling in de diepte te creëren. Clegg en Eastin 2 ook geëxperimenteerd met het plaatsen van isolatie op de top van de tafel. Webb et al. 9 geplaatst buizen gevuld met grond op een tafel in een poging om temperatuurregeling eenduidig de.
De nieuwe table ontwerpen gemeld heeft negen 7,6 cm (3 inch) hoog hoeksteunen (aluminium strips) die zijn gelast aan het oppervlak over de lengte van de tabel (figuur 2). LED lampen emitting fotosynthetisch actieve frequenties worden geïnstalleerd op de zijkanten van de tafel zaailingsgroei ondersteunen wanneer de tafel wordt gesloten. De geïsoleerde behuizing voor de inslag voorziene thermogradient tafel is opgebouwd uit een witte kunststof borden die water, afwijking zijn, en crack bestendig. Het doel van dit document is om de nieuwe gusseted gradient tafel ontwerp en de mogelijke toepassingen te beschrijven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Thermogradient tabellen zijn gedurende vele jaren gebruikt voor het gelijktijdig uitvoeren van primair zaadkieming experimenten in ondiepe bakken over een bereik van temperaturen. Echter, de experimentele temperatuur beperkt tot het tafeloppervlak zodat de diepte van temperatuurregeling beperkt. Zaadcontrole protocollen uitgevoerd op traditionele gradient tabellen eindigen met een worteltje opkomst op papier substraat in petrischaaltjes of andere vlakke containers en niet realistisch te testen zaailing opkomst en groei zou van nature in de bodem. Vandaag zaadbedrijven willen vaak zaad kracht (de kiemkracht onder minder dan optimale omstandigheden) gesimuleerde praktijkomstandigheden dat telers waarschijnlijk zal tegenkomen na het planten te beoordelen. Bodemonderzoek blootstelt ook zaden om schimmel- en bacteriële ziekte druk niet gebruikelijk in gestandaardiseerde laboratorium kiemproeven op grondloze media. Wanneer de bodem wordt geplaatst op een vlakke niet-inslag voorziene tafel, grote variaties van 5 ºC of meer were niet ongewoon tussen posities in het bodemprofiel en tafel oppervlakken (niet gepubliceerde resultaten).
Een eendimensionale gradiënt tafel met zijvouwen is ontwikkeld voor verticale temperatuurregeling te verbeteren zodat de bodem kunnen worden gebruikt in kiemproeven en andere experimenten waarbij nauwkeurige regeling van de bodemtemperatuur kritisch. De loopsplitten beperken bodem of synthetische groeimedia en temperatuurregeling in de diepte. De hoekplaten zijn aluminium, hetzelfde materiaal als het tafelblad, en wanneer gelast loodrecht op het oppervlak zij temperatuurregeling van de ruimte tussen de door geleidende warmteoverdracht. De hoekplaten kunnen worden georiënteerd in de lengte langs de tafel of in de breedte over de tafel. Beide ontwerpen uit te voeren op dezelfde manier, maar de breedterichting spie oriëntatie is handig omdat de ruimte tussen de inzetstukken als een enkele experimentele temperatuur kan dienen als de gradiënt goed is afgesteld. Horizontale oriëntatie maakt experimentele eenheden (zaden in dit voorbeeld) met een tussenruimtesteek de tafel in een lijn naast elkaar. Kruisje afstand kan alleen tijdens de productie worden gevarieerd omdat soufflets gelast op zijn plaats zodat alternatieve positionering kan niet worden getest zodra tafel bouw is voltooid. Een kruisje tussenruimte van 10,9 cm werd geselecteerd om ondiepe containers vaak gebruikt voor het zaad te controleren in aanvulling op de bodem tegemoet te komen. Dichter spie afstand kan betere temperatuurbeheersing maar zou de soorten containers die kunnen worden gebruikt op de tafel beperken.
De temperatuur en vochtigheid van de groeimedia van de thermogradient tabel moet continu worden gecontroleerd om de gewenste proefomstandigheden bereiken. Voor het planten moet de circulerende baden iets onder het gewenste minimum en iets boven maximum temperaturen dan bijgesteld tot de monsters de gewenste experimentele temperatuur hebben bereikt worden ingesteld. Ongeveer 24 uur moet worden toegestaan voor de monsters aan thermische evenwicht met het verloop tafel. Het vochtgehalte van the groeiende media moeten voldoende (70-80% van het veld capaciteit) voor het ontkiemen van de zaden of andere biologische processen om verder te gaan. De tabel isolatie en dubbele deksels te verminderen temperatuurschommelingen en verdamping van water als op zijn plaats.
De resultaten in Tabel 1 vergelijkt zaailingsgroei van 4 soorten bij verschillende temperaturen. De groei van meloen en tomatenzaden begon bij 15 ° C en gekiemd en bij 40 ° C toegelicht waarom zij worden gekarakteriseerd als warm seizoen 10 gewassen. Daarentegen sla ontkiemd beste bij lage temperaturen. Haver zaden gekiemd over een breder scala van temperaturen dan de andere soorten (tabel 1). Terwijl soortgelijke resultaten kunnen worden verkregen met een reeks groeikamers in een reeks gecoördineerde experimenten werd het tussenstuk kunnen zowel ontkieming en groei van zaailingen te vergelijken over een reeks bodemtemperatuur tegelijkertijd. Ander veld bodems of groeienmedia worden gesubstitueerd aan een reeks veld te simuleren. Microbiële of chemische behandelingen, kunstmest regimes, droogtestress, en variaties in lichte omgeving kan heel temperaturen worden opgelegd aan het verloop tafel.
De kleine dataloggers gemeten temperatuur op verschillende posities op de tafel. Temperatuurgegevens bleek, relatief uniforme temperaturen in het midden van de tafel met grotere variatie, met name aan het warme einde. Positionering loggers in contact met het tafeloppervlak en blootgesteld aan de lucht op het grondoppervlak waarschijnlijk extra uitersten. Temperaturen opgenomen in de middenpositie waren waarschijnlijk meer indicatief voor bulk bodemgesteldheid. Bijvoorbeeld, een zaad in de grond op het verloop weergeeft tussen geren op veld planten simuleren uitgepoot worden blootgesteld aan bulk bodemtemperatuur en niet de lucht of het tafeloppervlak temperatuur. Het vochtgehalte en de textuur van de bodem speelt een rol bij het bepalen tabel temperaturen. Als the grond droog is, luchtruimten weerstaan temperatuurverandering en niet effectief warmte te geleiden van de inzetstukken. Vochtige grond heeft weinig luchtruimten en meer vloeibaar water om warmte effectief uit te voeren door middel van het bodemprofiel. In dit experiment werd de bodem op 70 tot 80% van het maximale watergehalte maar hogere watergehalte kunnen hierdoor beperkt bodemtemperatuur variatie. Zand heeft tot minder grote poriën dan bodems met hoge organische stof en derhalve wordt verwacht dat meer gelijkmatige temperatuur.
Er was een grotere variatie van de bodemtemperatuur aan het warme einde van de tafel ten opzichte van het koude einde. Een mogelijke verklaring ligt in de verdeling van vocht in de tabel. Vocht heeft de neiging in het koude einde te behouden, terwijl het warme einde heeft de neiging om uit te drogen als gevolg van een grotere verdampingsverliezen. Aangezien water helpt gedrag hitte, is het belangrijk dat het vochtgehalte van de tabel zo uniform mogelijk. Webb et al. 9 gebruikt blotter papier om water uit te voeren over een thermogradient tafel via capillaire werking, terwijl de krant en werkte als een goedkoper alternatief in de soufflets thermogradient tafel. Hoewel loopsplitten werden bekleed met hydrofiele papier om vocht distributie toe te voegen, waardoor zowel de koele en warme uiteinden gelijkmatig nat is een uitdaging.
Snelle verdamping bij hoge temperaturen gebeurt op alle gradient tafel ontwerpen. Condensatie is vaak een probleem wanneer container experimenten worden uitgevoerd op een helling tafel bij temperaturen ver boven omgevingstemperatuur omdat de bodem van de houder is warmer dan de bovenkant waardoor water verzamelen over de binnenkant van de koeler deksel. In de bodem experimenten op de soufflets tafel, water verdampt uit de bovenste bodemlagen in de lucht boven in de inslag voorziene tafel. Als de bodem is erg nat, kunnen verdampingsverliezen aan het warme einde van de tabel condenseren op de koeler inner-acryl deksel. Rusten strak stukken acryl- of polystyreen isolatie directly bovenop de hoeksteunen minimaliseert damp uitwisseling met het luchtruim boven de tabel waarbij de bodem vochtig gelijkmatiger en constant (gegevens niet getoond). Wanneer de tafel was bedekt met polystyreen isolatie, temperatuurvariatie slechts 1-2 ° C door het bodemprofiel bij extreme temperaturen (gegevens niet getoond). Echter, polystyreen isolatie voorkomt zaailingen van nieuwe en moeten worden verwijderd na de eerste uur incubatie groei analyses. Een andere oplossing voor een snelle droging van warme bodem te voorkomen is om meer water bij voorkeur toe te voegen aan het warme einde te compenseren voor verdampingsverliezen. Hand water is problematisch omdat het deksel worden verwijderd en toepassing volumes minder precies. Micro irrigatie emitters kan worden ontworpen op een helling tafel en kan worden aangepast om meer water voorkeur van toepassing op het warme einde.
Thermogradient tafels hebben de functionaliteit en de mogelijkheid om als alternatieve groei kamers dienen. when beide baden worden op dezelfde, de tabel in evenwicht enkelvoudige experimentele temperatuur voor toepassingen waarbij een gradiënt niet vereist. Dag en nacht licht en temperatuurschommelingen kunnen ook worden gesimuleerd met behulp van programmeerbare circulerende baden en LED kweeklampen. Bevolken de binnenkant van de deksels met LED-verlichting groeien kan de lichtintensiteit te verhogen. De LED kweeklampen inbreng minimale warmte in het systeem en niet bemoeien met het verloop omdat soortgelijke bodem temperaturen werden opgenomen met lichten aan en uit te schakelen (gegevens niet getoond). De toevoeging van verlichting maakt de groei van planten en een grotere milieu-controle.
Thermogradient tabellen zijn voornamelijk gebruikt door de zaadindustrie kieming studies in het verleden, maar vele andere toepassingen mogelijk. Insect gedrag is onderzocht op een helling tafel om de temperatuur optima van bepaalde gedragingen 11 te bepalen. Ijs kan worden bevroren op een helling tafeloppervlak voor het testen van verschijnselen op subfreezing temperatures (gegevens niet getoond). Gas-uitwisseling tussen de bodem en atmosfeer, met inbegrip van koolstofdioxide evolutie, is het mogelijk op een inslag voorziene helling tafel bij wisselende inhoud water, bodem ingangen en temperaturen. Bestuderen effecten van bacteriële en schimmelgroei in verschillende media over een bereik van temperaturen is ook mogelijk met dit experimentele systeem.
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).
