לוח א gusseted Thermogradient לשלוט טמפרטורות קרקע להערכת גדילת צמחי ניטור תהליכי אדמה
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
שולחנות Thermogradient אינם חדשים והשימוש בם דווח בספרות על פני כמה עשורים 1-6. שולחנות מוקדם פותחו לכאורה לבדיקת נביטת זרעים במעבדה לעתים קרובות על מצע נייר על פני טווח רחב של טמפרטורות בניסוי יחיד (איור 1). ישנם עיצובים שונים של טבלאות thermogradient אבל אחד מורכב הנפוצה ביותר של יריעת המתכת מלבנית עבה יחסית, לעתים קרובות אלומיניום לעמידות בפני הקורוזיה שלה, עם לולאה של צינור מרובע המרותך לתחתית בקצוות מנוגדים. צינורות פלסטיק לחבר את צינורות מגשי דואר נכנס לשקע שולחן הטמפרטורה המבוקרת, במחזור אמבטיות בשאיבת הנוזל המקורר ומחומם בצינורות על קצוות מתחת לשולחן. הצינור מוליך בדרך כלל נוזל, תערובת מים לרדיאטור (אתילן גליקול), כדי למנוע הקפאה אם המערכת היא להיות מופעלת ליד או מתחת בטמפרטורות מקפיאות. עיצוב נוסף הוא לרתך רצועות מתכת יחד כדי creאכל היא מיכל לאגירת נוזלים בכל קצה של הטבלה עם מפרצונים שקעים עבור זרימת פתרונות חמים וקרים בכל קצה. המרחצאות במחזור ניתן למקם על הרצפה מתחת לשולחן או על שולחן לצד זה נפרד. שולחנות thermogradient חשמליים עם סלילי חימום ו / או מודולים קירור פלטייה נבנו אך עלות הגבוהה, אתגרי יצירת טמפרטורות נמוכות עקביות, ובעיות אמינות מנעו שימוש מסחרי נרחב 8.
העיצובים הנוזלים במחזור פסיבי ליצור שיפוע חד ממדי באמצעות הולכה תרמית. אם לוחית אלומיניום הוא של צורה אחידה ועובי ומבודד כראוי, החום זורם באופן אחיד מן החמה עד הסוף קר של שולחן הקמת שיפוע הטמפרטורה חד ממדי רציף, בעקבות החוק השני של התרמודינמיקה 7. שיפוע פני השטח הוא פונקציה של אורך שולחן ההבדלים בין הטמפרטורות סוף. שולחן plumbinגרמתי בדרך כלל הם שוכנו מתחם מבודד עם מכסים עבור גישה. המתחם מבודד השולחן מסביבתה, יצירת שיפוע אחיד על פני השטח עם וריאציה הטמפרטורה מעט. המתחם המבודד יכול להיות נתמך על ידי רגליים או מונח על משטח שטוח כגון שולחן או ספסל. עבור יישומים בהם בקרת טמפרטורה אחידה נדרשת ללא שיפוע, שולחן ניתן להגדיר לייצר תנאים isothermal אם בשני הקצוות מחזור הזורם באותה טמפרטורה.
כאשר שולחן השיפוע מתפקד כראוי, צלחות פטרי, שקיות פלסטיק אטומות, מכולות עם תחתית שטוחה, וכו ', ממוקמות על פני השטח טרמו לאזן טמפרטורות השונות (איור 1). הטמפרטורה הניסיונית בכל מיכל תלויה הנאדיות שעשויות להתקיים בין הקנקן לבין משטח השולחן ואת העובי ומאפייני בידוד של כל מכולה. טבלת השיפוע שומרת ביעילות המדגם TEmperatures קרוב לפני השטח, אבל אובדן שליטה מעל פני השטח. היעדר בקרת טמפרטורה אנכית מגביל את סוגי ניסיונות אפשריים על שולחן שיפוע מסורתי.
רצועות אלומיניום או gussets נוספו עיצוב שולחן שיפוע המסורתי לשפר בקרת טמפרטורה מעל משטח השולחן. Gussets היו מרותך במרווחים בניצב לפני שטח השולחן. Gussets להקל זרימת חום הסעה אנכית מעל פני שטח השולחן השטוחים. דוגמאות הממוקמות בין gussets, יש משטחים מוסדרי טמפרטורה משלושה צדדי מתן בקרת טמפרטורה יעילה יותר. 2 קלג ו אסטין להציב חול קוורץ על משטח שולחן שיפוע ליצור בקרת טמפרטורה לעומק. גם קלג ו אסטין 2 ניסויים עם הצבת בידוד על גבי השולחן. Et ווב al. 9 להציב צינורות מלאים באדמה על שולחן במאמץ אחיד טמפרטורת שליטה.
מדד ת"א החדשיש עיצוב ble דיווחו כאן תשעה 7.6 ס"מ (3 אינץ ') gussets גבוה (רצועות אלומיניום) כי מרותכים אל פני השטח על פני אורך של הטבלה (איור 2). LED גופי תאורה פולט תדרים פעילים photosynthetically מותקנים בצידי השולחן כדי לתמוך בצמיחת שתיל כאשר הוא סגר את השולחן. המתחם המבודד שולחן thermogradient gusseted בנוי של לוחות PVC לבנים כי הם מים, עיוות, ולפצח עמיד. מטרת מאמר זה היא לתאר את עיצוב שולחן שיפוע gusseted החדש יישומים אפשריים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שולחנות Thermogradient שימשו במשך שנים רבות לביצוע ניסויים זרע הנביטה בעיקר במיכלים רדודים על פני טווח של טמפרטורות בו זמנית. עם זאת, הטמפרטורות ניסיון מוגבלות פני השולחן כך עומק בקרת טמפרטורה מוגבל. פרוטוקולי בדיקות זרע שנערכו על שולחנות שיפוע מסורתיים לסיים עם הופעתה radicle על מצע נייר בצלחות פטרי או מכולות שטוחות אחרות ולא לבדוק מציאותי שתיל הופעתה וצמיחה כפי שהיה קורה בקרקע באופן טבעי. היום חברות זרעים לעתים קרובות רוצות להעריך און זרעים (היכולת לנבוט תחת פחות תנאים אופטימליים) באמצעות בתנאי שטח מדומה כי מגדלים ייתקלו סבירים לאחר שתילה. בדיקות קרקע גם חושפות זרעים פטרייתי ולחצי מחלה חיידקית אינו תופעה שכיחות בדיקות נביטת מעבדה סטנדרטיות על תקשורת soilless. כאשר הקרקע ממוקמת על השולחן הלא gusseted שטוח, וריאציות גדולות של 5 ºC או יותר אנחנומחדש לא נדיר בין עמדות אדמת הפרופיל ומשטחי שולחן (תוצאות לא פורסמו).
שולחן שיפוע חד ממדי עם gussets פותח כדי לשפר בקרת טמפרטורה אנכית כך אדמת שיכולה לשמש בבדיקות נביטה וניסויים אחרים בם שליטה מדויקת של טמפרטורת קרקע היא קריטית. Gussets להגביל קרקע או מדיה סינטתית גוברת וטמפרטורת שליטה לעומק. Gussets הוא אלומיניום, החומר זהה השולחן, וכאשר מרותכים בניצב לפני השטח שהם מספקים בקרת טמפרטורה של המרחב בין על ידי העברת חום מוליך. Gussets יכול להיות מכוון לאורכו של השולחן או לרוחבה מעבר לשולחן. עיצובי שניהם לבצע באופן דומה אך האורינטציה לעיטור לרוחבה נוחה, כי את החלל בין gussets עשוי לשמש טמפרטורה יחידה ניסיון כאשר השיפוע הותאם כראוי. אוריינטציה אופקית מאפשר יחידות ניסיוני (זרעים בדוגמה זו) כדי להיות במרווחיםלחצות את השולחן בשורה אחד ליד השני. מרווח לעיטור יכול להיות מגוון רק במהלך הייצור בגלל gussets מרותך במיצוב מקום כל כך אלטרנטיבה לא ניתן לבדוק פעם בניית שולחן הושלמה. מרווח לעיטור של 10.9 סנטימטרים נבחר כדי להתאים מכולות רדודות לעתים קרובות המשמשות לבדיקות זרע בנוסף אדמה. המרווח לעיטור Closer עשויה לספק בקרת טמפרטורה טובה יותר אבל יגביל את סוגי המכולות, שניתן להשתמש בהם על השולחן.
הטמפרטורה והלחות של התקשורת גדלה בטבלת thermogradient חייבים להיות פיקוח מתמיד על מנת להשיג את תנאי ניסוי הרצויים. לפני השתילה, האמבטיות המחזוריות צריכות להיות מוגדרות מעט מתחת למינימום הרצוי ומעט מעל טמפרטורות מקסימום מ מותאמת עד הדגימות הגיעו טמפרטורות הניסוי הרצויות. כ -24 שעות צריכות להיות מותרות על הדגימות כדי תרמית לאזן עם שולחן השיפוע. תכולת הלחות של הדואר מצעי גידול צריכות להספיק (70-80% של קיבולת שדה) עבור נביטת זרעים או תהליכים ביולוגיים אחרים כדי להמשיך. בידוד השולחן והמכסים כפולים להפחית תנודות טמפרטורה ומי אידוי כאשר במקום.
התוצאות בטבלה 1 ולהשוות גידול שתיל של 4 מינים בטמפרטורות שונות. הצמיחה של זרעי מלון ועגבניות החלה בשעה 15 ° C ו- מונבטים היטב ב 40 מעלות צלזיוס להסביר מדוע הם מאופיינים חם לעונה יבולים 10. בניגוד לכך, חסה מונבטת מיטב בטמפרטורות נמוכות. זרע שיבולת שועל מונבטים על פני טווח רחב של טמפרטורות מאשר מינים אחרים (טבלה 1). בעוד תוצאות דומות ניתן להשיג באמצעות סדרה של תאי גידול סדרת ניסויים מתואמים, העיצוב לעיטור מאפשר הוא נביטה וצמיחת שתיל כדי להשוות על פני טווח של טמפרטורות קרקע בו זמנית. קרקעות בתחום אחרות או גדלתקשורת עשויה להיות תחליף לדמות מגוון של תנאי שטח. טיפולים מיקרוביאלית או כימיים, משטרים דשנים, מתח בצורת, וריאציות בסביבת אור ניתן להטיל על פני טמפרטורות על שולחן השיפוע.
Dataloggers הקטנה נרשמה טמפרטורה בתפקידים שונים על השולחן. נתוני טמפרטורות הראו, טמפרטורות אחידות יחסית באמצע השולחן עם וריאציה יותר, במיוחד בסוף החמים. מיצוב חוטבי עצים במגע עם משטח השולחן חשוף לאוויר על פני הקרקע מודגשת סביר הקצוות. טמפרטורות שנרשמו במיקום המרכז היו כנראה יותר מעידות על תנאי קרקע בתפזורת. לדוגמא, זרע שנזרע באדמה על שולחן השיפוע בין gussets לדמות נטיעת שדה ייחשף רק טמפרטורת קרקע בתפזורת ולא דרך האוויר או דרך טמפרטורת פני שולחן. תכולת הלחות והמרקם של אדמה ממלאת תפקיד בקביעה בטמפרטורות שולחן. אם האדמת דואר יבשה, במרחבים אוויריים להתנגד לשינוי טמפרטורה אינו מוליכים ביעילות חום מן gussets. באדמה לחה יש כמה מקומות אוויר ומים נוזליים יותר לנהל חום ביעילות דרך פרופיל האדמה. בניסוי זה, קרקע נשמרה ב 70 עד 80% של יכולת ספיחת מים המקסימלית שלה אבל תכולת מים גבוהה יותר עשויה צמצם וריאצית טמפרטורת קרקע. יש חול כמו נקבוביות גדולות פחות מ קרקעות עם חומר אורגני גבוה וכך יהיה צפוי לספק בטמפרטורות אחידות יותר.
ציינו כי היו הבדלים גדולים יותר טמפרטורת קרקע בסוף החם של השולחן לעומת הסוף הקר. הסבר אפשרי אחד טמון בחלוקת הלחות מעבר לשולחן. לחות נוטה להישמר הסוף הקר, ואילו הקצה החם נוטה להתייבש בגלל הפסדי אוויר גדולים. מאז מים מסייעי חום התנהגות, חשוב כי תכולת הלחות של הטבלה להיות אחיד ככל האפשר. אל ווב et. 9 השתמשו blottאה נייר לנהל מים על פני שולחן thermogradient דרך פעולה נימי, בעוד עיתון עבד גם אלטרנטיבה זולה יותר בטבלת thermogradient gusseted. למרות gussets היו מרופד בנייר הידרופילי להוסיף הפצה לחה, שמירה הוא מגניב קצוות חמים אחיד רטוב הוא מאתגר.
אידוי מהיר בטמפרטורות גבוהות מתרחש על כל עיצובי שולחן השיפוע. עיבוי הוא לעתים קרובות בעיה כאשר ניסויים מיכל נערכים על שולחן שיפוע בטמפרטורות הרבה מעל הסביבה כי החלק התחתון של המיכל הוא חם יותר מאשר העליון גרימת מים לאסוף בצד הפנימי של המכסה קריר. בניסויים אדמה על השולחן gusseted, המים מתאדים מן שכבות הקרקע העליונות באוויר מעל בטבלה gusseted. אם הקרקע רטובה מאוד, הפסדים אויר בסוף החם של השולחן עשויים להתעבות על המכסה פנימי-אקריליק הקריר. נוח חתיכות הדוקות של אקריליק או בידוד פוליסטירן ישירly על גבי gussets ממזער החליפין אדי עם המרחב האווירי מעל השולחן שמירה על הקרקע יותר אחיד לח טמפרטורה קבועה (מידע לא מוצג). כאשר השולחן היה מכוסה בידוד פוליסטירן, וריאציה הטמפרטורה היתה רק מ -1 ל -2 מעלות צלזיוס דרך הפרופיל אדמה על טמפרטורה קיצוניים (מידע לא מוצג). עם זאת, בידוד פוליסטירן מונע שתילים מפני מתעוררים ויש להסירן לאחר השעה הראשונית של דגירה לצמיחה מנתחת. פתרון נוסף כדי למנוע התייבשות מהירה של קרקעות חמות הוא להוסיף מים יותר מעדיפים עד הסוף החם כדי לפצות על הפסדים אויר. יד השקיה היא בעייתית משום המכסים חייבים להיות מורחקים כרכים שבבקשה פחות מדויקים. קרינת מיקרו השקייה יכול להיות מתוכנן על שולחן שיפוע ויכול להיות מותאם ליישם מועדף יותר מים עד הסוף חם.
יש שולחנות Thermogradient את הפונקציונליות ואת פוטנציאל לשמש תאי גידול חלופיים. when היא האמבטיות נקבעות אותו הדבר, השולחן equilibrates לטמפרטורה ניסיונית אחת עבור יישומים בם שיפוע אינו נדרש. תנודות יום ולילה אור והטמפרטורה יכולות גם להיות מדומה באמצעות אמבטיות לתכנות במחזור LED לגדול אורות. אכלוס הצד הפנימי של העפעפיים עם LED לגדול אורות יכולים להגדיל עוצמת תאורה. הנורית לגדול אורות קלט חום מינימאלי למערכת ולא להפריע השיפוע משום שטמפרטורות אדמה דומות נרשמו עם אורות לסירוגין (מידע לא מוצג). התוספת של אורות מאפשרת גידול צמחים ובקרה סביבתית גבוהה יותר.
שולחנות Thermogradient שימשו בעיקר על ידי תעשיית הזרעים ללימודי הנביטה בעבר, אך יישומים רבים אחרים אפשריים. התנהגות חרקים נחקרה על שולחן שיפוע לקבוע Optima הטמפרטורה של התנהגויות מסוימות 11. קרח אפשר להקפיא על משטח שולחן שיפוע לתופעות בדיקות בזמן t הקפואemperatures (מידע לא מוצג). חילוף גזים בין האדמה והאווירה, כולל אבולוצית פחמן דו חמצני, אפשרי על שולחן שיפוע gusseted על תכני מים שונים, תשומות אדמה, וטמפרטורות. לימוד השפעות של התפתחות חיידקים ופטריות בסוגים שונים של מדיה על פני טווח של טמפרטורות אפשר גם עם מערכת זו ניסיוני.
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).
