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Environment

Una tabella soffietto Thermogradient di controllo della temperatura del suolo per la valutazione di crescita delle piante e monitoraggio processi del suolo

Published: October 22, 2016
doi:
10.3791/54647
, ,
1Department of Horticulture,Virginia Polytechnic Institute and State University, 2Department of Plant Production, Faculty of Agriculture,Jordan University of Science and Technology

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

Tavoli Thermogradient non sono nuovi e il loro uso sono stati riportati in letteratura diversi decenni 1-6. I primi tavoli sono stati sviluppati apparentemente per i semi di laboratorio di analisi di germinazione spesso su supporto cartaceo in un ampio intervallo di temperature in un singolo esperimento (Figura 1). Ci sono diversi modelli di tavoli thermogradient ma uno dei più comuni è costituito da un relativamente spesso foglio rettangolare di metallo, spesso in alluminio per la sua resistenza alla corrosione, con un anello di tubo quadrato saldato al fondo in corrispondenza di estremità opposte. Tubi di plastica collegano la tabella interna ed uscita tubi a temperatura controllata, bagni che pompano fluido raffreddato e riscaldato attraverso i tubi agli estremi opposti sotto la tabella circolante. Il tubo conduce miscela fluida, di solito un acqua-antigelo (glicole etilenico), per impedire il congelamento se il sistema deve funzionare vicino o temperature sotto zero. Un altro motivo è quello di saldare le strisce di metallo insieme al cremangiato un serbatoio di fluido ad ogni estremità del tavolo con ingressi ed uscite per la circolazione di soluzioni caldi e freddi su entrambe le estremità. I bagni di circolazione possono essere posizionati sul pavimento sotto il tavolo o su un tavolo giustapposta separata. Tavoli thermogradient elettrici con batterie di riscaldamento e / o moduli di raffreddamento Peltier sono stati costruiti ma i problemi di costo elevato, le sfide che generano basse temperature costanti e affidabilità hanno impedito l'uso commerciale diffusa 8.

I disegni fluidi circolanti passivamente creare un gradiente monodimensionale tramite conduzione termica. Se la piastra di alluminio è di forma e spessore uniformi e adeguatamente isolato, calore fluisce uniformemente dal caldo al fine freddo di una tabella di stabilire un gradiente di temperatura continuo unidimensionale, seguendo la seconda legge della termodinamica 7. Il gradiente attraverso la superficie è una funzione della lunghezza della tavola e le differenze tra le temperature finali. Il tavolo e plumbing sono di solito alloggiato in una custodia isolante con coperchio per l'accesso. La custodia isola la tabella dall'ambiente circostante, creando un gradiente uniforme su tutta la superficie con piccole variazioni di temperatura. Il contenitore coibentato può essere supportato da gambe o posto su una superficie piana, come un tavolo o banco. Per le applicazioni in cui è necessario il controllo della temperatura uniforme senza una sfumatura, una tabella può essere impostato per produrre condizioni isotermiche se entrambe le estremità circolare fluido alla stessa temperatura.

Quando la tabella gradiente funziona correttamente, piastre di Petri, sacchetti di plastica sigillati, contenitori a fondo piatto, ecc, sono posti sulla superficie e termo-equilibrare a varie temperature (Figura 1). La temperatura sperimentale in ogni contenitore dipende spazi aerei che possono esistere tra la proprietà isolanti di ogni contenitore contenitore e la superficie del tavolo e lo spessore e. La tabella di pendenza mantiene efficacemente campione TEmperatures vicino alla superficie, ma il controllo viene perso sopra la superficie. La mancanza di controllo di temperatura verticale limita i tipi di esperimenti possibile su un tavolo gradiente tradizionale.

strisce di alluminio o tasselli sono stati aggiunti al tradizionale disegno tavolo gradiente per migliorare il controllo della temperatura al di sopra della superficie del tavolo. Fazzoletti sono stati saldati ad intervalli perpendicolare alla superficie del tavolo. I soffietti facilitano il flusso di calore convettivo verticalmente sopra la superficie del tavolo piatta. I campioni poste tra soffietti, hanno superfici a temperatura regolata su tre lati che forniscono il controllo della temperatura più efficace. Clegg e Eastin 2 posizionati sabbia di quarzo su una superficie del tavolo sfumatura per creare il controllo della temperatura in profondità. Clegg e Eastin 2 anche sperimentato con l'immissione di isolamento sulla parte superiore della tabella. Webb et al. 9 collocati tubi riempiti con terreno su un tavolo in uno sforzo maniera uniforme temperatura di controllo.

Il nuovo tadisegno ble riportato qui ha nove 7,6 cm (3 pollici) alti soffietti (strisce di alluminio) che sono saldati alla superficie sulla lunghezza della tabella (Figura 2). apparecchiature a LED che emettono fotosinteticamente attiva frequenze sono installati sui lati del tavolo per sostenere la crescita piantina quando il tavolo è chiuso. Il contenitore isolante per la tabella thermogradient soffietto è costruito con un bianco pannelli in PVC che sono l'acqua, ordito e resistente alle rotture. Lo scopo di questo lavoro è quello di descrivere il nuovo design tavolo pendenza soffietto e possibili applicazioni.

Protocol

1. Preparazione delle Terme di circolazione e Tabella Acquisire due bagni circolanti di serbatoi che pompano almeno 10 L / min per il controllo della temperatura ad ogni estremità del tavolo thermogradient. NOTA: Uno dei bagni circolanti devono refrigerare il serbatoio, mentre l'altro ha bisogno solo di calore. Ispezionare bagni in circolazione per assicurarsi che i loro filtri e serbatoi siano puliti. Identificare un percorso per la tavola e bagni. Posizionare i bagni sotto il tavolo finché la pompa può circolare il fluido attraverso la tabella di cui sopra. Inserire la tabella gradiente ad un'altezza conveniente rimuovere coperchi e raggiungere tutte le posizioni sulla superficie. NOTA: La posizione per la tavola e bagni deve essere ben ventilato, privo di temperature estreme, relativamente privo di polvere, e avere accesso ai circuiti elettrici per alimentare adeguatamente i bagni e sistema di illuminazione. Riempire ogni bagno all'inizio del serbatoio con una miscela di acqua e antigelo (1: 1ratio) per migliorare lo scambio termico e prevenire il congelamento. NOTA: La concentrazione di antigelo dipende dalle specifiche bagno e la temperatura della soluzione. Alte concentrazioni di antigelo non sono tenuti a meno che le temperature inferiori allo zero vengono generati. antigelo puro può danneggiare alcune pompe bagnomaria. Collegare gli ingressi e le uscite dei bagni con tubo flessibile per i tubi di scarico e di aspirazione sul tavolo rispettivamente, per creare un modello di flusso continuo ad entrambe le estremità calde e fredde contrapposte del tavolo. Utilizzare tubi di plastica flessibili con pareti spesse con pareti anelastici che non espandere sotto pressione o kink quando piegato. Utilizzare un colletto-vite, fascette ai raccordi per mantenere un collegamento privo di gocciolamento quando il sistema è sotto pressione. Avvolgere il tubo di circolazione con tubo di isolamento in schiuma per ridurre lo scambio termico con la circonda. Con le valvole dei tubi aperti, girare momentaneamente le pompe di circolazione per controllare eventuali perdite e tubi crollatoche possono ridurre il flusso. Regolare morsetti a vite, se si verificano perdite. Controllare apparecchi di illuminazione per assicurarsi che funzionino correttamente. 2. Preparazione del Tavolo per Sperimentazione Foderare il fondo del tavolo thermogradient tra soffietti con materiale idrofilo come capillare serra stuoie, asciugamani di carta, o un giornale nonglossy per distribuire l'acqua in modo più uniforme. Riempire il tavolo in modo uniforme con un substrato di coltivazione al di sotto o anche con le cime delle soffietti. Riporre il crescente supporto abbastanza saldamente per rimuovere sacche d'aria che interferiscono con equilibrio di temperatura. NOTA: il suolo nativo può anche essere usato. Con l'ingresso tavolo e valvole tubi uscita aperta, attivare la vasca di circolazione impostando un bagno ad una temperatura di 5 ° C al di sotto e la vasca opposta ad una temperatura di 5 ° C sopra la temperatura massima desiderata (da 5 a 40 ° C) minimo e, rispettivamente, per tenere conto di perdite di calore e di guadagno durante la circolazione. Monitor bagni serbatoio e aggiungere una miscela di acqua e antigelo (glicole etilenico) come necessario quando i livelli cadono come soluzione circolante riempie i tubi nella tabella. Regolare la temperatura del bagno fino a quando le crescenti temperature multimediali desiderati (da 5 a 40 ° C o altre temperature sperimentali desiderato) vengono raggiunti sul tavolo gradiente. NOTA: l'esatta temperatura si ottiene attraverso un processo iterativo di misurare la crescita della temperatura media e la regolazione dei bagni fino a quando le temperature desiderate substrato di coltivazione sono raggiunti attraverso il tavolo. datalogger di temperatura posto in diverse posizioni sul tavolo di registrare le temperature dei media o del terreno di crescita durante un esperimento. I datalogger consigliati sono di dimensioni simili a una miniatura della batteria rotonda wafer. Avvolgere i datalogger in Parafilm per evitare danni d'acqua e posto in posizioni sperimentali nei media in crescita. Bagnare i substrati di coltivazione in modo uniforme al 70-80% della capacità massima di trattenere l'acquadei mezzi di comunicazione. terreni Wetter conducono il calore in modo più efficiente tra i soffietti. NOTA: L'acqua tende ad evaporare più rapidamente dall'estremità calda del tavolo, così le applicazioni più frequenti possono essere necessari per sostituire le perdite per evaporazione. Il numero massimo di ritenzione idrica è la quantità di acqua trattenuta nei mezzi crescere dopo la saturazione e drenaggio di acqua gravitazionale per 2 giorni in un contenitore con un fondo forato. Il contenuto di umidità è stata determinata gravimetricamente prima e dopo essiccamento in stufa a 105 ° C per 72 ore. Lasciare che il tavolo si stabilizzi per 24 ore al fine di garantire le temperature desiderate (da 5 a 40 ° C) siano stati raggiunti nel corso prima di iniziare un esperimento. Inclinare il tavolo regolando i piedi ad ogni angolo fino al tavolo pendii molto leggermente verso l'angolo con lo scarico. Questo rimuove l'umidità in eccesso, previene le macchie bagnate sul tavolo, e incoraggia il contenuto di umidità uniforme dei media. Posizionare un contenitore sotto lo scarico per la cattura di deflusso. <li> Semi di piante a crescita media e acqua al giorno o come necessario per mantenere supporti umidi. NOTA: Per fare un esempio di come può essere condotta test di germinazione, abbiamo piantato 25 semi di pomodoro (. Solanum lycopersicum L. cv Leggenda), melone (Cucumis melo cv Hales migliore Jumbo.), Lattughe (Lactuca sativa L. cv Nero Testa di serie. Simpson), e avena (Avena sativa L. cv Swan) 2 cm di profondità. Contare il numero di piantine emerse giornaliera per calcolare il tempo medio di emergenza secondo l'equazione:   Σ (n I xt i) MTE = ————- Σ (n i) NOTA: Dove n <sub> i è il numero di semi emerse al tempo t i; t è il numero di giorni dall'inizio della comparsa; e Σ n i è il numero totale di semi emerse. 3. Utilizzo del Tabella Thermogradient Dopo aver regolato i bagni alle temperature desiderate, sostituire i due coperchi thermogradient tavolo, i coperchi trasparenti foglio interno-acrilici ed un coperchio più consistente di cloruro di polivinile (PVC) isolamento in polistirolo, per racchiudere il tavolo. Entrambe le coperture in essere forniscono le migliori proprietà isolanti per ridurre il calore e la perdita di acqua durante i test. NOTA: Se la luce ambiente o illuminazione ausiliaria è montato sopra la tabella, solo il coperchio interno può essere usato per trasmettere la luce. Togliere il coperchio esterno per controllare la tabella attraverso le palpebre interno-acrilici. Togliere il coperchio interno temporaneamente per aggiungere acqua o altri ingressi, la temperatura di controllo, o di registrare i dati. NOTA: A temperature più elevate, l'acqua evapora rapidamente dal terreno umido e Condenses sul fondo del coperchio interno perché la superficie è più fredda. Monitorare il sistema a stretto contatto durante gli esperimenti per interruzioni di corrente, guasti da bagno, perdite o fluttuazioni eccessive temperature di tabella. Monitorare il livello del serbatoio vasca e periodicamente aggiungere liquido per sostituire perdite per evaporazione.

Representative Results

Contenitori poco profondi, come piastre di Petri, possono essere posizionati su un tradizionale tavolo gradiente unidimensionale così gli effetti di più temperature sperimentali possono essere valutati simultaneamente (Figura 1). Per aumentare la diversità di applicazioni di ricerca disponibile in una tabella thermogradient, 7,6 cm (3 pollici) soffietti alluminio alti stati stitch saldate alternativamente su entrambi i lati in modo che ogni tassello significa perpendicolare alla superficie 10,9 cm (4,2 pollici) di distanza in intimo contatto con la superficie (Figura 2). Mentre una vasta gamma di distanze tassello sono possibili, 10,9 cm è stata scelta per accogliere scatole quadrate plastica "sandwich" o contenitori simili dimensioni spesso utilizzati per testare la germinazione del seme specie piccole o altri campioni biologici (Figura 3). A differenza di un tavolo pendenza piatta convenzionale, il design tassello accomoda terreni e altri materiali friabili amorfi per tempera controllataesperimenti ture. Per rimuovere l'acqua in eccesso, un foro di scarico schermato e filtrato è stato costruito in un angolo. Spessori o "piedi" ad ogni angolo possono essere regolati per inclinare la tavola per facilitare il drenaggio per gravità. Un piccolo spazio tra le estremità a soffietto e l'esterno del tavolo permette all'acqua di scorrere lungo un lato al drain angolo. Temperature del terreno sono state misurate a 70-80% di umidità terreno dopo i bagni erano circolate a temperatura costante per 24 ore con i coperchi in posizione (figura 4). La variazione di temperatura misurata dopo un periodo di equilibratura 12 ore a quattro diverse posizioni attraverso il tavolo era 0,4 ° C o inferiore (Figura 4). Variazione delle temperature profilo del suolo misurata a tre profondità del suolo è stata superiore agli estremi. Ad una temperatura obiettivo di 13 ° C, datalogger posti sulla superficie di alluminio tra soffietti registrato una media di 11,0 ± 0,0 ° C. logger placed sulla superficie del suolo in media 13,5 ± 0,1 ° C. La temperatura del suolo media complessiva a tutti i tre livelli per la temperatura nominale di 13 ° C è stato del 12,3 ± 0,1 ° C. Ad una temperatura obiettivo di 18 ° C, la temperatura media durante il profilo del terreno era 19,1 ± 0,1 ° C. Variazione alla temperatura nominale di 23 ° C è superiore a 18 ° C con una media di 23,8 ± 0,2 ° C. All'altro temperature estreme, 29 ° C, la temperatura della superficie di alluminio tavolo era 30,8 ± 0,2 ° C, mentre la temperatura della superficie del terreno era 25,7 ± 0,4 ° C. La temperatura del terreno media complessiva a 29 ° C era 28,2 ± 0,3 ° C (Figura 4). specie di sementi possono essere testati per le loro temperature ottimali di germinazione e crescita piantina su un tavolo thermogradient con soffietti. Pomodoro e melone, entrambe le colture calda stagione considerati, germinati in un range 14,1-40.2 ° C (Tabella 1, Figura 3). Array di LED montati nei coperchi di tabella e / oi lati emettono spettro fotosintetico consentendo piante di crescere nel suolo a temperature sperimentali suolo quando la tabella è racchiuso (Figura 3). Crescita delle piantine ottimale per pomodoro verificato a 29,6 ° C con una percentuale di emergenza di 100% e un tempo medio di comparsa di 5,3 giorni (Tabella 1, Figura 5). Emersione era più lento in altri temperature. Per melone, la percentuale emergere ottimale era 96% e il tempo medio di nascita era 5,1 giorni entrambi a 24,7 ° C (Tabella 1). Sia lattuga e avena sono considerate colture della stagione fredda. Avena semi germinati su una gamma da 5.1 al 40.2 ° C più ampio di qualsiasi seme testato (Tabella 1, Figura 5). Per avena, la percentuale emergere più alta è stata del 100% a 24,7 ° C e l'emersione veloce era 3,4 giorni a 29,6 ° C (Tabella 1, <strong> Figura 5). Per la lattuga, emergere è stata osservata in un range di 5,1-29,6 ° C. Per lattuga, la percentuale emergere più alta è stata del 100% a 24,7 ° C e l'emersione veloce era 3,4 giorni a 29,6 ° C (Tabella 1). Figura 1: Una tabella thermogradient piatto tradizionale con i coperchi isolati rimossi ma con un coperchio che copre acrilica interna ½ tabella I Tavolo piatto prove di progettazione effetti della temperatura su campioni in contenitori poco profondi.. Il controllo della temperatura del gradiente viene rapidamente persa a distanze di sopra della superficie poiché non vi è alcuna barriera di miscelazione dell'aria. Gli esperimenti che richiedono una temperatura costante in profondità non sono fattibili con questo disegno. Cliccate qui per vedere a laVersione rger di questa figura. Figura 2: Schema di una piastra thermogradient con soffietti Fazzoletti sono Stitch saldati longitudinalmente attraverso la tavola perpendicolare alla superficie.. Una fuga in un angolo di rimuovere l'acqua in eccesso. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 3:. Illuminato tavolo thermogradient con soffietti riempiti con terriccio, zolle, e contenitori per esperimenti di germinazione del seme Il gradiente in questa tabella è impostata da sinistra (fine caldo) a destra (fine freddo). Mentre il disegno tassello è stato sviluppato per l'uso con terreno, contenitoripuò essere collocato tra i soffietti per gli esperimenti con piccoli campioni. La pianta principale coltiva le luci possono essere montati nei coperchi o periferia e emettono fotosinteticamente frequenze attive e consentire alle piante di essere coltivate all'interno della custodia. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 4. Le letture di temperatura da diverse posizioni del suolo su un tavolo thermogradient soffietto. Logger di temperatura sono stati collocati nel terreno attraverso il tavolo alla parete sinistra, il centro sinistra (20 cm dalla parete di sinistra), centro destra (40 cm dalla parete di sinistra) , ea metà strada tra parete destra soffietti. posizionamento inferiore del registratore di temperatura era vicino alla superficie del tavolo in alluminio 8 cm al di sotto della parte superiore del terreno, mentre il posizionamento centro era approximatEly 4 cm sotto il suolo. logger di temperatura posizionato sulla parte superiore del terreno sono stati scoperti. Valori superiori a barre indicano le temperature medie globali ± errore standard della media (n = 72). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 5:. Piantine di avena e pomodoro coltivate per 14 giorni su thermogradient tavole oltre un intervallo di temperatura da 5 a 40 ° C L'immagine illustra come la germinazione e la crescita delle piantine di specie diverse possono essere valutati nel suolo contemporaneamente su una gamma di temperature in un singolo esperimento per simulare condizioni di campo. Top (sinistro e destro) immagini mostrano il tavolo thermogradient se visto in verticale. Bottom (sinistra e destra) immagini mostrano la tabella in orientamento orizzontale. alcohol termometri sono stati collocati nel terreno per monitorare rapidamente temperature durante l'esperimento. Temperatura target La temperatura misurata Pomodoro Melone Lattuga Avena EM † MTE †† EM MTE EM MTE EM MTE ° C ° C % giorni % giorni % giorni % giorni 5 5.1 0 0.0 0 0.0 78 11.4 46 12,7 10 </td> 8.7 0 0.0 0 0.0 92 7.5 58 12.5 15 14.1 100 10.8 16 13.8 68 5.9 96 7.2 20 19.8 100 7.2 84 7.5 66 6.5 100 5.4 25 24.7 100 6.0 96 5.1 22 8.1 100 3.7 30 29.6 100 5.3 92 5.5 4 12.5 98 3.4 35 36.1 94 7.0 92 4.4 0 0.0 94 4.5 40 40.2 72 7.8 88 5.1 0 0.0 10 8.2 † emergere di successo (EM) è stato segnato quando piantine avevano almeno un cotiledone aperta. †† tempo medio di comparsa (MTE) è stato calcolato sommando il prodotto dei semi numerici emersi ogni giorno per il numero del giorno e dividendo per il numero totale di semi emersi per ogni trattamento. Tabella 1: Germination di pomodoro, melone, lattuga e avena semi nel suolo a otto temperature su una tabella Thermogradient. numeri in grassetto i valori ottimali per ogni specie e illustrano la dipendenza dalla temperatura di diverse specie coltivate. L'esperimento è stato condotto per 14 giorni in invasatura mix e il supporto è stato innaffiato tutti i giorni o come necessario per mantenere il suolo visibilmente umida. I dati si basano su 25 semi per ciascuna specie.

Discussion

tavoli Thermogradient sono stati utilizzati per molti anni per lo svolgimento principalmente esperimenti di germinazione di semi in contenitori poco profondi in un intervallo di temperature contemporaneamente. Tuttavia, le temperature sperimentali sono limitate alla superficie tavolo così la profondità di controllo della temperatura è limitata. protocolli di prova Seed condotte sui tavoli gradiente tradizionali terminano con radichetta emergere su supporto cartaceo in piastre di Petri o altri contenitori piatti e non realisticamente prova piantina nascita e la crescita come avverrebbe naturalmente nel suolo. aziende sementiere Oggi spesso desiderano valutare il vigore del seme (la capacità di germogliare in condizioni non ottimali) con condizioni di campo simulate che i coltivatori probabilmente verificarsi dopo la piantagione. analisi del terreno espone anche i semi per funghi e pressioni malattia batterica non comuni in prove di germinazione di laboratorio standardizzati su supporti fuori suolo. Quando il suolo è posto su un tavolo non soffietto piatto, ampie variazioni di 5 ° C o più noiNon ri raro tra le posizioni nel profilo del suolo e le superfici da tavolo (risultati non pubblicati).

Una tabella gradiente monodimensionale con soffietti stato sviluppato per migliorare il controllo della temperatura verticale in modo che il suolo potrebbe essere utilizzato in prove di germinazione e altri esperimenti dove il controllo accurato della temperatura del suolo è critica. I soffietti limitano terreno o substrato di coltura sintetici e controllo della temperatura in profondità. I soffietti sono in alluminio, lo stesso materiale del tavolo, e quando saldate perpendicolarmente alla superficie prevedono il controllo della temperatura dello spazio tra dal trasferimento di calore conduttivo. I tasselli possono essere orientati longitudinalmente lungo il tavolo o nel senso della larghezza dall'altra parte del tavolo. Entrambi i modelli comportano in modo simile ma l'orientamento nel senso della larghezza tassello è conveniente perché lo spazio tra soffietti può servire come un'unica temperatura sperimentale quando il gradiente è regolato correttamente. Orientamento orizzontale permette unità sperimentali (semi in questo esempio) per essere distanziati di unattraversare la tavola in una linea uno accanto all'altro. spaziatura tassello può essere variata solo durante la produzione perché soffietti sono saldati in luogo di posizionamento in modo alternativa non può essere testato volta che la costruzione è stata completata tavolo. Una distanza tassello di 10,9 cm è stato scelto per ospitare contenitori poco profondi, spesso utilizzati per il controllo delle sementi in aggiunta al terreno. spaziatura tassello Closer può fornire un migliore controllo della temperatura ma limita i tipi di contenitori che possono essere utilizzati sulla tabella.

La temperatura e l'umidità dei Substrati nella tabella thermogradient devono essere continuamente monitorati per realizzare le condizioni sperimentali desiderati. Prima di piantare, i bagni circolanti devono essere impostati leggermente inferiore alla minima desiderata e leggermente sopra le temperature massime di regolata finché i campioni hanno raggiunto le temperature sperimentali desiderati. Circa 24 ore dovrebbe essere consentito per i campioni di termica Equilibrare la tabella di gradiente. Il contenuto di umidità the substrati di coltivazione dovrebbe essere sufficiente (70-80% della capacità di campo) per la germinazione dei semi o altri processi biologici per procedere. L'isolamento tavolo e doppi coperchi riducono fluttuazioni di temperatura e l'evaporazione dell'acqua quando al suo posto.

I risultati in tabella 1 confronta la crescita piantina di 4 specie a diverse temperature. La crescita di melone e pomodoro semi iniziato a 15 ° C e germinato bene a 40 ° C che spiega il motivo per cui sono caratterizzati come stagione calda colture 10. Al contrario, lattuga germinato migliore alle basse temperature. Di semi di avena germogliato su una gamma più ampia di temperature rispetto alle altre specie (Tabella 1). Mentre risultati simili possono essere ottenuti utilizzando una serie di camere di crescita in una serie di esperimenti coordinati, il design tassello consente sia la germinazione e la crescita delle piantine da confrontare in un intervallo di temperatura del suolo contemporaneamente. terreni campo diverso o in crescitamedia possono essere sostituiti per simulare una gamma di condizioni di campo. Microbica o trattamenti chimici, i regimi di fertilizzanti, stress idrico, e le variazioni di luce ambiente possono essere imposti attraverso le temperature sul tavolo gradiente.

I piccoli datalogger registrati temperatura in varie posizioni sul tavolo. I dati di temperatura mostrato, temperature relativamente uniformi al centro del tavolo con maggiore variazione, in particolare alla fine calda. Posizionamento logger in contatto con la superficie del tavolo ed esposta all'aria sulla superficie del suolo presumibilmente accentuato gli estremi. Le temperature registrate nella posizione centrale erano probabilmente più indicativo delle condizioni del suolo alla rinfusa. Ad esempio, un seme piantato nel terreno sul tavolo gradiente tra soffietti per simulare campo semina sarebbe esposto solo temperatura del terreno rinfusa e non l'aria o la temperatura superficie del tavolo. Il contenuto di umidità e la consistenza del suolo svolge un ruolo nel determinare le temperature di tabella. Se esimoe terreno è asciutto, spazi aerei resistono al cambiamento di temperatura e non conducono efficacemente il calore dai soffietti. terreno umido ha pochi spazi d'aria e acqua più liquido per condurre efficacemente il calore attraverso il profilo del terreno. In questo esperimento, il suolo è stata mantenuta a 70 e l'80% della sua massima capacità di ritenzione idrica, ma più alto contenuto d'acqua potrebbe essere ridotta variazione di temperatura del suolo. Sand ha come un minor numero di grandi spazi dei pori di terreni ad elevata sostanza organica e, quindi, ci si aspetterebbe di fornire le temperature più uniformi.

C'era maggiore variazione di temperatura del suolo alla fine calda della tabella rispetto alla estremità fredda. Una possibile spiegazione sta nella distribuzione dell'umidità attraverso il tavolo. L'umidità tende ad essere mantenuta nella estremità fredda, mentre l'estremità calda tende a seccarsi a causa di maggiori perdite per evaporazione. Poiché l'acqua aiuta la dispersione termica, è importante che il contenuto di umidità della tabella sia il più uniforme possibile. Webb et al. 9 utilizzati Blottcarta ER per condurre l'acqua attraverso un tavolo thermogradient tramite un'azione capillare, mentre il giornale ha funzionato bene come un'alternativa meno costosa nella tabella thermogradient soffietto. Anche se soffietti sono stati rivestiti con carta idrofila per aggiungere distribuzione dell'umidità, mantenendo sia il fresco e le estremità calde uniformemente bagnato è impegnativo.

Una rapida evaporazione alle alte temperature si verifica su tutti i modelli da tavolo gradiente. Condensa è spesso un problema quando gli esperimenti sono condotti contenitore su un tavolo gradiente a temperature molto sopra ambiente perché il fondo del contenitore è più caldo superiore causando acqua per raccogliere sul lato interno del coperchio radiatore. In esperimenti di suolo sul tavolo a soffietto, l'acqua evapora dagli strati superiori del suolo in aria sopra nella tabella a soffietto. Se il terreno è molto umido, perdite per evaporazione a fine calda della tabella si possono condensare sul coperchio interno acrilico raffreddamento. Riposo pezzi attillati di acrilico o isolanti in polistirene direttaly sopra dei tasselli minimizza scambio vapore con lo spazio aereo sopra la tabella mantenendo il terreno più uniformemente umido e temperatura costante (dati non mostrati). Quando il tavolo era coperto con isolamento polistirene, variazione di temperatura era solo dal 1 a 2 ° C attraverso il profilo del suolo alle temperature estreme (dati non mostrati). Tuttavia, isolanti in polistirene impedisce piantine da emergenti e deve essere rimosso dopo l'ora iniziale di incubazione per la crescita analisi. Un'altra soluzione per evitare una rapida essiccazione dei suoli caldi è aggiungere preferenzialmente più acqua al fine calda per compensare le perdite per evaporazione. irrigazione a mano è problematico perché i coperchi devono essere rimossi e volumi di applicazione sono meno precisi. emettitori Micro-irrigazione possono essere progettati su un tavolo gradiente e possono essere regolati per applicare preferenzialmente più acqua al fine calda.

tavoli Thermogradient hanno la funzionalità e la possibilità di servire le camere di crescita come alternative. When entrambi i bagni sono impostati lo stesso, il tavolo equilibra a singola temperatura sperimentale per applicazioni dove non è richiesto un gradiente. Giorno e notte la luce e sbalzi di temperatura possono anche essere simulati utilizzando i bagni circolanti programmabili e LED coltiva le luci. Popolando gli interni dei coperchi con LED coltiva le luci possono aumentare l'intensità di illuminazione. Il LED coltiva le luci di ingresso minima di calore nel sistema e non ha interferito con il gradiente perché le temperature del suolo simili sono stati registrati con luci e si spegne (dati non riportati). L'aggiunta di luci consente la crescita delle piante e un maggiore controllo ambientale.

tavoli Thermogradient sono stati utilizzati principalmente dall'industria seme per studi germinazione in passato, ma molte altre applicazioni sono possibili. Comportamento degli insetti è stato studiato su un tavolo sfumatura per determinare la temperatura optimum di certi comportamenti 11. Il ghiaccio può essere congelato su una superficie del tavolo di pendenza per i fenomeni di test a sotto zero temperatures (dati non mostrati). Lo scambio di gas tra il suolo e nell'atmosfera, compresa l'evoluzione anidride carbonica, è possibile in un tavolo gradiente soffietto a diversi contenuti di acqua, ingressi suolo e temperature. Studiando effetti della crescita batterica e fungina in diversi tipi di media in un intervallo di temperature è possibile anche con questo sistema sperimentale.

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
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Thermogradient TableTemperature ControlSoil ProcessesPlant GrowthGussetsLED LightingCirculating BathsInsulated EnclosureTemperature Gradient

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Welbaum, G. E., Khan, O. S., Samarah, N. H. A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes. J. Vis. Exp. (116), e54647, doi:10.3791/54647 (2016).
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