Una tabla de fuelle Thermogradient para controlar las temperaturas del suelo para evaluar el crecimiento de la planta y Seguimiento de los procesos del suelo
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
Tablas Thermogradient no son nuevas y su uso ha sido reportado en la literatura durante varias décadas 1-6. Los primeros se desarrollaron tablas ostensiblemente para las semillas de laboratorio de pruebas de germinación a menudo en sustrato de papel en un amplio intervalo de temperaturas en un solo experimento (Figura 1). Hay diferentes diseños de tablas thermogradient pero uno de los más comunes consiste en una lámina rectangular relativamente gruesa de metal, a menudo de aluminio por su resistencia a la corrosión, con un bucle de tubo cuadrado soldado a la parte inferior en los extremos opuestos. Los tubos de plástico conectan la mesa de entrada y de salida de los tubos a temperatura controlada, baños que bombean el líquido se enfría y se calienta a través de los tubos en los extremos opuestos por debajo de la mesa de circulación. El tubo de mezcla de fluido lleva a cabo, por lo general un agua y anticongelante (glicol de etileno), para evitar la congelación si el sistema se va a operar cerca de o por debajo de las temperaturas de congelación. Otro diseño es soldar tiras de metal juntos para crecomió un depósito de fluido en cada extremo de la mesa de entradas y salidas para la circulación de soluciones calientes y fríos en cada extremo. Los baños de circulación se pueden colocar en el suelo debajo de la mesa o en una mesa separada yuxtapuesta. Mesas thermogradient eléctricos con serpentines de calefacción y / o refrigeración Peltier módulos han sido construidos pero los problemas de alto costo, los desafíos que generan bajas temperaturas consistentes y fiabilidad han impedido el uso comercial generalizado 8.
Los diseños de fluidos que circulan de forma pasiva crean un gradiente unidimensional a través de la conducción térmica. Si la placa de aluminio es de forma uniforme y de espesor y un aislamiento adecuado, el calor fluye uniformemente desde el caliente al extremo frío de una tabla que se establece un gradiente de temperatura unidimensional continua, después de la segunda ley de la termodinámica 7. El gradiente a través de la superficie es una función de la longitud de la tabla y las diferencias entre las temperaturas finales. La mesa y Plumbing son generalmente ubicado en un recinto aislado con tapas de acceso. El recinto aísla la mesa de su entorno, creando un gradiente uniforme en toda la superficie con poca variación de temperatura. El recinto aislado puede ser apoyado por las piernas o colocar sobre una superficie plana tal como una mesa o un banco. Para aplicaciones donde se requiere control de temperatura uniforme sin un degradado, una tabla puede ser configurado para producir condiciones isotérmicas si ambos extremos circular el fluido a la misma temperatura.
Cuando la tabla de gradiente está funcionando correctamente, placas de Petri, bolsas de plástico selladas, recipientes de fondo plano, etc., se colocan en la superficie y termo-equilibren a las diversas temperaturas (Figura 1). La temperatura experimental en cada contenedor depende de los espacios aéreos que puedan existir entre el recipiente y la superficie de mesa y el grosor y propiedades aislantes de cada contenedor. La tabla de gradiente mantiene efectivamente te muestramperatures cerca de la superficie, pero el control se pierde por encima de la superficie. La falta de control de temperatura vertical limita los tipos de experimentos posible en una mesa de gradiente tradicional.
Se añaden las tiras de aluminio o tirantes a la mesa de diseño tradicional degradado para mejorar el control de la temperatura por encima de la superficie de la mesa. Cartelas se soldaron a intervalos perpendicular a la superficie de la mesa. Las cartelas facilitar el flujo de calor por convección verticalmente por encima de la superficie de la mesa plana. Las muestras colocadas entre cartelas, tienen superficies de temperatura regulada en tres lados que proporcionan un control más efectivo de la temperatura. Clegg y Eastin 2 colocaron arena de cuarzo en un gradiente de superficie de la mesa para crear el control de temperatura en profundidad. Clegg y Eastin 2 también experimentaron con la colocación de aislamiento en la parte superior de la tabla. Webb et al. 9 colocaron tuberías llenas de tierra sobre una mesa en un esfuerzo de forma homogénea la temperatura de control.
La nueva tadiseño ble informado aquí tiene nueve 7,6 cm (3 pulgadas) cartelas altas (las tiras de aluminio) que se sueldan a la superficie sobre la longitud de la mesa (Figura 2). dispositivos de iluminación LED que emite fotosintéticamente activa frecuencias están instalados en los lados de la mesa para apoyar el crecimiento de plántulas cuando la tabla está cerrada. El recinto aislado de la tabla thermogradient fuelle está construido de un blanco juntas de PVC que son el agua, la urdimbre, y resistente a las grietas. El propósito de este trabajo es describir el nuevo diseño de la tabla de gradiente gusseted y posibles aplicaciones.
Protocol
Representative Results
Discussion
tablas Thermogradient se han utilizado durante muchos años para llevar a cabo principalmente experimentos de germinación de semillas en recipientes poco profundos en un rango de temperaturas de forma simultánea. Sin embargo, las temperaturas experimentales se limitan a la superficie de la mesa de modo que la profundidad de control de la temperatura es limitada. protocolos de análisis de semillas llevadas a cabo en las mesas de gradiente tradicionales terminan con emergencia de la radícula en sustrato de papel en placas de Petri u otros recipientes planos y no prueban de manera realista emergencia de las plántulas y el crecimiento como ocurriría de forma natural en el suelo. Hoy en día las empresas de semillas a menudo desean evaluar el vigor de la semilla (la capacidad de germinar en condiciones menos que óptimas) usando condiciones de campo simuladas que los productores es probable encontrar después de la siembra. El análisis del suelo también expone a las semillas de hongos y presiones de las enfermedades bacterianas que no son comunes en las pruebas de germinación de laboratorio estandarizados en medios de cultivo sin suelo. Cuando el suelo se coloca sobre una mesa no gusseted plana, grandes variaciones de 5 ºC o más queNo vuelva poco común entre las posiciones en el perfil del suelo y superficies de las mesas (resultados no publicados).
Una tabla de gradiente unidimensional con cartelas fue desarrollado para mejorar el control de temperatura vertical para que la tierra podría ser utilizado en las pruebas de germinación y otros experimentos en los que un control preciso de la temperatura del suelo es crítica. Los refuerzos se limitan suelo o sustrato de cultivo sintéticos y control de temperatura en profundidad. Los fuelles son de aluminio, el mismo material que el tablero de la mesa, y cuando soldada perpendicular a la superficie que proporcionan control de la temperatura del espacio entre por transferencia de calor por conducción. Los refuerzos pueden estar orientados a lo largo de la mesa o lo ancho a través de la mesa. Ambos diseños funcionan de manera similar, pero la orientación a lo ancho de refuerzo es conveniente porque el espacio entre cartelas puede servir como una única temperatura experimental cuando el gradiente se ajusta correctamente. La orientación horizontal permite a las unidades experimentales (semillas en este ejemplo) para tener una separacióncruzar la mesa en una línea al lado de la otra. espaciamiento de fuelle sólo puede variarse durante la fabricación debido cartelas se sueldan en su lugar de posicionamiento de manera alternativa no puede ser probado una vez terminada la construcción de mesa. Una separación cartela de 10,9 cm fue seleccionada para acomodar recipientes poco profundos a menudo usados para análisis de semillas, además de suelo. Menor separación entre cartela puede proporcionar un mejor control de la temperatura, sino que limitaría los tipos de envases que se pueden utilizar en la mesa.
La temperatura y la humedad de los sustratos de cultivo de la tabla thermogradient deben controlarse continuamente para lograr las condiciones experimentales deseados. Antes de la siembra, los baños de circulación deben establecerse ligeramente por debajo del mínimo deseado y ligeramente por encima de las temperaturas máximas que ajusta hasta que las muestras han alcanzado las temperaturas experimentales deseados. Aproximadamente 24 horas se debe permitir para las muestras de térmica equilibre con la tabla de gradiente. El contenido de humedad de THe los medios de cultivo deben ser suficientes (70-80% de la capacidad de campo) para la germinación de semillas u otros procesos biológicos para continuar. El aislamiento de mesa y tapas duales reducen las fluctuaciones de temperatura y la evaporación del agua cuando está en su lugar.
Los resultados de la Tabla 1 se comparan el crecimiento de plántulas de 4 especies a diferentes temperaturas. El crecimiento de las semillas de melón y tomate comenzó a los 15 ° C y germinó bien a 40 ° C para explicar por qué se caracterizan como cultivos de estación cálida 10. En contraste, lechuga germinadas mejor a bajas temperaturas. Semilla de avena germinaron sobre un rango más amplio de temperaturas que las otras especies (Tabla 1). Si bien los resultados similares se pueden obtener utilizando una serie de cámaras de crecimiento en una serie de experimentos coordinados, el diseño de refuerzo permite que tanto la germinación y crecimiento de las plántulas que deben compararse en un rango de temperaturas del suelo de forma simultánea. Los diferentes suelos de campo o crecimientomedios de comunicación pueden ser sustituidos para simular una amplia gama de condiciones de campo. Microbianos o químicos, tratamientos bajo condiciones de fertilización, el estrés por sequía, y las variaciones en el entorno de la luz se pueden imponer a través de las temperaturas en la mesa de gradiente.
Los pequeños registradores de datos de temperatura registrados en varias posiciones en la tabla. Los datos de temperatura mostraron, las temperaturas relativamente uniformes en el centro de la mesa con una mayor variación, en particular en el extremo caliente. Colocación de los registradores en contacto con la superficie de la mesa y expuesto al aire en la superficie del suelo probable acentúa los extremos. Las temperaturas registradas en la posición central eran probablemente más indicativo de las condiciones del suelo a granel. Por ejemplo, una semilla plantada en el suelo en la mesa de gradiente entre cartelas para simular la siembra campo sólo estaría expuesto a la temperatura del suelo a granel y no el aire o la temperatura de superficie de la mesa. El contenido de humedad y la textura del suelo juega un papel en la determinación de las temperaturas de mesa. Si THe suelo está seco, espacios de aire se resisten a los cambios de temperatura y no llevan a cabo de manera efectiva el calor de los fuelles. suelo húmedo tiene pocos espacios de aire y agua más líquido para llevar a cabo eficazmente el calor a través del perfil del suelo. En este experimento, el suelo se mantuvo a 70 a 80% de su máxima capacidad de retención de agua, pero un mayor contenido de agua puede haber reducido variación de la temperatura del suelo. Sand tiene como menos grandes espacios de los poros que los suelos con alto contenido de materia orgánica y por lo tanto sería de esperar para proporcionar temperaturas más uniformes.
Hubo mayor variación en la temperatura del suelo en el extremo caliente de la tabla en comparación con el extremo frío. Una posible explicación radica en la distribución de la humedad a través de la mesa. La humedad tiende a ser retenido en el extremo frío, mientras que el extremo caliente tiende a secarse debido a mayores pérdidas por evaporación. Dado que el agua ayuda a conducir el calor, es importante que el contenido de humedad de la mesa sea lo más uniforme posible. Webb et al. 9 utilizadas Blotter papel para conducir el agua a través de una mesa de thermogradient por acción capilar, mientras que el periódico funcionó bien como una alternativa menos costosa en la tabla thermogradient fuelle. A pesar de que cartelas fueron revestidas de papel hidrófilo para agregar distribución de la humedad, manteniendo a ambos extremos del fresco caliente de manera uniforme y húmedo es un reto.
La evaporación rápida a altas temperaturas se produce en todos los diseños de tablas de gradiente. La condensación es a menudo un problema cuando los experimentos de contenedores se llevan a cabo en una mesa de gradiente a temperaturas mucho por encima del ambiente debido a que el fondo del recipiente es más caliente que la parte superior haciendo que el agua para recoger en el lado interior de la tapa más fresco. En experimentos de suelo en la tabla de fuelle, el agua evaporada de las capas superiores del suelo en el aire por encima de la tabla de fuelle. Si el suelo está muy húmedo, las pérdidas por evaporación en el extremo caliente de la tabla puede condensarse en la tapa interior de acrílico-refrigerador. Descansando piezas de ajuste hermético de aislamiento de poliestireno acrílico o directaLy en la parte superior de los fuelles minimiza el intercambio de vapor con el espacio aéreo por encima de la mesa de mantener el terreno más uniformemente húmedo y constante de temperatura (datos no mostrados). Cuando la mesa se cubrió con aislamiento de poliestireno, la variación de temperatura fue sólo 1 a 2 ° C a través del perfil del suelo en los extremos de temperatura (datos no mostrados). Sin embargo, el aislamiento de poliestireno evita que las plantas de semillero de los países emergentes y debe ser eliminado después de la h inicial de incubación para el crecimiento de los análisis. Otra solución para evitar el secado rápido de suelos calientes es añadir preferentemente más de agua al extremo caliente para compensar las pérdidas por evaporación. El riego manual es problemático porque las tapas deben ser retirados y los volúmenes de aplicación son menos precisos. emisores Micro-riego pueden ser diseñados en una mesa de gradiente y se pueden ajustar para aplicar preferentemente más de agua al extremo caliente.
Thermogradient tablas tienen la funcionalidad y el potencial de servir como cámaras de cultivo alternativos. when ambos baños se establecen el mismo, la mesa se equilibra a la temperatura experimental único para aplicaciones donde no se requiere un gradiente. fluctuaciones de luz de día y noche y temperatura también se pueden simular por medio de baños de circulación programables y LED de luces de crecimiento. Poblar el interior de las tapas con LED de luces de crecimiento pueden aumentar la intensidad del brillo. El LED crece luces de entrada mínima de calor en el sistema y no interfirió con el degradado debido a las temperaturas del suelo similares se registraron con las luces de encendido y apagado (datos no mostrados). La adición de luces permite crecimiento de la planta y un mayor control del medio ambiente.
Thermogradient tablas se han utilizado principalmente por la industria de las semillas para los estudios de germinación en el pasado, pero muchas otras aplicaciones son posibles. Comportamiento de los insectos ha sido estudiado en una mesa de gradiente para determinar óptimos de temperatura de ciertos comportamientos 11. El hielo puede ser congelado en una superficie de la mesa gradiente de fenómenos de pruebas en temperaturas bajo cero temperatures (datos no mostrados). El intercambio de gases entre el suelo y la atmósfera, incluyendo el desprendimiento de dióxido de carbono, es posible en una mesa de gradiente de fuelle con contenidos variables de agua, las entradas del suelo, y temperaturas. El estudio de los efectos del crecimiento de bacterias y hongos en diferentes tipos de medios de comunicación en un intervalo de temperaturas también es posible con este sistema experimental.
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).
