Name: 一个插角Thermogradient表来控制土壤温度为评估植物生长和监测土壤过程 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 40 s
Description: 了解带焊接铝制角撑的新型一维热梯度台的设计与应用，用于精确控制土壤温度以研究种子萌发等生物过程。该装置通过循环水浴系统实现稳定温控，适用于植物生长实验。

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我们感谢加州大学戴维斯分校种子生物技术中心的 Kent J. Bradford 及其学生记录的幼苗出土数据。

1. 循环浴液和实验台的准备
<ol>
	<li>准备两个循环水浴装置，其储液罐的泵流量至少为 10 L/min，用于控制热梯度平板两端的温度。 
	注意：其中一个循环水浴必须具备制冷功能，另一个仅需加热功能即可。</li>
	<li>检查循环水浴装置，确保其过滤器和储液罐清洁无污。</li>
	<li>确定平板和水浴装置的安放位置。只要泵能够将液体循环至上方的平板，即可将水浴置于平板下方。将梯度平板放置在便于打开盖子并可触及表面各个位置的高度。 
	注意：平板和水浴装置的安装位置应通风良好，避免极端温度，尽量无尘，并配备足够的电源电路，以支持水浴装置和照明系统的正常运行。</li>
	<li>向每个水浴的储液罐中加注水与防冻剂的混合液（体积比 1:1），直至液面达到储液罐顶部，以提高热交换效率并防止冻结。 
	注意：防冻剂的浓度取决于水浴设备的技术参数和溶液的工作温度。除非需要产生低于冰点的温度，否则无需高浓度防冻剂。纯防冻剂可能损坏某些水浴泵。</li>
	<li>使用柔性管路将水浴的进、出口分别连接至平板上的出、入口管道，从而在平板相对的高温端和低温端形成连续的液体流动模式。</li>
	<li>使用管壁较厚、柔韧且不可伸展的塑料管路，确保其在压力下不会膨胀，弯曲时也不易折弯或堵塞。在管路连接处使用带螺纹箍的软管夹，以保证系统加压时连接处无滴漏。用泡沫管材隔热层包裹循环管路，以减少与周围环境的热交换。</li>
	<li>打开管路阀门，短暂启动循环泵，检查是否存在泄漏或因塌陷而影响液体流动的管路。若发现泄漏，应调整螺纹夹。检查照明装置，确保其正常工作。</li>
</ol>
2. 实验台的准备工作
<ol>
	<li>在热梯度平板的侧边夹层之间底部铺设亲水性材料（如温室毛细垫、纸巾或非光面报纸），以更均匀地分布水分。</li>
	<li>将栽培基质均匀填充至热梯度平板中，高度低于或齐平于夹层顶部。压实栽培基质，以消除影响温度平衡的气孔。 
	注意：也可使用原位土壤。</li>
	<li>打开平板的进水和出水管阀门，启动循环水浴系统，将一侧水浴设定为比所需最低温度低 5 °C，另一侧水浴设定为比所需最高温度高 5 °C（温度范围为 5 至 40 °C），以补偿循环过程中的热量损失与获得。监测储液水浴，并在液位下降时根据需要添加水与防冻剂（乙二醇）的混合液，以补充循环液填充平板管道时的消耗。</li>
	<li>调节水浴温度，直至梯度平板上达到所需的栽培基质温度（5 至 40 °C 或其他实验所需温度）。 
	注意：通过反复测量栽培基质温度并调节水浴温度，逐步实现整个平板上所需的栽培基质温度。</li>
	<li>在平板不同位置放置温度数据记录仪，以记录实验过程中栽培基质或土壤的温度。推荐使用的数据记录仪尺寸类似于微型圆形纽扣电池。用Parafilm膜包裹数据记录仪以防水损坏，并将其置于栽培基质中的实验位置。</li>
	<li>将栽培基质均匀润湿至其最大持水能力的 70–80%。较湿润的土壤在夹层之间具有更高的导热效率。 
	注意：水分通常从平板的高温端蒸发较快，因此可能需要更频繁地补水以弥补蒸发损失。最大持水能力是指栽培基质在饱和后，通过底部带孔容器排水 2 天后所保留的水量。水分含量通过在 105 °C 下烘箱干燥 72 小时前后进行称重法测定。</li>
	<li>让平板平衡 24 小时，确保在整个平板范围内达到目标温度（5 至 40 °C）后再开始实验。</li>
	<li>通过调节四个角的支脚，使平板略微向排水口所在角落倾斜。此举可排除多余水分，防止平板上出现过湿区域，并促进基质水分分布均匀。在排水口下方放置容器以收集流出液体。</li>
	<li>在栽培基质中播种，并每日或按需浇水以保持基质湿润。 
	注意：以发芽试验为例，我们分别在 2 cm 深处播种了 25 粒番茄（Solanum lycopersicum L. cv. Legend）、甜瓜（Cucumis melo cv. Hales Best Jumbo）、生菜（Lactuca sativa L. cv. Black Seeded Simpson）和燕麦（Avena sativa L. cv Swan）种子。</li>
	<li>每日统计出苗幼苗数量，根据以下公式计算平均出苗时间： 
	              &#160;∑ (ni x ti) 
	MTE = ––––––––––––– 
	                   ∑ (ni) 
	注意：其中 ni 表示在时间 ti 时出苗的种子数；t 为自出苗开始起的天数；∑ ni 为出苗种子总数。</li>
</ol>
3. 热梯度仪的操作
<ol>
	<li>将浴槽调节至所需温度后，盖上两个热梯度表盖、透明的内层丙烯酸板盖，以及更厚实的、带有聚苯乙烯隔热层的聚氯乙烯（PVC）盖，以封闭实验台。两个盖子同时使用可提供最佳隔热效果，减少测试过程中的热量和水分流失。 
	注意：若实验台上方安装有环境光或辅助照明，仅可使用内层盖以透射光线。</li>
	<li>取下外层盖，通过内层丙烯酸盖检查实验台内部。临时取下内层盖以添加水或其他试剂、检查温度或记录数据。 
	注意：在较高温度下，湿润土壤中的水分会迅速蒸发，并在内层盖底部凝结，因为该表面温度较低。</li>
	<li>实验过程中应密切监控系统，防止断电、浴槽故障、泄漏或实验台温度过度波动。监测浴槽储液水位，并定期补充液体以补偿蒸发损失。</li>
</ol>

<ol><li>Chatterton, N. J., Kadish, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+temperature+gradient+germinator%5BTitle%5D)+AND+%22Agron.+J%22%5BJournal%5D)">A temperature gradient germinator.</a> Agron. J. 61 (4), 643-644 (1969).</li>
<li>Clegg, M. D., Eastin, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Thermogradient+generating+sand+table%5BTitle%5D)+AND+%22Agron.+J%22%5BJournal%5D)">A Thermogradient generating sand table.</a> Agron. J. 70 (5), 881-883 (1978).</li>
<li>Evans, R. A., Young, J. A., Henkel, R., Klomp, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+low+temperature-gradient+bar+for+seed+germination+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Weed+Science%22%5BJournal%5D)">A low temperature-gradient bar for seed germination studies.</a> Weed Science. 18, 575-576 (1970).</li>
<li>Grime, J. P., Thompson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+apparatus+for+measurement+of+the+effect+of+amplitude+of+temperature+fluctuation+upon+the+germination+of+seeds%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Botany%22%5BJournal%5D)">An apparatus for measurement of the effect of amplitude of temperature fluctuation upon the germination of seeds.</a> Annals of Botany. 40 (4), 795-799 (1976).</li>
<li>Halldal, P., French, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Algal+growth+in+crossed+gradients+of+light+intensity+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Algal growth in crossed gradients of light intensity and temperature.</a> Plant Physiol. 33 (4), 249-252 (1958).</li>
<li>Thompson, K., Whatley, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thermogradient+apparatus+for+the+study+of+the+germination+requirements+of+buried+seeds+in+situ%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytologist%22%5BJournal%5D)">A thermogradient apparatus for the study of the germination requirements of buried seeds in situ.</a> New Phytologist. 96, 459-471 (1984).</li>
<li>Bergman, T. L., Incropera, F. P., Lavine, A. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBergman%2C+TL+%22Fundamentals+of+Heat+and+Mass+Transfer%22">Fundamentals of Heat and Mass Transfer</a>. , John Wiley & Sons. (2011).</li>
<li>McLaughlin, N. B., Bowes, G. R., Thomas, A. G., Dyck, F. B., Lindsay, T. M., Wise, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+design+for+a+seed+germinator+with+100+independently+temperature+controlled+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Weed+Research%22%5BJournal%5D)">A new design for a seed germinator with 100 independently temperature controlled cells.</a> Weed Research. 25, 161-173 (1985).</li>
<li>Webb, D. M., Smith, C. W., Schulz-Schaeffer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Amaranth+seedling+emergence+as+affected+by+seeding+depth+and+temperature+on+a+thermogradient+plate1%5BTitle%5D)+AND+%22Agron.+J%22%5BJournal%5D)">Amaranth seedling emergence as affected by seeding depth and temperature on a thermogradient plate1.</a> Agron. J. 79 (1), 23-26 (1987).</li>
<li>Welbaum, G. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWelbaum%2C+GE+%22Vegetable+Production+and+Practices%22">Vegetable Production and Practices</a>. , CAB International. (2015).</li>
<li>Swoboda, L. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Environmental+influences+on+subterranean+termite+foraging+behavior+and+bait+acceptance%22">Environmental influences on subterranean termite foraging behavior and bait acceptance</a>. , Virginia Polytechnic Institute and State University. (2004).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

多年来，热梯度平板主要用于在浅层容器中同时进行多种温度下的种子萌发实验。然而，这类实验的温度控制仅限于平板表面，因此温度调控的深度有限。传统梯度平板上的种子检测规程通常是在培养皿或其他扁平容器中的纸基质上观察胚根突破，无法真实模拟种子在土壤中自然发生的幼苗出土与生长过程。如今，种子企业常常希望在模拟田间条件下评估种子活力（即在非最适条件下萌发的能力），以反映种植后农户可能遇到的实际环境。土壤测试还会使种子暴露于真菌和细菌病害压力之下，而这些在无土介质的标准实验室萌发测试中并不常见。当土壤被铺放在平坦且无褶边的实验台上时，土壤剖面不同位置与台面之间的温度差异往往较大，有时可超过5 ºC（未发表结果）。
开发了一种带加强筋的一维梯度台，以改善垂直方向的温度控制，从而可在发芽试验及其他对土壤温度精确控制至关重要的实验中使用土壤。加强筋用于固定土壤或人工栽培基质，并实现对深度方向温度的调控。加强筋由铝制成，材质与台面相同，当其垂直焊接于台面时，可通过热传导方式对加强筋之间的空间进行温度控制。加强筋可沿台面长度方向布置，也可沿宽度方向布置。两种设计性能相似，但宽度方向布置更为方便，因为在梯度适当调节后，相邻加强筋之间的区域可作为单一实验温度区。水平方向的布置方式允许实验单元（本例中为种子）沿台面呈直线紧密排列。由于加强筋为焊接固定，其间距只能在制造过程中调整，因此在梯度台建造完成后无法再测试其他间距方案。选择10.9 cm的加强筋间距，旨在兼容种子测试中常用的浅型容器以及土壤的使用。更小的加强筋间距可能提供更优的温度控制效果，但会限制可在台上使用的容器类型。
必须持续监测热梯度平板中生长基质的温度和湿度，以达到所需的实验条件。在种植前，循环水浴的温度应设置为略低于所需的最低温度，并略高于最高温度，然后进行调整，直至样品达到所需的实验温度。应给予样品大约24小时的时间，使其与梯度平板达到热平衡。生长基质的含水量应足够（田间持水量的70-80%），以保证种子萌发或其他生物过程的正常进行。当绝缘层和双层盖板安装到位时，可减少温度波动和水分蒸发。
结果在 表1 比较4个物种在不同温度下的幼苗生长。甜瓜和番茄种子的生长始于15 °C，并在40℃下良好萌发 °C 解释为何它们被归类为喜温作物10相比之下，生菜在低温下发芽效果最佳。燕麦种子的发芽温度范围比其他物种更广。表1）。尽管通过一系列协调的实验使用多个生长箱也能获得类似结果，但夹层设计可同时在不同土壤温度下对发芽和幼苗生长进行比较。可替换不同的田间土壤或培养基质以模拟多种田间条件。在梯度平板上，还可针对不同温度施加微生物或化学处理、施肥方案、干旱胁迫以及光照环境的变化。
小型数据记录仪记录了桌面上不同位置的温度。温度数据显示，桌面中央区域的温度相对均匀，而变化较大的区域主要出现在较暖的一端。将记录仪放置在与桌面表面接触并暴露于土壤表面空气中的位置，可能会加剧温度的极端变化。中心位置记录的温度可能更能代表整体土壤的状况。例如，在梯度桌上两肋板之间种植种子以模拟田间种植时，种子仅会接触到整体土壤温度，而不会暴露于空气或桌面表面温度。土壤的含水量和质地在决定桌面温度方面起着重要作用。如果土壤干燥，空气孔隙会阻碍温度变化，并不能有效地将热量从肋板传导至土壤中。湿润的土壤空气孔隙较少，含有更多的液态水，能够更有效地在整个土壤剖面中传导热量。在本实验中，土壤含水量维持在其最大持水能力的70%至80%之间，但更高的含水量可能会进一步减少土壤温度的变异。与高有机质土壤相比，沙土的大孔隙较少，因此预期能提供更均匀的温度分布。
在温控梯度平板的高温端，土壤温度的变化比低温端更大。一种可能的解释在于平板上水分分布的差异。水分 tends 在低温端被保留，而高温端由于蒸发损失较大 tends 变得干燥。由于水有助于热量传导，因此保持平板内水分含量尽可能均匀至关重要。Webb et al.9 使用吸水纸通过毛细作用在热梯度平板上传导水分，而在带褶皱结构的热梯度平板中，报纸被证明是一种成本较低且效果良好的替代材料。尽管褶皱部分已衬有亲水性纸张以促进水分分布，但要使低温端和高温端均保持均匀湿润仍具有挑战性。
在所有梯度平板设计中，高温下均会发生快速蒸发。当在远高于环境温度的梯度平板上进行容器实验时，冷凝现象常常成为问题，因为容器底部温度高于顶部，导致水分在较冷的盖子内侧聚集。在带加强筋结构的平板上进行土壤实验时，水分会从上层土壤蒸发至加强筋平板上方的空气中。如果土壤含水量很高，平板较热一端的蒸发损失可能在较冷的内层丙烯酸盖板上发生冷凝。将紧密贴合的丙烯酸或聚苯乙烯隔热材料直接放置在加强筋顶部，可最大限度减少与平板上方空气空间的水汽交换，从而使土壤保持更均匀的湿度和恒定的温度（数据未显示）。当平板覆盖聚苯乙烯隔热材料时，在温度极端条件下，土壤剖面内的温度变化仅为1至2 °C（数据未显示）。然而，聚苯乙烯隔热材料会阻碍幼苗出土，因此在孵育初期后必须将其移除，以便进行生长分析。防止温暖土壤快速干燥的另一种解决方案是优先向较热一端补充更多水分，以补偿蒸发损失。人工浇水存在操作问题，因为需要移除盖子，且施水量难以精确控制。可在梯度平板上设计微灌滴头系统，并调节其优先向较热一端施加更多水分。
温度梯度培养台具备作为替代性生长培养箱的功能和潜力。当两个水浴设置为相同温度时，培养台可达到单一的实验温度，适用于无需温度梯度的实验条件。通过可编程循环水浴和LED植物生长灯，还可模拟昼夜光照与温度变化。在盖子内部安装LED植物生长灯可提高光照强度。LED植物生长灯向系统输入的热量极少，不会干扰温度梯度，因为在开灯和关灯条件下测得的土壤温度相似（数据未显示）。添加光源可促进植物生长，并实现更精确的环境控制。
过去，热梯度平板主要被种子产业用于萌发研究，但其还可应用于许多其他领域。已有研究利用梯度平板确定某些昆虫行为的最适温度11。可在梯度平板表面制备冰层，用于研究亚零温度下的现象（数据未显示）。在带有褶皱结构的梯度平板上，可研究土壤与大气之间的气体交换过程，包括二氧化碳的释放，且可在不同含水量、土壤添加物及温度条件下进行。该实验系统还可用于研究细菌和真菌在不同类型培养基中、在不同温度范围内的生长情况。

热梯度平板并非新事物，其使用在数十年来的文献中已有报道1-6。早期的热梯度平板主要用于实验室种子萌发试验，通常在单一实验中于纸质基质上进行，涵盖较宽的温度范围（图1）。热梯度平板有多种设计，其中一种最常见的结构是使用一块相对较厚的矩形金属板（通常为铝材，因其具有抗腐蚀性），并在其底部两端焊接一个方形管道回路。塑料管将平板的进、出管道连接至温度可控的循环浴，使冷却和加热的流体分别从平板下方两端的管道中循环通过。管道中流通的液体通常为水-防冻剂（乙二醇）混合物，以防止系统在接近或低于冰点温度下运行时发生冻结。另一种设计是将金属条焊接在一起，在平板两端形成流体储槽，并在两端分别设置用于循环温热和冷溶液的进、出口。循环浴可置于平板下方的地面上，或置于相邻的独立台面上。已有研究人员构建了采用加热丝和/或帕尔贴冷却模块的电热梯度平板，但由于成本较高、难以稳定产生低温以及可靠性问题，尚未实现广泛的商业化应用8。
循环流体设计通过热传导被动地形成一维温度梯度。如果铝板形状和厚度均匀且进行了适当的隔热处理，则热量将根据热力学第二定律7，从温端均匀地流向冷端，从而在台面上建立连续的一维温度梯度。表面的温度梯度取决于台面长度以及两端温度之间的差异。该装置及其管路通常被封装在一个带盖的隔热外壳内，以便操作时打开。外壳使台面与周围环境隔离，从而在表面形成均匀的温度梯度，并使温度波动极小。隔热外壳可通过支腿支撑，也可放置在桌面或实验台等平坦表面上。对于需要均匀温度控制而不形成梯度的应用场景，可通过使两端循环相同温度的流体，将该装置设置为产生等温条件。
当梯度表正常工作时，培养皿、密封塑料袋、平底容器 等等， 置于表面，并在不同温度下进行热平衡图1）。每个容器中的实验温度取决于容器与台面之间可能存在的空气间隙，以及每个容器的厚度和隔热性能。梯度台能有效维持接近台面表面的样品温度，但在表面以上区域温度控制能力丧失。缺乏垂直方向的温度控制限制了在传统梯度台上可开展的实验类型。
在传统梯度温板设计中增加了铝条或加强筋，以改善温板表面以上的温度控制。加强筋以垂直于温板表面的方向间隔焊接。这些加强筋促进了垂直方向上的对流热传递。将样品置于加强筋之间时，其三个侧面均与控温表面接触，从而实现更有效的温度调控。Clegg 和 Eastin2 在梯度温板表面铺设石英砂，以实现深度方向的温度控制。Clegg 和 Eastin2 还尝试在温板上方覆盖隔热材料。Webb et al.9 将填有土壤的管道放置于温板上，以期实现均匀的温度控制。
本文报道的新型台面设计包含九个7.6 cm（3英寸）高的加强筋（铝条），这些加强筋沿台面长度方向焊接在表面（图2）。当台面闭合时，安装在台面两侧的LED灯具可发出光合有效频率的光，以支持幼苗生长。带加强筋的热梯度台的隔热外壳由白色PVC板构成，具有防水、抗变形和抗开裂的特性。本文旨在介绍这种新型带加强筋梯度台的设计及其可能的应用。 
&#160;

<table><tbody><tr><td>热梯度台</td><td>Appalachian Machinge Inc</td><td></td><td>定制的带加强筋的热梯度台（示意图包含在稿件中）。铝制部件的加工和焊接由 Appalachian Machinge Inc. 完成，地址：5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>隔热聚合物板柜</td><td>TASCO LLC</td><td></td><td>包含铝板的隔热聚合物板柜由 TASCO LLC 构建，地址：&amp;nbsp;1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Blue Hawk 可调节折叠钢制工作架</td><td>Lowes Home Improvement</td><td>162111</td><td>型号 #: 60142 可调节折叠钢制工作架</td></tr><tr><td>循环制冷水浴或类似设备</td><td>Brookfield Engineering</td><td>TC-550SD</td><td></td></tr><tr><td>种子（200 粒）</td><td>Johnny's Selected Seeds</td><td></td><td>来自 Johnny's Selected Seeds 的燕麦、生菜、番茄、甜瓜种子，地址：955 Benton Ave, Winslow, ME 04901，或任何其他适用于发芽试验的种子&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Professional 550 植物生长灯&amp;nbsp;</td><td>SolarOasis&amp;nbsp;</td><td>Pro550</td><td></td></tr><tr><td>内径编织 PVC 软管</td><td>United States Plastics Inc.</td><td>60703</td><td>&amp;nbsp;0.6 m 长，外径 200 cm，130 mm（1/2&quot;）&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Super Tech 50/50 预混防冻液/冷却液</td><td>Walmart</td><td>1012574</td><td>4 升蒸馏水与防冻剂（乙二醇）混合液</td></tr><tr><td>WatchDog 数据记录仪</td><td>Spectrum Technologies Inc</td><td>Model 100</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm M，4 cm 宽</td><td>Fisher Scientific</td><td>S37440</td><td></td></tr><tr><td>丙烯酸容器，5 1/4&quot; × 5&quot; × 1 3/8&quot; 塑料盒</td><td>Hoffman Manufacturing Inc</td><td></td><td>&amp;nbsp;Hoffman Manufacturing Inc.，地址：16541 Green Bridge Road, Jefferson, OR&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>1&quot; 带法兰螺钉&amp;nbsp;</td><td>Global Industrial</td><td>CS16H</td><td>Global Industrial，&amp;nbsp;地址：11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>带法兰螺杆式齿轮软管夹</td><td>Global Industrial</td><td>WGB513588</td><td>夹紧直径 3/4&quot; - 1-1/2&quot;，10 个装。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Everbilt 型号泡沫管路保温材料</td><td>Home Depot</td><td>ORP11812</td><td>网络编号 # 204760805，门店 SKU # 1000031792，1 英寸 × 6 英尺</td></tr><tr><td>毛细垫</td><td>Farmtek</td><td>106223</td><td>温室用毛细垫 — 4 英尺 × 100 英尺，或可选报纸片</td></tr><tr><td>Sunshine Mix #3</td><td>TerraLink</td><td>3236320</td><td>&amp;nbsp;3.8 立方英尺压缩捆，SKU: 3236320，用于种子发芽的培养基</td></tr></tbody></table>

一种带护板的热梯度培养台，用于调控土壤温度以评估植物生长及监测土壤过程

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

梯度温床最早于20世纪50年代开发，主要用于在无需使用多个培养箱的情况下，同时测试种子在不同温度范围内的萌发情况。温床表面在加热端与冷却端之间被动形成温度梯度，但该梯度在表面以上较短距离内迅速消失。由于仅在温床表面可实现温度控制，实验只能使用浅层容器（如培养皿）并置于温床表面进行。通过在温床表面垂直焊接连续的铝制竖条或加强筋，可借助对流热传递实现对深度方向的温度控制。加强筋之间沟槽内的土壤可维持在不同温度梯度下，从而支持更广泛的实验类型。通过燕麦、生菜、番茄和甜瓜种子的萌发实验对带加强筋的设计进行了评估。利用放置在温床不同位置的独立电池供电数据记录仪监测土壤温度。在梯度温床的盖子内部或侧边安装LED灯，可构建一个受控温度环境，使幼苗能在不同温度条件下生长。带加强筋的设计能够准确测定每种植物种子最快萌发速率和最高萌发率的最适温度。梯度温床实验所获得的萌发数据有助于预测在田间作物生产中常遇到的不利土壤条件下种子的萌发及幼苗生长情况。利用带加强筋的梯度温床，可在实验室受控条件下研究温度对种子萌发、幼苗生长以及土壤生态的影响。

浅型容器（如培养皿）可放置在传统的一维梯度台上，以便同时评估多种实验温度的影响（图1）。为了提高热梯度台在研究应用中的多样性，在两侧交替缝焊了高7.6 cm（3英寸）的铝制加强筋，使每个加强筋垂直于台面，并以10.9 cm（4.2英寸）的间距紧密接触台面（图2）。尽管加强筋间距可有多种选择，但选用10.9 cm的间距是为了适配常用于测试小粒种子或其他生物样本萌发的方形塑料“三明治”盒或类似尺寸的容器（图3）。与传统的平面梯度台不同，这种加强筋设计可容纳土壤及其他无定形疏松材料，适用于受控温度实验。为排除多余水分，其中一个角落设有带筛网和过滤装置的排水孔。每个角落的垫片或“支脚”可调节，以倾斜台面，促进重力排水。加强筋末端与台面外缘之间留有小间隙，使水能够沿一侧流向角落的排水口。
在水浴锅盖上盖且恒温循环24小时后，于70%-80%土壤含水量条件下测量土壤温度（图4）。在桌面上四个不同位置经过12小时平衡期后测得的温度变化为0.4 °C或更低（图4）。在三个不同土壤深度处测得的土壤剖面温度变化在极端温度条件下更大。在目标温度为13 °C时，放置在加劲肋之间铝表面的数据记录仪记录的平均温度为11.0 ±0.0 °C；放置在土壤表面的记录仪平均温度为13.5 ± 0.1 °C；在目标温度13 °C下，三个层次土壤的总体平均温度为12.3 ± 0.1 °C。在目标温度18 °C时，整个土壤剖面的平均温度为19.1 ± 0.1 °C。在目标温度23 °C时，温度变异性大于18 °C条件，平均温度为23.8 ± 0.2 °C。在另一极端温度29 °C时，桌面铝表面温度为30.8 ± 0.2 °C，而土壤表面温度为25.7 ± 0.4 °C。在目标温度29 °C时，土壤的总体平均温度为28.2 ± 0.3 °C（图4）。
利用带褶边的温度梯度平板可检测不同种子物种萌发及幼苗生长的最适温度。番茄和甜瓜均属于喜温作物，其萌发温度范围为14.1至40.2 °C（表1，图3）。安装在平板盖子和/或侧面的LED阵列可发射光合有效光谱，当平板密闭时，可支持植物在实验设定的土壤温度下于土壤中生长（图3）。番茄幼苗生长的最适温度为29.6 °C，出苗率为100%，平均出苗时间为5.3天（表1，图5）；在其他温度下出苗速度较慢。甜瓜的最高出苗率为96%，最短平均出苗时间为5.1天，均出现在24.7 °C（表1）。生菜和燕麦均被视为冷季作物。燕麦种子的萌发温度范围为5.1至40.2 °C，是所有测试种子中最广的（表1，图5）。燕麦在24.7 °C时出苗率最高，达100%；在29.6 °C时出苗最快，为3.4天（表1，图5）。生菜的出苗温度范围为5.1至29.6 °C；在24.7 °C时出苗率最高，达100%；在29.6 °C时出苗最快，为3.4天（表1）。
<img alt="种子萌发实验装置，包含多个培养皿、生长观察和植物生物学研究。" src="/files/ftp_upload/54647/54647fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 1"> 
图 1： 传统平板式热梯度台，已移除隔热盖，但内部丙烯酸盖覆盖了台面的一半。 传统的平板式设计用于测试温度对浅容器中样品的影响。由于缺乏阻止空气混合的屏障，一旦离开表面一定距离，梯度温度的控制会迅速丧失。因此，需要在一定深度维持恒定温度的实验无法使用此种设计进行。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54647/54647fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="带精确测量尺寸的设计规范冷却托盘工程示意图。" src="/files/ftp_upload/54647/54647fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 
图 2： 带加劲板的热梯度板示意图。 加劲板沿台面纵向垂直于表面进行断续焊接。一个角落设有排水口，用于排出多余的水。 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54647/54647fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="植物生长温度梯度实验装置，配有LED灯和土壤区域。" src="/files/ftp_upload/54647/54647fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图3"> 
图3： 带有隔层的光照温控梯度台，隔层中填充了土壤、草皮以及用于种子萌发实验的容器。 该梯度台的温度梯度设置为从左侧（高温端）到右侧（低温端）。尽管隔层结构最初是为使用土壤而设计的，但也可在隔层之间放置容器，用于小型样本的实验。LED植物生长灯可安装在盖子或周围区域，能够发射光合作用有效波段的光，使植物可在密闭环境中生长。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54647/54647fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="不同土壤深度的温度变化柱状图；土壤增温实验结果。" src="/files/ftp_upload/54647/54647fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Figure 4"> 
图4. 来自带加强筋热梯度平板上不同土壤位置的温度读数。 温度记录仪布置在平板上的左侧壁、左侧中心（距左侧壁20 cm）、右侧中心（距左侧壁40 cm）以及加强筋之间右侧壁的中点位置。温度记录仪的底部位置靠近铝制平板表面，位于土壤表层以下8 cm处，中心位置则大约在土壤表层以下4 cm处。放置在土壤表面的温度记录仪未加覆盖。柱状图上方的数值表示总体平均温度及其标准误（n = 72）。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54647/54647fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="在受控温度下进行的植物生长实验；显示不同摄氏度条件下生长情况的示意图。" src="/files/ftp_upload/54647/54647fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 5"> 
图 5： 燕麦和番茄幼苗在热梯度平板上于 5 至 40 °C 温度范围内培养 14 天。 该图片展示了如何在一个实验中，通过多种温度条件同时评估多种物种在土壤中的萌发和幼苗生长情况，以模拟田间环境。上方（左、右）图片为从垂直方向观察热梯度平板的结果，下方（左、右）图片为平板水平放置时的视图。实验过程中，在土壤中放置酒精温度计，以便快速监测各位置的温度变化。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">目标温度</td>
			<td rowspan="2">实测温度</td>
			<td colspan="2">番茄</td>
			<td colspan="2">甜瓜</td>
			<td colspan="2">生菜</td>
			<td colspan="2">燕麦</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EM †</td>
			<td>MTE††</td>
			<td>EM</td>
			<td>MTE</td>
			<td>EM</td>
			<td>MTE</td>
			<td>EM</td>
			<td>MTE</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>°C</td>
			<td>°C</td>
			<td>%</td>
			<td>天</td>
			<td>%</td>
			<td>天</td>
			<td>%</td>
			<td>天</td>
			<td>%</td>
			<td>天</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>  5</td>
			<td>  5.1</td>
			<td>   0</td>
			<td>  0.0</td>
			<td>  0</td>
			<td> 0.0</td>
			<td>78</td>
			<td>11.4</td>
			<td>46</td>
			<td>12.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10</td>
			<td>  8.7</td>
			<td>   0</td>
			<td> 0.0</td>
			<td>  0</td>
			<td> 0.0</td>
			<td>92</td>
			<td> 7.5</td>
			<td>58</td>
			<td>12.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15</td>
			<td>14.1</td>
			<td>100</td>
			<td>10.8</td>
			<td>16</td>
			<td>13.8</td>
			<td>68</td>
			<td> 5.9</td>
			<td>96</td>
			<td> 7.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>20</td>
			<td>19.8</td>
			<td>100</td>
			<td> 7.2</td>
			<td>84</td>
			<td> 7.5</td>
			<td>66</td>
			<td> 6.5</td>
			<td>100</td>
			<td> 5.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>25</td>
			<td>24.7</td>
			<td>100</td>
			<td> 6.0</td>
			<td>96</td>
			<td> 5.1</td>
			<td>22</td>
			<td> 8.1</td>
			<td>100</td>
			<td> 3.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30</td>
			<td>29.6</td>
			<td>100</td>
			<td> 5.3</td>
			<td>92</td>
			<td> 5.5</td>
			<td>  4</td>
			<td>12.5</td>
			<td>98</td>
			<td> 3.4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35</td>
			<td>36.1</td>
			<td>94</td>
			<td> 7.0</td>
			<td>92</td>
			<td> 4.4</td>
			<td>  0</td>
			<td> 0.0</td>
			<td>94</td>
			<td> 4.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40</td>
			<td>40.2</td>
			<td>72</td>
			<td> 7.8</td>
			<td>88</td>
			<td> 5.1</td>
			<td>  0</td>
			<td> 0.0</td>
			<td>10</td>
			<td> 8.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="10">† 成功出苗（EM）的判定标准为幼苗至少有一片子叶展开。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td colspan="10">†† 出苗平均时间（MTE）的计算方法为：将每日出苗种子数与对应天数的乘积求和，再除以各处理组总出苗种子数。</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：在热梯度平板上八种温度条件下番茄、甜瓜、生菜和燕麦种子在土壤中的萌发情况。加粗数字表示每种作物的最适温度值，展示了不同作物种类对温度的依赖性。本实验在盆栽混合基质中进行，持续14天，每天或根据需要浇水，以保持土壤明显湿润。每种作物的统计数据基于25粒种子。

传统的温度梯度板可在其表面形成一系列温度梯度。在温度梯度板表面垂直焊接加强筋，可控制其深度方向的温度，从而拓展可能的研究应用。

温度梯度平板最初于20世纪50年代开发，主要用于在无需使用……的情况下，同时测试种子在不同温度范围内的萌发情况。

本视频的总体目标是演示一种带加劲板和土壤的一维热梯度平板的设置、使用方法及其应用。我们开发了一种新型热梯度平板设计，通过在平板表面垂直方向上间隔焊接铝条（即加劲板），实现更精确的温度控制。该设计促进了平板表面以上的热量传递，使得置于加劲板之间的土壤或容器化样品能够在平板范围内达到充分的温度平衡。该实验台设计可在单次实验中检测温度对生物和物理过程的影响，适用于多个重复样本。与之前的梯度实验台设计相比，新型实验台在台面长度方向上焊接了九个高3英寸的加强筋板。现在，当实验台闭合时，LED照明装置从实验台侧面发出光合作用有效频率的光线，以支持幼苗生长。覆盖新设计实验台的绝缘外壳由白色聚氯乙烯（PVC）制成，具有抗变形和抗开裂的特性。运行时，两个温控循环水浴以每分钟至少10升的流速向实验台底部输送循环水。每个水浴的温度可独立控制，并可通过加热或制冷达到实验所需的精确温度。操作前，请确保循环浴槽的空气过滤器和液体储液罐清洁。然后，通常情况下，向每个浴槽的储液罐中加注等量的蒸馏水和防冻液，直至加满储液罐顶部。接下来，在实验台两端，将浴槽的进、出水口与实验台的出、进水口连接起来。导管必须为厚壁、柔韧，并具有不可扩张的管壁，以确保在压力下不会膨胀，弯曲时也不会折弯。使用带衬套的螺钉管夹固定导管连接处，以防止泄漏。然后用保温材料包裹导管；使用管状泡沫保温材料效果良好，可最大限度减少循环溶液的温度变化。现在打开所有阀门，启动泵以检查是否存在泄漏、弯折或塌陷的管路。根据需要进行调整。最后检查照明装置，确保其也能正常工作。开始实验准备时，首先在隔板之间的台面底部铺上亲水性材料，例如温室用毛细垫、无光面报纸或纸巾。这有助于使灌溉水在台面上分布更均匀。接着，在隔板之间均匀地填入土壤。例如，可使用天然土壤或合成土壤。在向土槽中填装土壤时，应避免产生气穴，以免干扰温度平衡和水分均匀分布。现在打开阀门，启动泵和温度控制器，初始设置冷却浴的温度比目标低温低5摄氏度，设置加热浴的温度比目标高温高5摄氏度。这将补偿循环过程中的热量损失与获得。接下来，准备无线微型数据记录仪以记录土壤温度。用石蜡膜包裹每个温度记录仪，以防止水损坏。然后将它们分散在培养基中，以监测桌面上不同位置的温度。接下来，通过调节桌脚来设置桌面的倾斜度，使桌面朝排水角方向形成极轻微的坡度。在排水口下方放置一个容器，以收集任何灌溉产生的径流。然后，将培养基均匀润湿至其持水能力的大约四分之三。较湿的土壤导热更有效。需准备对温控台较热一端的土壤更频繁地进行浇水。现在，让实验台平衡24小时。随后，调节浴槽温度以达到所需的土壤温度范围。使用热敏电阻温度传感器、热电偶或红外测温仪快速读取温度。将培养皿调节至所需温度后，开始为实验播种。在比较不同土壤温度下植物生长情况时，可不使用盖子操作该装置。中间的透明覆盖物为透明塑料片，用于促进土壤温度均衡、减少蒸发损失，并允许光线透过以支持植物生长。第二个盖子是一个隔热效果更好的实心盖，当不需要外部光照或额外空间时应使用该盖子。在整个实验过程中，需密切监控系统是否出现断电、水浴装置故障、泄漏、土壤干燥或台面温度剧烈波动等情况。同时，务必定期检查储液槽中的水浴，并根据需要添加水或防冻剂。这些实验中，带侧边隔间的热梯度培养台在搭建后仅 12 小时即达到稳定状态。在三个不同土壤深度的四个不同位置上，其温度变化均处于可接受范围内。关于光照，侧面安装的 LED 植物生长灯可提供植物所需的所有光合有效辐射频率，但也可使用其他类型的光源。例如，在研究小麦种子萌发时，除了使用LED照明外，还辅以额外的上方荧光灯照明。该萌发实验在番茄、甜瓜、燕麦和生菜种子上进行。根据此类数据，可轻松计算出萌发的温度范围、最适萌发温度以及萌发速度最快的温度。这种带侧边的热梯度平板设计可用于多种应用，而不仅限于文中演示的种子萌发实验。例如，配合一些额外工具，可用来测量二氧化碳及其他气体的释放情况。由于该平板还可于零下温度运行，因此可用于模拟结冰路面，以测试不同融冰处理方法的影响。梯度表的另一个有趣应用是可用于摩擦测试，包括亚冰点摩擦测试。

a-gusseted-thermogradient-table-to-control-soil-temperatures-for

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科研

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