Ein Gusseted Thermogradient Tabelle zur Bekämpfung von Bodentemperaturen für das Pflanzenwachstum Beurteilung und Überwachung von Bodenprozessen
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 sind nicht neu , und ihre Verwendung ist in der Literatur über mehrere Jahrzehnte 1-6 berichtet. Frühe Tische waren angeblich für Labor die Keimung der Samen Tests häufig auf Papiersubstrat über einen breiten Bereich von Temperaturen in einem einzigen Experiment (Abbildung 1) entwickelt. Es gibt verschiedene Ausführungen von thermogradient Tabellen aber eine der häufigsten besteht aus einem relativ dicken rechteckigen Platte aus Metall, oft Aluminium für seine Korrosionsbeständigkeit, mit einer Schleife aus Vierkantrohr auf den Boden an entgegengesetzten Enden verschweißt. Kunststoffrohre verbinden die Tabelle Ein- und Auslaufstrecken zu temperaturgeregelt, zirkulierenden Bäder, die die gekühlte und erhitzte Flüssigkeit durch die Rohre an den gegenüberliegenden Enden unter dem Tisch zu pumpen. Das Rohr leitet Fluid, üblicherweise ein Wasser-Frostschutzmittel (Ethylenglykol) -Mischung, das Einfrieren zu verhindern, wenn das System in der Nähe oder unterhalb von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden soll. Ein anderer Entwurf ist Metallstreifen miteinander zu verschweißen, um creaß ein Fluidreservoir an jedem Ende des Tisches mit Einlässen und Auslässen für die Zirkulation von warmer und kalter Lösungen an jedem Ende. Die Zirkulationsbäder können unter dem Tisch oder auf einem separaten Tisch nebeneinander auf dem Boden positioniert werden. Elektrische thermogradient Tabellen mit Heizschlangen und / oder Peltier – Kühlmodule wurden gebaut , aber hohe Kosten, Herausforderungen konsequent niedrigen Temperaturen zu erzeugen, und Probleme mit der Zuverlässigkeit haben eine weit verbreitete kommerzielle Nutzung 8 verhindert.
Die zirkulierende Flüssigkeit Designs passiv einen eindimensionalen Gradienten über Wärmeleitung erstellen. Wenn die Aluminiumplatte von einheitlicher Form und Stärke ist und gut isoliert, fließt Wärme gleichmäßig von der warmen zur kalten Ende einer Tabelle einen kontinuierlichen eindimensionalen Temperaturgradienten Festlegung, nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik 7. Der Gradient auf der Oberfläche ist eine Funktion der Tischlänge und die Unterschiede zwischen den Endtemperaturen. Der Tisch und plumbing werden in der Regel in einem isolierten Gehäuse mit Deckel für den Zugang untergebracht. Das Gehäuse isoliert den Tisch von seiner Umgebung, eine gleichmäßige Steigung über die Oberfläche mit geringen Temperaturschwankungen zu schaffen. Der isolierte Gehäuse kann durch die Beine oder platziert auf einer flachen Oberfläche wie einen Tisch oder eine Bank unterstützt werden. Für Anwendungen, bei denen Steuergleichmäßige Temperatur ohne Gefälle benötigt wird, kann eine Tabelle eingerichtet werden, um isothermen Bedingungen erzeugen, wenn beide Enden Flüssigkeit bei der gleichen Temperatur zirkulieren.
Wenn der Gradient Tabelle korrekt funktioniert, Petrischalen, versiegelte Plastikbeutel, Flachbodenbehälter usw., sind auf der Oberfläche platziert und thermo äquilibrieren zu den verschiedenen Temperaturen (Abbildung 1). Die Versuchstemperatur in jedem Behälter hängt von Lufträumen, die zwischen dem Behälter und der Tischoberfläche und der Dicke und der Isolationseigenschaften eines jeden Behälters vorliegen kann. Die Steigung Tabelle hält effektiv Probe temperatures nahe an der Oberfläche, aber die Kontrolle wird über der Oberfläche verloren. Die fehlende vertikale Temperaturregelung begrenzt die Arten von Experimenten möglich auf einem traditionellen Gradienten Tisch.
Aluminiumstreifen oder Zwickel wurden zum traditionellen Gradienten Tabelle Design hinzugefügt, um Temperaturregelung über der Tischoberfläche zu verbessern. Zwickel wurden senkrecht zu der Tischoberfläche in Abständen verschweißt. Die Zwickel erleichtern konvektive Wärmestrom senkrecht über der flachen Tischoberfläche. Proben zwischen Zwickel gelegt haben temperaturgeregelten Oberflächen auf drei Seiten effektivere Temperaturkontrolle. Clegg und Eastin 2 platziert Quarzsand auf einem Gradienten Tischoberfläche Temperaturkontrolle in der Tiefe zu schaffen. Clegg und Eastin 2 experimentierte auch Isolation auf dem Tisch bei der Platzierung. Webb et al. 9 platziert mit Erde gefüllten Rohren auf einem Tisch in einer Bemühung Steuer Temperatur gleichmäßig zu.
Die neue table Design hier berichtet hat neun 7,6 cm (3 Zoll) hohen Seitenfalten (Aluminiumstreifen), die auf der Oberfläche über die Länge des Tisches (2) verschweißt sind. LED-Leuchten photosynthetisch aktiven Frequenzen emittiert werden auf den Seiten des Tisches installiert Sämlingwachstum zu unterstützen, wenn die Tabelle geschlossen wird. Die isolierten Gehäuse für die gusseted thermogradient Tisch besteht aus einem weißen PVC-Platten aufgebaut, die Wasser sind, Kett- und rissfest. Der Zweck dieses Papiers ist es, die neue gusseted Gradienten Tabelle Design und mögliche Anwendungen zu beschreiben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Thermogradient Tabellen sind seit vielen Jahren für die Durchführung in erster Linie die Keimung der Samen Experimente in flache Behälter über einen Bereich von Temperaturen gleichzeitig verwendet. Jedoch sind die experimentellen Temperaturen auf die Tischoberfläche begrenzt, um die Tiefe der Temperaturregelung ist begrenzt. Seed Testprotokolle auf traditionellen Gradienten Tabellen durchgeführt enden mit Würzelchen Entstehung auf Papiersubstrat in Petrischalen oder anderen flachen Behälter und prüfen nicht realistisch Sämling Entstehung und das Wachstum als würde natürlich im Boden vorkommen. Heute Saatgut-Unternehmen wollen oft Keimkraft zu bewerten (die Fähigkeit, unter weniger keimen als optimalen Bedingungen) simulierten Feldbedingungen verwenden, die Erzeuger werden nach dem Pflanzen wahrscheinlich begegnen. Bodenuntersuchungen macht auch Samen zu Pilz- und Bakterienkrankheiten Druck nicht üblich in standardisierten Labor Keimungstests auf soilless Medien. Wird der Boden auf einem flachen, nicht gusseted Tisch, große Schwankungen von 5 ° C oder mehr wir platziertsind nicht selten zwischen den Positionen im Bodenprofil und Tischflächen (nicht veröffentlichte Ergebnisse).
Eine eindimensionale Gradienten Tabelle mit Zwickeln entwickelt vertikale Temperaturregelung zu verbessern, so dass der Boden in Keimtests und andere Experimente verwendet werden könnten, wo eine genaue Kontrolle der Bodentemperatur ist kritisch. Die Zwickel beschränken Boden oder synthetische Wachstumsmedien und Regelung der Temperatur in der Tiefe. Die Versteifungen sind Aluminium, das gleiche Material wie die Tischplatte, und als senkrecht zur Oberfläche geschweißt sie bieten die Temperatursteuerung des Raumes zwischen durch konduktive Wärmeübertragung. Die Versteifungen können auf der Tabelle orientiert längs oder der Breite nach über den Tisch. Beide Entwürfe ausführen ähnlich, aber die Breiten Zwickel Orientierung ist bequem, weil der Raum zwischen Zwickel als einzelne experimentelle Temperatur dienen kann, wenn der Gradient richtig eingestellt ist. Horizontale Ausrichtung ermöglicht experimentelle Einheiten (Samen in diesem Beispiel) beabstandet zu sein einüberqueren Sie die Tabelle in einer Linie nebeneinander. Gusset Abstand kann nur während der Herstellung variiert werden, weil Zwickel an Ort und Stelle so alternative Positionierung geschweißt sind, können nicht getestet werden, sobald Tischkonstruktion abgeschlossen ist. Ein Zwickel Abstand von 10,9 cm wurde ausgewählt, flache Behälter für Saatgutprüfung oft zusätzlich zu Boden eingesetzt zu werden. Näher Zwickel Abstand bessere Temperatursteuerung bereitstellen würde aber die Arten von Behältern begrenzen, die auf dem Tisch verwendet werden kann.
Die Temperatur und die Feuchtigkeit der wachsenden Medien in der thermogradient Tabelle kontinuierlich überwacht werden müssen, um die gewünschten experimentellen Bedingungen zu erreichen. Vor dem Pflanzen sollten die zirkulierende Bäder leicht unter dem gewünschten Minimum eingestellt werden und leicht über Höchsttemperaturen als eingestellt, bis die Proben, die gewünschten Versuchstemperaturen erreicht haben. Etwa 24 Stunden sollten für die Proben erlaubt werden, um Wärme mit dem Gradienten Tabelle äquilibrieren. Der Feuchtigkeitsgehalt des the wachsenden Medien sollten (70-80% der Feldkapazität) ausreichend sein, um die Keimung der Samen oder andere biologische Prozesse ablaufen. Die Tabelle Isolierung und Dual-Deckel Temperaturschwankungen und Wasserverdunstung, wenn an Ort und Stelle zu reduzieren.
Die Ergebnisse in Tabelle 1 vergleichen seedling Wachstum von 4 Arten bei verschiedenen Temperaturen. Das Wachstum von Melone und Tomatensamen begann bei 15 ° C und keimten gut bei 40 ° C zu erklären , warum sie so warm-Saison 10 Kulturen geprägt sind. Im Gegensatz dazu Salat gekeimt besten bei niedrigen Temperaturen. Hafer Samen keimten über einen breiteren Temperaturbereich als die anderen Arten (Tabelle 1). Während ähnliche Ergebnisse unter Verwendung einer Reihe von Wachstumskammern in einer Reihe von koordinierten Experimenten erhalten werden konnte, erlaubt die Zwickel Design sowohl Keimung und Sämlingwachstum gleichzeitig über einen Bereich von Bodentemperaturen verglichen werden. Verschiedene Feld Böden oder den AnbauMedien können eine Reihe von Feldbedingungen zu simulieren, ersetzt werden. Mikrobielle oder chemischen Behandlungen, Dünger Regime, Trockenstress und Variationen in Licht-Umgebung kann über Temperaturen auf dem Gradienten Tabelle verhängt werden.
Die kleinen Datenlogger Temperatur an verschiedenen Positionen auf der Tabelle aufgezeichnet. Temperaturdaten zeigten, relativ gleichmäßige Temperaturen in der Mitte des Tisches mit einer größeren Variation, insbesondere am warmen Ende. Positionieren Logger in Kontakt mit der Tischoberfläche und der Luft ausgesetzt, um auf der Bodenoberfläche, die Extreme wahrscheinlich akzentuiert. Temperaturen in der Mittelposition aufgezeichnet waren wahrscheinlich mehr indikativ für bulk Bodenbedingungen. Zum Beispiel kann ein Samen in den Boden, auf dem Gradienten Tabelle zwischen Zwickel gepflanzt Feldpflanz simulieren würde nur bulk Bodentemperatur und nicht die Luft oder das Tischoberflächentemperatur ausgesetzt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt und die Textur des Bodens spielt eine Rolle bei der Bestimmung Tabelle Temperaturen. Wenn the Boden trocken ist, Lufträume Temperaturänderung widerstehen und leiten Wärme nicht effektiv von den Zwickel. Feuchter Boden hat einige Lufträume und mehr flüssiges Wasser, um effektiv Wärme durch das Bodenprofil führen. In diesem Experiment Boden wurde bei 70 bis 80% seiner maximalen Wasserhaltefähigkeit, aber höhere Wassergehalt reduziert haben Bodentemperaturvariation aufrechterhalten. Sand hat da weniger große Porenräume als Böden mit hohem organischen Stoffen und somit zu erwarten wäre gleichmäßigere Temperaturen zu sorgen.
Es gab größere Variation in Bodentemperatur am warmen Ende des Tisches gegenüber dem kalten Ende. Eine mögliche Erklärung liegt in der Feuchtigkeitsverteilung über den Tisch. Feuchtigkeit neigt dazu, in das kalte Ende gehalten zu werden, während das warme Ende wegen der größeren Verdampfungsverluste zu trocknen neigt. Da Wasser Verhalten Wärme hilft, ist es wichtig, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Tabelle möglichst einheitlich sein. Webb et al. 9 verwendet Blotter Papier Wasser über eine thermogradient Tabelle durch Kapillarwirkung zu führen, während Zeitung arbeitete auch eine weniger teure Alternative in der gusseted thermogradient Tabelle. Obwohl Zwickel mit hydrophilem Papier ausgekleidet wurden Feuchtigkeitsverteilung an, sowohl die kühlen und warmen Enden halten gleichmäßig feucht ist eine Herausforderung.
Schnelles Verdampfen bei hohen Temperaturen tritt auf allen Gradienten Tisch-Designs. Kondensation ist oft ein Problem, wenn der Behälter Experimente auf einem Gradienten-Tabelle durchgeführt werden bei Temperaturen deutlich über Umgebungs weil der Boden des Behälters ist wärmer als die obere Wasser verursacht an der Innenseite des Kühlers Deckel zu sammeln. In Boden Experimente auf der gusseted Tisch, verdampft Wasser aus den oberen Bodenschichten in die Luft oben in der Tabelle gusseted. Wenn der Boden sehr feucht ist, Verdampfungsverluste am warmen Ende des Tisches kann auf der kühleren Innenacryl Deckel kondensieren. Resting enganliegende Stücke aus Acryl oder Polystyrol-Dämmung direktly oben auf den Zwickeln der Boden gleichmässig feucht und Temperatur konstant gehalten Dampfaustausch mit dem Luftraum über dem Tisch minimiert (Daten nicht gezeigt). Wenn der Tisch mit Polystyrol Isolierung bedeckt war, Temperaturänderung nur an den extremen Temperaturen von 1 bis 2 ° C über dem Bodenprofil war (Daten nicht gezeigt). Allerdings Polystyrol-Dämmung verhindert Sämlinge aus Schwellen- und müssen entfernt werden, nachdem die anfängliche h Inkubation für Wachstum analysiert. Eine andere Lösung für eine rasche Trocknung von warmen Böden verhindern ist, um vorzugsweise mehr Wasser zu dem warmen Ende hinzufügen für Verdampfungsverluste zu kompensieren. Hand Bewässerung ist problematisch, da die Deckel entfernt werden müssen und Anwendungsmengen sind weniger präzise. Micro-Bewässerung-Strahler können auf einem Gradienten Tisch ausgelegt und kann so eingestellt werden, um vorzugsweise mehr Wasser zu dem warmen Ende anwenden.
Thermogradient Tabellen haben die Funktionalität und Potenzial als alternative Wachstumskammern dienen. When beide Bäder sind gleich eingestellt, wobei die Tabelle ins Gleichgewicht zu einzelnen Versuchstemperatur für Anwendungen, bei denen ein Gradient ist nicht erforderlich. Tag und Nacht Licht und Temperaturschwankungen können auch programmierbare zirkulierende Bädern simuliert werden und LED-Leuchten wachsen. Füllen Sie die Innenseiten der Deckel mit LED wachsen Lichter Lichtintensität zu erhöhen. Die LED-Leuchten Eingang minimal Wärme in das System wachsen und nicht mit dem Farbverlauf stören, weil ähnliche Bodentemperaturen mit Licht aufgenommen wurden, ein und aus (Daten nicht gezeigt). Die Zugabe von Leuchten ermöglicht das Pflanzenwachstum und mehr Umweltkontrolle.
Thermogradient Tabellen wurden in erster Linie von der Saatgutindustrie für die Keimung Studien in der Vergangenheit, aber viele andere Anwendungen sind möglich verwendet. Insektenverhalten wurde auf einem Gradienten Tabelle studiert Temperatur optima bestimmter Verhaltensweisen 11 bestimmen. Eis kann bei subfreezing t zum Testen Phänomene auf einem Gradienten Tischoberfläche eingefroren werdenemperatures (Daten nicht gezeigt). Der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre, einschließlich Kohlendioxidentwicklung ist möglich, auf einem gusseted Gradienten Tabelle mit unterschiedlichen Wassergehalte, Boden-Eingänge und Temperaturen. Studium Wirkungen von Bakterien- und Pilzwachstum in verschiedenen Arten von Medien über einen Bereich von Temperaturen ist auch möglich, mit diesem Versuchssystem.
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
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