A Таблица складками термоградиентный для управления температуры почвы для оценки роста растений и мониторинга почвенных процессов
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
Термоградиентный таблицы не являются новыми , и их использование было в литературе в течение нескольких десятилетий 1-6. Ранние столы были разработаны якобы для лабораторных испытаний всхожесть семян часто на бумажной подложке в широком диапазоне температур , в одном эксперименте (рисунок 1). Существуют различные конструкции термоградиентных таблиц, но один из наиболее распространенных состоит из относительно толстого прямоугольного листа металла, часто из алюминия для его устойчивости к коррозии, с петлей квадратной трубы, приваренной к нижней части на противоположных концах. Пластиковые трубы соединяют таблицы Входные и выходные трубы до температуры контролируемой, циркулирующие ванны, которые качают охлажденный и нагретой жидкости через трубы на противоположных концах под столом. Труба проводит жидкость, обычно вода-антифриз (этиленгликоль) смеси, для предотвращения замерзания, если система должна работать вблизи или ниже температуры замерзания. Другой дизайн приварить полосы металла вместе с создсъел резервуар для жидкости на каждом конце таблицы с входами и выходами для циркуляции теплых и холодных растворов на обоих концах. Циркулирующие ванны могут быть расположены на полу под столом или на отдельном Сочетавший таблице. Электрические столы термоградиентный с ТЭНами и / или охлаждающих модулей Пельтье были построены , но высокая стоимость, вызовы , порождающие согласующиеся низких температур, а также надежность проблемы предотвратили широкое коммерческое использование 8.
Циркулирующие конструкции жидкость пассивно создает одномерный градиент с помощью теплопроводности. Если алюминиевая пластина имеет однородную форму и толщину и надежно изолированы, тепловые потоки равномерно от теплого к холодному концу стола , устанавливающего непрерывную одномерный температурный градиент, в соответствии со вторым законом термодинамики 7. Градиент по всей поверхности является функцией длины таблицы и разница между конечными температурами. Стол и plumbinг, как правило, размещаются в изолированном корпусе с крышками для доступа. Корпус изолирует таблицу из его окружения, создавая равномерный градиент по всей поверхности с небольшим изменением температуры. Изолированный корпус может поддерживаться ноги или на плоской поверхности, например, стол или скамью. Для применений, где контроль равномерная температура необходима без градиента, таблица может быть создана для производства изотермических условий, если оба конца циркулировать жидкость при той же температуре.
Когда таблица градиента функционирует правильно, чашки Петри, запечатанные пластиковые пакеты с плоским дном контейнеры и т.д., размещаются на поверхности и термо-уравновешивания к различным температурам (рисунок 1). Экспериментальная температура в каждом контейнере зависит от воздушных пространств, которые могут существовать между контейнером и поверхностью стола и толщины и изолирующих свойств каждого контейнера. Таблица градиента эффективно поддерживает образец тэmperatures близко к поверхности, но контроль теряется над поверхностью. Отсутствие вертикального температурного контроля ограничивает типы экспериментов возможно на традиционной таблицы градиента.
Алюминиевые полосы или клинья были добавлены к традиционной конструкции градиент стола для улучшения контроля температуры над поверхностью стола. Клиньев были сварены с интервалами перпендикулярно к поверхности стола. Клиньев облегчают конвективный поток тепла по вертикали над плоской поверхностью стола. Образцы, помещенные между клиньями, имеют с регулируемой температурой поверхности с трех сторон, обеспечивающих более эффективный контроль температуры. Клегг и Eastin 2 помещают кварцевый песок на градиент поверхности стола , чтобы создать контроль температуры в глубину. Клегг и Eastin 2 также экспериментировали с размещением изоляции на верхней части таблицы. Уэбб и др. 9 размещены трубы , заполненные почвой , на столе в попытке равномерно контрольной температуры.
Новая таBLE разработали технологию здесь имеет девять 7,6 см (3 дюйма) в высоту клиньев (алюминиевые полосы), которые приварены к поверхности по всей длине стола (рисунок 2). Светодиодные светильники, излучающие фотосинтетически активных частот установлены на боковых сторонах стола для поддержки роста проростков, когда таблица закрыта. Изолированный корпус для складками таблицы термоградиентный выполнен из белой доски из ПВХ, которые являются вода, перекос, и трещины устойчивостью. Целью данной работы является описать новый складками дизайн градиента таблицы и возможные области применения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Термоградиентный таблицы использовались в течение многих лет для проведения экспериментов в первую очередь всхожесть семян в неглубоких контейнерах в диапазоне температур одновременно. Однако экспериментальные температуры ограничены поверхности стола таким образом, глубина контроля температуры ограничена. тестирование Seed протоколы, проведенные на традиционных таблицах градиентных заканчиваются корешков, появлением на бумажной подложке в чашках Петри или других плоских контейнеров и не реально испытать всходов и роста, как, естественно, происходит в почве. Сегодня семенные компании часто хотят, чтобы оценить всхожесть семенного материала (способность к прорастанию при менее оптимальных условиях) с использованием смоделированных полевых условиях, что производители, вероятно, столкнуться после посадки. Тестирование почвы также подвергает семена грибковые и бактериальные болезни давления не распространены в стандартных тестах на всхожесть лаборатории на незапятнанный средах. Когда почва ставится на плоскую не-складчатые таблицы, большие вариации 5 ° С или больше мыповторно не редкость между позициями в профиле почвы и поверхностей столов (неопубликованные результаты).
Одномерный градиент таблица с клиньями была разработана для улучшения вертикального регулирования температуры таким образом, чтобы почва могла использоваться в всхожести и других экспериментах, где точное регулирование температуры почвы критическим. Клиньев ограничивают почву или синтетические растущих средств массовой информации и контроля температуры в глубину. Клиньев являются алюминий, и тот же материал, как столешница, и при сварке перпендикулярно к поверхности они обеспечивают контроль температуры в пространство между посредством кондуктивной теплопередачи. Клиньев могут быть ориентированы в продольном направлении вниз по столу или по ширине поперек стола. Обе конструкции выполняют так же, но ориентация ширине ластовица удобна тем, что пространство между клиньев может служить в качестве одной экспериментальной температуры, когда градиент отрегулирован. Горизонтальная ориентация позволяет экспериментальные единицы (семена в данном примере), чтобы быть разнесеныпересекать таблицу в линию рядом друг с другом. Расстояние между Gusset может изменяться только в процессе производства, так как клинья приварены на месте, чтобы альтернативное позиционирование не может быть проверено, как только конструкция стола завершена. Разносом ластовица 10,9 см был выбран для размещения неглубокие контейнеры часто используются для тестирования семян в дополнение к почве. Ближе расстояние ластовица может обеспечить лучший контроль температуры, но будет ограничивать типы контейнеров, которые могут быть использованы на столе.
Температура и влажность растущих сред в таблице термоградиентный должны постоянно контролироваться для достижения желаемых условий эксперимента. Перед посадкой, циркулирующие ванны должны быть установлены немного ниже требуемого минимума и чуть выше максимальных температур, чем скорректированных пока образцы не достигли желаемых экспериментальных температур. Примерно 24 ч должно быть разрешено для образцов для термического уравновешивания с таблицей градиента. Содержание влаги в гое растущих средств массовой информации должна быть достаточной (70-80% полевой влагоемкости) для прорастания семян или других биологических процессов для продолжения. Изоляции стол и двойные крышки уменьшают колебания температуры и испарения воды, когда на месте.
Результаты , представленные в таблице 1 , сравнить рост проростков 4 видов при различных температурах. Рост дыни и томатов семян началось при 15 ° С и проращивают также при 40 ° C объясняя , почему они характеризуются как теплый сезон культур 10. В отличие от этого, салат-латук проросшие лучше всего при низких температурах. Овес Семя проращивают в более широком диапазоне температур , чем у других видов (таблица 1). В то время как аналогичные результаты могут быть получены с использованием ряда камер роста в серии скоординированных экспериментов, конструкция ластовицы позволяет как прорастание и рост всходов, чтобы сравнить в диапазоне температур почвы одновременно. Различные полевые почвы или выращиваниеносители информации могут быть заменены, чтобы имитировать диапазон полевых условиях. Микробиологические или химические обработки, режимы внесения удобрений, засухи, а также различия в освещенности могут быть наложены по температуре на столе градиента.
Небольшие количество измерителей зарегистрированная температура в различных положениях на столе. Температурные данные показали, относительно однородную температуру в середине стола с большим разбросом, в частности, на теплый конец. Позиционирование регистраторы в контакте с поверхностью стола и подвергается воздействию воздуха на поверхности почвы, вероятно, подчеркнутый экстремумы. Температуры, записанные в центральном положении, вероятно, были более показательными насыпных почвенных условий. Например, семя, посаженное в почву на столе градиента между клиньями для имитации поля посадки будет подвергаться только объемной температуры почвы, а не воздух или температуру поверхности стола. Содержание влаги и текстуры почвы играет роль в определении температуры в таблице. Если йе почва сухая, воздушные пространства сопротивляться изменениям температуры и не могут эффективно отводить тепло от клиньев. Влажный почва имеет несколько воздушных пространств и более жидкой воды, чтобы эффективно проводить тепло через профиль почвы. В этом эксперименте почва поддерживалась на уровне от 70 до 80% от его максимальной емкости удерживания воды, но более высокое содержание воды может быть уменьшено изменение температуры почвы. Песок имеет в меньшем количестве больших порового пространства, чем почвы с высоким содержанием органического вещества и, таким образом, можно было бы ожидать, чтобы обеспечить более однородную температуру.
Был более сильному изменению температуры почвы в теплый конец стола по сравнению с холодным концом. Одним из возможных объяснений заключается в распределении влаги по столу. Влага имеет тенденцию сохраняться в холодном конце, в то время как теплый конец имеет тенденцию высыхать из-за больших потерь в виде испарений. Так как вода помогает проводить тепло, важно, чтобы содержание влаги в таблице быть как можно более равномерным. Уэбб и др. 9 использовали blottэр бумаги провести воду через стол термоградиентный с помощью капиллярного действия, в то время как газета хорошо работала в качестве менее дорогой альтернативы в складчатые таблице термоградиентный. Несмотря на то, косынки были выровнены с гидрофильной бумаги, чтобы добавить распределение влаги, сохраняя как холодного и теплого конца равномерно мокрой является сложной задачей.
Быстрое испарение при высоких температурах происходит на всех конструкциях градиент таблицы. Конденсация часто является проблемой, когда эксперименты контейнеров проводятся на градиентный столе при температурах значительно выше температуры окружающей среды, так как в нижней части контейнера, теплее, чем в верхней заставляя воду скапливаться на внутренней стороне холодильника крышкой. В почвенных экспериментах на складчатые столе, вода испаряется из верхних слоев почвы в воздух выше в таблице складками. Если почва очень влажная, испарений потери на теплом конце стола может конденсироваться на более холодной внутренней акриловой крышкой. Отдыхая плотно закрывающейся части акриловой или полистирольной изоляции прямойLY поверх косынок минимизирует обмен паров с воздушным пространством над столом, сохраняя почву более равномерно влажной и постоянной температуры (данные не показаны). Когда стол был покрыт полистирольной изоляции, изменение температуры только от 1 до 2 ° С через профиль почвы на экстремальных температурах (данные не показаны). Тем не менее, полистирол изоляции предотвращает рассаду от возникающих и должны быть удалены после того, как начальный ч инкубации для роста анализов. Другое решение, чтобы предотвратить быстрое высыхание теплых почв является предпочтительно добавить больше воды на теплый конец, чтобы компенсировать потери в результате испарения. Ручной полив является проблематичным, поскольку крышки должны быть удалены и объемы применения менее точны. Микроорошения излучатели могут быть рассчитаны на стол градиента и могут быть скорректированы, чтобы предпочтительно применять больше воды на теплый конец.
Термоградиентный таблицы имеют функциональные возможности и потенциал, чтобы служить в качестве альтернативных камер роста. WheN обе ванны устанавливаются так же, таблица уравновешивает к одной экспериментальной температуры для применений, где не требуется градиент. День и ночь свет и колебания температуры также могут быть смоделированы с использованием программируемых циркулирующие ванны и светодиодные растут огни. Наполнение внутренности крышек с СИД растут огни могут увеличить интенсивность освещения. СИД растут света ввода минимального тепла в систему и не мешать градиента потому, что подобные температуры почвы были зафиксированы с огнями и выключать (данные не показаны). Добавление огней позволяет роста растений и более экологический контроль.
Термоградиентный таблицы были использованы в первую очередь семеноводческой отрасли для изучения всхожести в прошлом, но и многие другие приложения возможны. Насекомое поведение было изучено на столе градиента для определения температуры оптимумы определенного поведения 11. Лед может быть заморожен на поверхности стола градиент для тестирования явлений при минусовых тemperatures (данные не показаны). Газообмен между почвой и атмосферой, в том числе выделение двуокиси углерода, возможно на складчатые таблице градиента при различных содержании воды, почвенных ресурсов и температур. Изучение влияния бактериального и грибкового роста в различных типах носителей в широком диапазоне температур, также возможно с этой экспериментальной системе.
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).
