Ein Gusseted Thermogradient Tabelle zur Bekämpfung von Bodentemperaturen für das Pflanzenwachstum Beurteilung und Überwachung von Bodenprozessen

Zusammenfassung

Herkömmliche Thermogradiententabellen erzeugen einen Temperaturbereich über die Oberfläche. Das Schweißen von Zwickeln senkrecht zur Oberfläche eines Thermogradiententisches ermöglicht es, die Temperatur in der Tiefe zu steuern und die Anwendungsmöglichkeiten in der Forschung zu erweitern.

Zusammenfassung

Thermogradiententabellen wurden erstmals in den 1950er Jahren entwickelt, um die Keimung von Saatgut über einen Temperaturbereich gleichzeitig zu testen, ohne eine Reihe von Brutschränken zu verwenden. Über die Oberfläche des Tisches zwischen dem beheizten und dem gekühlten Ende entsteht passiv ein Temperaturgradient, der in Abständen über der Oberfläche schnell verloren geht. Da die Temperatur nur auf der Tischoberfläche geregelt wird, beschränken sich die Experimente auf flache Behälter, wie z. B. Petrischale, die auf dem Tisch platziert werden. Das Schweißen von durchgehenden vertikalen Aluminiumbändern oder -zwickeln, die senkrecht zur Oberfläche eines Tisches stehen, ermöglicht eine Tiefentemperierung über einen konvektiven Wärmestrom. Der Boden in den Kanälen zwischen den Zwickeln wurde über einen Temperaturgradienten aufrechterhalten, was eine größere Vielfalt an Experimenten ermöglichte. Das Zwickeldesign wurde durch das Keimen von Hafer-, Salat-, Tomaten- und Melonenkernen bewertet. Die Überwachung der Bodentemperaturen erfolgte mit einzelnen, batteriebetriebenen Datenloggern, die quer über den Tisch positioniert waren. LED-Leuchten, die in den Deckeln oder an den Seiten des Gradiententisches installiert sind, schaffen eine kontrollierte Temperaturkammer, in der Setzlinge über verschiedene Temperaturen angebaut werden können. Das Zwickeldesign ermöglichte die genaue Bestimmung der optimalen Temperaturen für die schnellste Keimrate und den höchsten Prozentsatz der Keimung für jede Spezies. Keimungsinformationen aus Gradiententabellenexperimenten können helfen, die Keimung von Saatgut und das Wachstum von Sämlingen unter den ungünstigen Bodenbedingungen vorherzusagen, die bei der Produktion von Feldfrüchten häufig auftreten. Temperatureffekte auf die Samenkeimung, das Sämlingswachstum und die Bodenökologie können unter kontrollierten Bedingungen in einem Labor mit Hilfe einer Zwickel-Thermogradiententabelle getestet werden.

Einleitung

Thermogradient Tabellen sind nicht neu , und ihre Verwendung ist in der Literatur über mehrere Jahrzehnte ^1-6 berichtet. Frühe Tische waren angeblich für Labor die Keimung der Samen Tests häufig auf Papiersubstrat über einen breiten Bereich von Temperaturen in einem einzigen Experiment (Abbildung 1) entwickelt. Es gibt verschiedene Ausführungen von thermogradient Tabellen aber eine der häufigsten besteht aus einem relativ dicken rechteckigen Platte aus Metall, oft Aluminium für seine Korrosionsbeständigkeit, mit einer Schleife aus Vierkantrohr auf den Boden an entgegengesetzten Enden verschweißt. Kunststoffrohre verbinden die Tabelle Ein- und Auslaufstrecken zu temperaturgeregelt, zirkulierenden Bäder, die die gekühlte und erhitzte Flüssigkeit durch die Rohre an den gegenüberliegenden Enden unter dem Tisch zu pumpen. Das Rohr leitet Fluid, üblicherweise ein Wasser-Frostschutzmittel (Ethylenglykol) -Mischung, das Einfrieren zu verhindern, wenn das System in der Nähe oder unterhalb von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben werden soll. Ein anderer Entwurf ist Metallstreifen miteinander zu verschweißen, um creaß ein Fluidreservoir an jedem Ende des Tisches mit Einlässen und Auslässen für die Zirkulation von warmer und kalter Lösungen an jedem Ende. Die Zirkulationsbäder können unter dem Tisch oder auf einem separaten Tisch nebeneinander auf dem Boden positioniert werden. Elektrische thermogradient Tabellen mit Heizschlangen und / oder Peltier - Kühlmodule wurden gebaut , aber hohe Kosten, Herausforderungen konsequent niedrigen Temperaturen zu erzeugen, und Probleme mit der Zuverlässigkeit haben eine weit verbreitete kommerzielle Nutzung ⁸ verhindert.

Die zirkulierende Flüssigkeit Designs passiv einen eindimensionalen Gradienten über Wärmeleitung erstellen. Wenn die Aluminiumplatte von einheitlicher Form und Stärke ist und gut isoliert, fließt Wärme gleichmäßig von der warmen zur kalten Ende einer Tabelle einen kontinuierlichen eindimensionalen Temperaturgradienten Festlegung, nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ^7. Der Gradient auf der Oberfläche ist eine Funktion der Tischlänge und die Unterschiede zwischen den Endtemperaturen. Der Tisch und plumbing werden in der Regel in einem isolierten Gehäuse mit Deckel für den Zugang untergebracht. Das Gehäuse isoliert den Tisch von seiner Umgebung, eine gleichmäßige Steigung über die Oberfläche mit geringen Temperaturschwankungen zu schaffen. Der isolierte Gehäuse kann durch die Beine oder platziert auf einer flachen Oberfläche wie einen Tisch oder eine Bank unterstützt werden. Für Anwendungen, bei denen Steuergleichmäßige Temperatur ohne Gefälle benötigt wird, kann eine Tabelle eingerichtet werden, um isothermen Bedingungen erzeugen, wenn beide Enden Flüssigkeit bei der gleichen Temperatur zirkulieren.

Wenn der Gradient Tabelle korrekt funktioniert, Petrischalen, versiegelte Plastikbeutel, Flachbodenbehälter usw., sind auf der Oberfläche platziert und thermo äquilibrieren zu den verschiedenen Temperaturen (Abbildung 1). Die Versuchstemperatur in jedem Behälter hängt von Lufträumen, die zwischen dem Behälter und der Tischoberfläche und der Dicke und der Isolationseigenschaften eines jeden Behälters vorliegen kann. Die Steigung Tabelle hält effektiv Probe temperatures nahe an der Oberfläche, aber die Kontrolle wird über der Oberfläche verloren. Die fehlende vertikale Temperaturregelung begrenzt die Arten von Experimenten möglich auf einem traditionellen Gradienten Tisch.

Aluminiumstreifen oder Zwickel wurden zum traditionellen Gradienten Tabelle Design hinzugefügt, um Temperaturregelung über der Tischoberfläche zu verbessern. Zwickel wurden senkrecht zu der Tischoberfläche in Abständen verschweißt. Die Zwickel erleichtern konvektive Wärmestrom senkrecht über der flachen Tischoberfläche. Proben zwischen Zwickel gelegt haben temperaturgeregelten Oberflächen auf drei Seiten effektivere Temperaturkontrolle. Clegg und Eastin ² platziert Quarzsand auf einem Gradienten Tischoberfläche Temperaturkontrolle in der Tiefe zu schaffen. Clegg und Eastin ² experimentierte auch Isolation auf dem Tisch bei der Platzierung. Webb et al. ⁹ platziert mit Erde gefüllten Rohren auf einem Tisch in einer Bemühung Steuer Temperatur gleichmäßig zu.

Die neue table Design hier berichtet hat neun 7,6 cm (3 Zoll) hohen Seitenfalten (Aluminiumstreifen), die auf der Oberfläche über die Länge des Tisches (2) verschweißt sind. LED-Leuchten photosynthetisch aktiven Frequenzen emittiert werden auf den Seiten des Tisches installiert Sämlingwachstum zu unterstützen, wenn die Tabelle geschlossen wird. Die isolierten Gehäuse für die gusseted thermogradient Tisch besteht aus einem weißen PVC-Platten aufgebaut, die Wasser sind, Kett- und rissfest. Der Zweck dieses Papiers ist es, die neue gusseted Gradienten Tabelle Design und mögliche Anwendungen zu beschreiben.

Protokoll

1. Herstellung der Umlaufbäder und Tabelle

1. Erwerben zwei umlaufBäder mit Reservoiren, die mindestens 10 L / min Pumpe an jedem Ende des thermogradient Tabelle zu steuern Temperatur.
   HINWEIS: Eine der zirkulierenden Bäder müssen im Kühlschrank lagern die Behälter während der andere braucht nur zu erwärmen.
2. Untersuchen Bäder zirkulierende um sicherzustellen, dass ihre Filter und Stauseen sauber sind.
3. Identifizieren Sie einen Speicherort für die Tabelle und Bäder. Positionieren die Bäder unter dem Tisch, solange das Pumpenfluid durch die Tabelle oben zirkulieren kann. Platzieren Sie den Gradienten Tisch in bequemer Höhe Deckel zu entfernen und alle Positionen auf der Oberfläche erreichen.
   HINWEIS: Die Position für den Tisch und Bädern muss gut belüftet sein, frei von extremen Temperaturen, relativ staubfrei und haben Zugang zu den elektrischen Schaltungen ausreichend die Bäder und Beleuchtungssystem mit Strom zu versorgen.
4. Füllen jedes Bad zur Oberseite des Vorratsbehälters mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (1: 1Verhältnis) Wärmeaustausch und verhindern ein Einfrieren zu verbessern.
   HINWEIS: Die Konzentration des Frostschutzmittels hängt von den Spezifikationen Bades und die Temperatur der Lösung. Hohe Frostschutzmittel-Konzentrationen sind nicht erforderlich, es sei denn, Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erzeugt werden. Reines Frostschutzmittel können bestimmte Wasserbad Pumpen beschädigen.
5. Verbinden die Einlässe und Auslässe der Bäder mit flexiblen Schlauch an den Auslass- und Einlassrohre auf dem Tisch bzw. eine kontinuierliche Strömungsmuster an den beiden gegenüberliegenden warmen und kalten Enden der Tabelle zu erstellen.
6. Verwenden Sie dickwandigen flexible Kunststoffschlauch mit unelastischen Wänden, die nicht unter Druck oder geknickt wird sich ausdehnen, wenn sie gebogen. Verwenden Bundschraube, Schlauchschellen an den Rohrverbindungen eine tropffreie Verbindung aufrecht zu erhalten, wenn das System unter Druck gesetzt wird. Wickeln Sie das Zirkulationsrohr mit Schaum Rohrisolierung zu Wärmeaustausch reduzieren mit der Umgebung.
7. Mit der Rohrventile öffnen, schalten Sie vorübergehend auf den Umwälzpumpen auf Undichtigkeiten und kollabierte Schlauch zu prüfendas kann Fluss reduzieren. Stellen Sie Schraubzwingen, wenn Leckagen auftreten. Überprüfen Sie Leuchten sicherzustellen, dass sie einwandfrei funktioniert.

2. Herstellung der Tabelle für Experimentation

1. Den Boden des thermogradient Tabelle zwischen Zwickel mit hydrophilem Material wie Treibhaus Kapillarmatten, Papiertücher, oder nicht-glänzende Zeitung Wasser gleichmäßiger zu verteilen.
2. Füllen Sie die Tabelle gleichmäßig mit einer wachsenden Medien unter oder sogar mit den Spitzen der Zwickel. Packen Sie die wachsenden Medien fest genug Lufttaschen zu entfernen, die mit Temperaturausgleich stören.
   HINWEIS: Mutterboden kann auch verwendet werden.
3. Mit dem Tisch Einlauf- und Auslaufventile öffnen, aktivieren das Umlaufbad durch Setzen eines Bad auf eine Temperatur von 5 ° C unterhalb und die gegenüberliegende Bad auf eine Temperatur von 5 ° C über der minimalen und maximalen erwünschten Temperaturen (5-40 ° C), jeweils für Wärmeverlust und Gewinn während der Zirkulation zu berücksichtigen. Monitor das Reservoir Bäder und ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Ethylenglycol) nach Bedarf hinzufügen, wenn die Pegel fallen, wie die zirkulierende Lösung, die Rohre in der Tabelle füllt.
4. Stellen Sie Badtemperaturen, bis die gewünschten wachsenden Medientemperaturen (5 bis 40 ° C oder eine andere gewünschte Versuchstemperaturen) auf dem Gradienten Tabelle erreicht.
   HINWEIS: Die genaue Temperatur durch einen iterativen Prozess der Messung immer größer werdender Medientemperatur und Einstellung der Bäder, bis die gewünschten wachsenden Medientemperaturen erreicht werden über den Tisch.
5. Ort Temperatur Datenlogger an unterschiedlichen Positionen auf dem Tisch die Temperaturen der Wachstumsmedien oder Boden während eines Experiments aufzuzeichnen. Die Datenlogger zu empfehlen sind ähnlich groß wie ein Miniatur-Rund Wafer-Batterie. Wickeln Sie die Datenlogger in Parafilm zu Wasserschäden und Ort an experimentellen Positionen in der wachsenden Medien zu verhindern.
6. Befeuchten Sie die Medien gleichmäßig auf 70-80% der maximalen Wasserhaltekapazität wächstder Medien. Wetter Böden leiten die Wärme effizienter zwischen Zwickel.
   HINWEIS: Wasser neigt schneller aus dem warmen Ende des Tisches zu verdampfen, so häufiger Anwendungen erforderlich sein können, Verdampfungsverluste zu ersetzen. Maximale Wasserhaltekapazität ist die Menge an Wasser in den wachsenden Medien nach der Sättigung und Drainage von Gravitationswasser für 2 Tage durch einen Behälter mit einem perforierten Boden beibehalten. Der Feuchtigkeitsgehalt wurde gravimetrisch bestimmt vor und nach dem Trocknen im Ofen bei 105 ° C für 72 Stunden.
7. Ermöglichen die Tabelle für 24 Stunden äquilibrieren die gewünschten Temperaturen (5-40 ° C), um sicherzustellen, erreicht werden, bevor ein Experiment durchgehend beginnen.
8. Kippen Sie die Tabelle durch Einstellen der Füße an jeder Ecke, bis die Tabelle Pisten sehr leicht in Richtung der Ecke mit dem Abfluss. Dies entfernt überschüssige Feuchtigkeit verhindert nasse Flecken auf dem Tisch, und fördert die einheitliche Medien Feuchtigkeitsgehalt. Einen Behälter unter den Abfluss Abfluss zu fangen.
9. Pflanzensamen Medien und Wasser täglich oder nach Bedarf zu halten Medien feucht in wächst.
   HINWEIS: Als ein Beispiel dafür , wie die Keimung Tests durchgeführt werden können, pflanzten wir 25 Samen von Tomate (. Solanum lycopersicum L. cv Legend), Melone (Cucumis melo cv Hales Beste Jumbo.), Kopfsalat (Lactuca sativa L. cv Schwarz Vorab - Platzierung. Simpson) und Hafer (Avena sativa L. cv Swan) 2 cm tief.
10. Zähle die Anzahl der Keimlinge entstanden tägliche mittlere Zeit bis zur Entstehung zu berechnen nach der Gleichung:
      Σ (n _i xt _i)
    MTE = -------------
    Σ (n _i)
    HINWEIS: Wenn n _{i ist die Anzahl der Samen entstanden zum Zeitpunkt t i; t ist die Anzahl der Tage vom Beginn der Entstehung; und Σ n i ist die Gesamtzahl der Samen entstanden.}

3. Bedienung der Thermogradient Tabelle

1. Nachdem die Bäder auf die gewünschten Temperaturen angepasst haben, legen die beiden thermogradient Tischdecken, die transparente Innen-Acrylfolie Deckel und eine substanziellere Polyvinylchlorid (PVC) Deckel mit Polystyrol isoliert, um die Tabelle zu umschließen. Beide Abdeckungen an Ort und Stelle bieten die besten Isoliereigenschaften Wärme und Wasserverlust während des Tests zu reduzieren.
   HINWEIS: Wenn Umgebungslicht oder Hilfsbeleuchtung über dem Tisch montiert ist, nur der innere Deckel verwendet werden kann, Licht zu übertragen.
2. Entfernen Sie den äußeren Deckel in der Tabelle durch die Innen-Acryl-Deckel zu überprüfen. Entfernen Sie den inneren Deckel vorübergehend Wasser oder andere Eingaben, Überprüfung der Temperatur oder Aufzeichnungsdaten hinzuzufügen.
   HINWEIS: Bei höheren Temperaturen Wasser verdunstet schnell von feuchter Erde und condenses auf der Unterseite des Innendeckels, da die Oberfläche kühler ist.
3. Überwachen Sie das System genau während der Experimente für Stromausfälle, Bad Störungen, Leckagen oder übermäßige Schwankungen in der Tabelle Temperaturen. Überwachen Sie die Bad Reservoir Ebene und in regelmäßigen Abständen hinzufügen Flüssigkeitsverdampfungsverluste zu ersetzen.

Ergebnisse

Flache Behälter, wie Petrischalen kann auf einem herkömmlichen eindimensionalen Gradienten Tisch positioniert werden , so dass die Effekte von mehreren Versuchstemperaturen gleichzeitig beurteilt werden kann (Abbildung 1). Um die Vielfalt von Forschungsanwendungen möglich, auf einem thermogradient Tabelle erhöhen, 7,6 cm (3 Zoll) hoch Aluminium Zwickel wurden stitch verschweißt abwechselnd auf beiden Seiten, so dass jeder Zwickel an der Oberfläche steht senkrecht 10,9 cm (4,2 Zoll) voneinander entfernt in innigem Kontakt mit der Oberfläche (Abbildung 2). Während eine breite Palette von Zwickel Abstände möglich sind, wurde 10,9 cm gewählt quadratische Kunststoff "Sandwich" Kisten oder ähnliche große Behälter häufig zu testen , die Keimung von kleinen Samenarten oder andere biologische Proben (Bild 3) aufzunehmen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen flachen Gradienten Tisch, nimmt die Zwickel Design Böden und anderen amorphen brüchigen Materialien für kontrollierte Temperature Experimente. Zur Entfernung von überschüssigem Wasser, ein abgeschirmtes und gefilterten Abflussloch wurde in eine Ecke gebaut. Shims oder "Füße" an jeder Ecke kann eingestellt werden, um den Tisch zu kippen Schwerkraft Drainage zu erleichtern. Ein kleiner Spalt zwischen den Enden Zwickel und der Außenseite des Tisches ermöglicht, dass Wasser entlang einer Seite zur Eckablauf zu fließen.

Bodentemperaturen wurden bei 70-80% Bodenfeuchtigkeitsgehalt gemessen wird, nachdem die Bäder für 24 h mit dem Deckel an Ort und Stelle (Abbildung 4) bei konstanter Temperatur zirkuliert wurde. Die Temperaturänderung nach einer Zeitspanne von 12 Stunden Äquilibrierung gemessen bei vier verschiedenen Positionen über den Tisch betrug 0,4 ° C oder weniger (Abbildung 4). Variation im Bodenprofil Temperaturen gemessen an drei Bodentiefen größer war bei den Extremen. Bei einer Zieltemperatur von 13 ° C, platziert Datenlogger auf der Aluminiumoberfläche zwischen Zwickel aufgezeichnet einen Mittelwert von 11,0 ± 0,0 ° C. Loggers placed gemittelt auf der Bodenoberfläche von 13,5 ± 0,1 ° C. Die gesamte durchschnittliche Bodentemperatur auf allen drei Ebenen für die Zieltemperatur von 13 ° C betrug 12,3 ± 0,1 ° C. Bei einer Zieltemperatur von 18 ° C, betrug die durchschnittliche Temperatur während des Bodenprofils 19,1 ± 0,1 ° C. Variation bei der Zieltemperatur von 23 ° C größer als bei 18 ° C mit einem Durchschnitt von 23,8 ± 0,2 ° C. Am anderen extremen Temperatur, 29 ° C war die Tabelle Aluminiumoberflächentemperatur 30,8 ± 0,2 ° C, während die Bodenoberflächentemperatur 25,7 betrug ± 0,4 ° C. Die gesamte durchschnittliche Bodentemperatur 29 ° C betrug 28,2 ± 0,3 ° C (Abbildung 4).

Seed Arten können für ihre optimale und Sämlingswachstum Temperaturen auf einem thermogradient Tabelle mit Zwickel getestet werden. Tomate und Melone, die beide für warm Saison Kulturen, keimten über einen Bereich von 14,1 bis 40.2 ° C (Tabelle 1, Abbildung 3). LED - Arrays montiert in der Tabelle Deckel und / oder an den Seiten emittieren die photo Spektrum Pflanzen ermöglicht im Boden im experimentellen Bodentemperaturen zu wachsen , wenn die Tabelle eingeschlossen ist (Figur 3). Optimum Sämlingwachstum für Tomaten traten bei 29,6 ° C mit einem Auflaufen Prozentsatz von 100% und einer mittleren Zeit bis zum Auftreten von 5,3 Tage (Tabelle 1, Abbildung 5). Entstehung war langsamer bei anderen Temperaturen. Für Melone betrug die optimale Entstehung Prozentsatz 96% und mittlere Zeit bis zum Auftreten wurde 5,1 Tage beide bei 24,7 ° C (Tabelle 1). Sowohl Salat und Hafer sind cool season Kulturen betrachtet. Hafer Samen keimten über einen Bereich von 5,1 bis 40,2 ° C die breiteste aller getesteten Samen (Tabelle 1, Abbildung 5). Für Hafer, war der höchste Auflaufen Prozentsatz 100% bei 24,7 ° C und die schnellste Auflaufen betrug 3,4 Tage bei 29,6 ° C (Tabelle 1, Abbildung 5). Für Salat, Entstehung wurde über einen Bereich von 5,1 bis 29,6 ° C beobachtet. Für Salat, war der höchste Auflaufen Prozentsatz 100% bei 24,7 ° C und die schnellste Auflaufen betrug 3,4 Tage bei 29,6 ° C (Tabelle 1).

Abbildung 1: Eine traditionelle flache thermogradient Tabelle mit den isolierten Deckel entfernt , aber mit einem inneren Acryldeckel ½ den Tisch abdecken Die traditionellen flachen Tisch Design Tests Auswirkungen der Temperatur auf die Proben , die in flachen Behältern.. Temperaturregelung des Gradienten wird in Abständen über der Oberfläche schnell verloren, da kein Hindernis für die Luftmisch ist. Die Experimente , die eine konstante Temperatur in der Tiefe nicht möglich sind mit diesem Design erforderlich. Bitte hier klicken , um ein la anzuzeigenrger Version dieser Figur.

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines thermogradient Platte mit Zwickel Gussets Stich senkrecht zur Oberfläche in Längsrichtung über den Tisch verschweißt.. Ein Drain in einer Ecke entfernt überschüssiges Wasser. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3:. Beleuchtete thermogradient Tisch mit Zwickel mit Erde gefüllt, sod, und Behälter für die Keimung der Samen Experimente Der Gradient in dieser Tabelle wird von links (warmen Ende) nach rechts (kaltes Ende) eingerichtet. Während die Zwickel-Design wurde für den Einsatz mit dem Erdreich, Containern entwickeltkann zwischen Zwickel für Experimente mit kleinen Proben platziert werden. Die LED - Anlage wachsen Lichter in den Deckeln oder Peripherie montiert werden kann und photosynthetisch aktiven Frequenzen aussenden und erlauben Pflanzen im Inneren des Gehäuses angebaut werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. Die Temperaturwerte aus verschiedenen Bodenpositionen auf einer gusseted thermogradient Tabelle. Temperaturlogger wurden im Boden über den Tisch an der linken Wand, links von der Mitte (20 cm von der linken Wand), rechts in der Mitte (40 cm von der linken Wand) platziert und an der rechten Wand der Mitte zwischen Zwickel. Unten Positionierung des Temperaturlogger war in der Nähe der Aluminium Tischfläche 8 cm unterhalb der Oberseite des Bodens, während Mittelplatzierung war approximately 4 cm unter dem Boden. Temperaturlogger auf der Erde gelegt wurden freigelegt. Werte über Balken zeigen die Gesamtmitteltemperaturen ± Standardabweichung vom Mittelwert (n = 72). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5:. Stecklinge von Hafer und Tomaten für 14 Tage auf thermogradient Tabellen über einen Temperaturbereich von 5 bis 40 ° C gezüchtet Das Bild zeigt , wie und Sämlingswachstum von mehreren Arten können im Boden gleichzeitig über einen Bereich von Temperaturen in einem beurteilt werden Einzelexperiment Feldbedingungen zu simulieren. Top (links und rechts) Bilder zeigen die thermogradient Tabelle bei senkrechter Betrachtung. Unten (links und rechts) Bilder zeigen die Tabelle in der horizontalen Ausrichtung. alcohol Thermometer wurden in den Boden gelegt, um schnell Temperaturen während des gesamten Experiments überwachen.

Zieltemperatur	Gemessene Temperatur	Tomate		Melone		Grüner Salat		Hafer
		EM †	MTE ††	EM	MTE	EM	MTE	EM	MTE
° C	° C	%	Tage	%	Tage	%	Tage	%	Tage
5	5.1	0	0.0	0	0.0	78	11.4	46	12.7
10	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
† Erfolgreiche Entstehung (EM) wurde erzielt, wenn Sämlinge mit mindestens einem offenen cotyledon hatte.
Mittlere Zeit bis zum Auftreten (MTE) †† wurde durch Summieren des Produkts der Anzahl Samen berechnet, die jeden Tag von der Tag-Nummer und Dividieren durch die Gesamtzahl Samen herausgestellt, dass für jede Behandlung entstanden.

Tabelle 1: Germination von Tomate, Melone, Salat und Hafersamen im Boden bei acht Temperaturen auf einem Thermogradient Tabelle. Die fett gedruckten Zahlen zeigen die optimalen Werte für die einzelnen Arten und zeigen die Temperaturabhängigkeit der verschiedenen Pflanzenarten. Das Experiment wurde für 14 Tage in Pottingmischung durchgeführt und die Medien wurden täglich gewässert oder nach Bedarf Erde immer sichtbar feucht. Die Daten basieren auf 25 Samen für jede Spezies.

Diskussion

Thermogradient Tabellen sind seit vielen Jahren für die Durchführung in erster Linie die Keimung der Samen Experimente in flache Behälter über einen Bereich von Temperaturen gleichzeitig verwendet. Jedoch sind die experimentellen Temperaturen auf die Tischoberfläche begrenzt, um die Tiefe der Temperaturregelung ist begrenzt. Seed Testprotokolle auf traditionellen Gradienten Tabellen durchgeführt enden mit Würzelchen Entstehung auf Papiersubstrat in Petrischalen oder anderen flachen Behälter und prüfen nicht realistisch Sämling Entstehung und das Wachstum als würde natürlich im Boden vorkommen. Heute Saatgut-Unternehmen wollen oft Keimkraft zu bewerten (die Fähigkeit, unter weniger keimen als optimalen Bedingungen) simulierten Feldbedingungen verwenden, die Erzeuger werden nach dem Pflanzen wahrscheinlich begegnen. Bodenuntersuchungen macht auch Samen zu Pilz- und Bakterienkrankheiten Druck nicht üblich in standardisierten Labor Keimungstests auf soilless Medien. Wird der Boden auf einem flachen, nicht gusseted Tisch, große Schwankungen von 5 ° C oder mehr wir platziertsind nicht selten zwischen den Positionen im Bodenprofil und Tischflächen (nicht veröffentlichte Ergebnisse).

Eine eindimensionale Gradienten Tabelle mit Zwickeln entwickelt vertikale Temperaturregelung zu verbessern, so dass der Boden in Keimtests und andere Experimente verwendet werden könnten, wo eine genaue Kontrolle der Bodentemperatur ist kritisch. Die Zwickel beschränken Boden oder synthetische Wachstumsmedien und Regelung der Temperatur in der Tiefe. Die Versteifungen sind Aluminium, das gleiche Material wie die Tischplatte, und als senkrecht zur Oberfläche geschweißt sie bieten die Temperatursteuerung des Raumes zwischen durch konduktive Wärmeübertragung. Die Versteifungen können auf der Tabelle orientiert längs oder der Breite nach über den Tisch. Beide Entwürfe ausführen ähnlich, aber die Breiten Zwickel Orientierung ist bequem, weil der Raum zwischen Zwickel als einzelne experimentelle Temperatur dienen kann, wenn der Gradient richtig eingestellt ist. Horizontale Ausrichtung ermöglicht experimentelle Einheiten (Samen in diesem Beispiel) beabstandet zu sein einüberqueren Sie die Tabelle in einer Linie nebeneinander. Gusset Abstand kann nur während der Herstellung variiert werden, weil Zwickel an Ort und Stelle so alternative Positionierung geschweißt sind, können nicht getestet werden, sobald Tischkonstruktion abgeschlossen ist. Ein Zwickel Abstand von 10,9 cm wurde ausgewählt, flache Behälter für Saatgutprüfung oft zusätzlich zu Boden eingesetzt zu werden. Näher Zwickel Abstand bessere Temperatursteuerung bereitstellen würde aber die Arten von Behältern begrenzen, die auf dem Tisch verwendet werden kann.

Die Temperatur und die Feuchtigkeit der wachsenden Medien in der thermogradient Tabelle kontinuierlich überwacht werden müssen, um die gewünschten experimentellen Bedingungen zu erreichen. Vor dem Pflanzen sollten die zirkulierende Bäder leicht unter dem gewünschten Minimum eingestellt werden und leicht über Höchsttemperaturen als eingestellt, bis die Proben, die gewünschten Versuchstemperaturen erreicht haben. Etwa 24 Stunden sollten für die Proben erlaubt werden, um Wärme mit dem Gradienten Tabelle äquilibrieren. Der Feuchtigkeitsgehalt des the wachsenden Medien sollten (70-80% der Feldkapazität) ausreichend sein, um die Keimung der Samen oder andere biologische Prozesse ablaufen. Die Tabelle Isolierung und Dual-Deckel Temperaturschwankungen und Wasserverdunstung, wenn an Ort und Stelle zu reduzieren.

Die Ergebnisse in Tabelle 1 vergleichen seedling Wachstum von 4 Arten bei verschiedenen Temperaturen. Das Wachstum von Melone und Tomatensamen begann bei 15 ° C und keimten gut bei 40 ° C zu erklären , warum sie so warm-Saison ¹⁰ Kulturen geprägt sind. Im Gegensatz dazu Salat gekeimt besten bei niedrigen Temperaturen. Hafer Samen keimten über einen breiteren Temperaturbereich als die anderen Arten (Tabelle 1). Während ähnliche Ergebnisse unter Verwendung einer Reihe von Wachstumskammern in einer Reihe von koordinierten Experimenten erhalten werden konnte, erlaubt die Zwickel Design sowohl Keimung und Sämlingwachstum gleichzeitig über einen Bereich von Bodentemperaturen verglichen werden. Verschiedene Feld Böden oder den AnbauMedien können eine Reihe von Feldbedingungen zu simulieren, ersetzt werden. Mikrobielle oder chemischen Behandlungen, Dünger Regime, Trockenstress und Variationen in Licht-Umgebung kann über Temperaturen auf dem Gradienten Tabelle verhängt werden.

Die kleinen Datenlogger Temperatur an verschiedenen Positionen auf der Tabelle aufgezeichnet. Temperaturdaten zeigten, relativ gleichmäßige Temperaturen in der Mitte des Tisches mit einer größeren Variation, insbesondere am warmen Ende. Positionieren Logger in Kontakt mit der Tischoberfläche und der Luft ausgesetzt, um auf der Bodenoberfläche, die Extreme wahrscheinlich akzentuiert. Temperaturen in der Mittelposition aufgezeichnet waren wahrscheinlich mehr indikativ für bulk Bodenbedingungen. Zum Beispiel kann ein Samen in den Boden, auf dem Gradienten Tabelle zwischen Zwickel gepflanzt Feldpflanz simulieren würde nur bulk Bodentemperatur und nicht die Luft oder das Tischoberflächentemperatur ausgesetzt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt und die Textur des Bodens spielt eine Rolle bei der Bestimmung Tabelle Temperaturen. Wenn the Boden trocken ist, Lufträume Temperaturänderung widerstehen und leiten Wärme nicht effektiv von den Zwickel. Feuchter Boden hat einige Lufträume und mehr flüssiges Wasser, um effektiv Wärme durch das Bodenprofil führen. In diesem Experiment Boden wurde bei 70 bis 80% seiner maximalen Wasserhaltefähigkeit, aber höhere Wassergehalt reduziert haben Bodentemperaturvariation aufrechterhalten. Sand hat da weniger große Porenräume als Böden mit hohem organischen Stoffen und somit zu erwarten wäre gleichmäßigere Temperaturen zu sorgen.

Es gab größere Variation in Bodentemperatur am warmen Ende des Tisches gegenüber dem kalten Ende. Eine mögliche Erklärung liegt in der Feuchtigkeitsverteilung über den Tisch. Feuchtigkeit neigt dazu, in das kalte Ende gehalten zu werden, während das warme Ende wegen der größeren Verdampfungsverluste zu trocknen neigt. Da Wasser Verhalten Wärme hilft, ist es wichtig, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Tabelle möglichst einheitlich sein. Webb et al. ⁹ verwendet Blotter Papier Wasser über eine thermogradient Tabelle durch Kapillarwirkung zu führen, während Zeitung arbeitete auch eine weniger teure Alternative in der gusseted thermogradient Tabelle. Obwohl Zwickel mit hydrophilem Papier ausgekleidet wurden Feuchtigkeitsverteilung an, sowohl die kühlen und warmen Enden halten gleichmäßig feucht ist eine Herausforderung.

Schnelles Verdampfen bei hohen Temperaturen tritt auf allen Gradienten Tisch-Designs. Kondensation ist oft ein Problem, wenn der Behälter Experimente auf einem Gradienten-Tabelle durchgeführt werden bei Temperaturen deutlich über Umgebungs weil der Boden des Behälters ist wärmer als die obere Wasser verursacht an der Innenseite des Kühlers Deckel zu sammeln. In Boden Experimente auf der gusseted Tisch, verdampft Wasser aus den oberen Bodenschichten in die Luft oben in der Tabelle gusseted. Wenn der Boden sehr feucht ist, Verdampfungsverluste am warmen Ende des Tisches kann auf der kühleren Innenacryl Deckel kondensieren. Resting enganliegende Stücke aus Acryl oder Polystyrol-Dämmung direktly oben auf den Zwickeln der Boden gleichmässig feucht und Temperatur konstant gehalten Dampfaustausch mit dem Luftraum über dem Tisch minimiert (Daten nicht gezeigt). Wenn der Tisch mit Polystyrol Isolierung bedeckt war, Temperaturänderung nur an den extremen Temperaturen von 1 bis 2 ° C über dem Bodenprofil war (Daten nicht gezeigt). Allerdings Polystyrol-Dämmung verhindert Sämlinge aus Schwellen- und müssen entfernt werden, nachdem die anfängliche h Inkubation für Wachstum analysiert. Eine andere Lösung für eine rasche Trocknung von warmen Böden verhindern ist, um vorzugsweise mehr Wasser zu dem warmen Ende hinzufügen für Verdampfungsverluste zu kompensieren. Hand Bewässerung ist problematisch, da die Deckel entfernt werden müssen und Anwendungsmengen sind weniger präzise. Micro-Bewässerung-Strahler können auf einem Gradienten Tisch ausgelegt und kann so eingestellt werden, um vorzugsweise mehr Wasser zu dem warmen Ende anwenden.

Thermogradient Tabellen haben die Funktionalität und Potenzial als alternative Wachstumskammern dienen. When beide Bäder sind gleich eingestellt, wobei die Tabelle ins Gleichgewicht zu einzelnen Versuchstemperatur für Anwendungen, bei denen ein Gradient ist nicht erforderlich. Tag und Nacht Licht und Temperaturschwankungen können auch programmierbare zirkulierende Bädern simuliert werden und LED-Leuchten wachsen. Füllen Sie die Innenseiten der Deckel mit LED wachsen Lichter Lichtintensität zu erhöhen. Die LED-Leuchten Eingang minimal Wärme in das System wachsen und nicht mit dem Farbverlauf stören, weil ähnliche Bodentemperaturen mit Licht aufgenommen wurden, ein und aus (Daten nicht gezeigt). Die Zugabe von Leuchten ermöglicht das Pflanzenwachstum und mehr Umweltkontrolle.

Thermogradient Tabellen wurden in erster Linie von der Saatgutindustrie für die Keimung Studien in der Vergangenheit, aber viele andere Anwendungen sind möglich verwendet. Insektenverhalten wurde auf einem Gradienten Tabelle studiert Temperatur optima bestimmter Verhaltensweisen ¹¹ bestimmen. Eis kann bei subfreezing t zum Testen Phänomene auf einem Gradienten Tischoberfläche eingefroren werdenemperatures (Daten nicht gezeigt). Der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre, einschließlich Kohlendioxidentwicklung ist möglich, auf einem gusseted Gradienten Tabelle mit unterschiedlichen Wassergehalte, Boden-Eingänge und Temperaturen. Studium Wirkungen von Bakterien- und Pilzwachstum in verschiedenen Arten von Medien über einen Bereich von Temperaturen ist auch möglich, mit diesem Versuchssystem.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Thermogradiententabelle	Appalachian Machinge Inc		Maßanfertigung, Thermogradiententabelle mit Seitenfalte (Schaltpläne sind im Manuskript enthalten). Die Aluminiumherstellung und das Schweißen wurden von Appalachian Machinge Inc., 5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084, durchgeführt.
Isolierter Schrank aus Polymerplatten	TASCO LLC		Der isolierte Schrank aus Polymerplatte, der die Aluminiumplatte enthält, wurde von TASCO LLC hergestellt,   1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073
Blue Hawk Folding Steel Adjustable Sawhorse	Lowes Home Improvement		162111 Modell #: 60142 Folding Steel Adjustable Sawhorses
Zirkulierende gekühlte Wasserbäder oder vergleichbare Einheiten	Brookfield Engineering	TC-550SD
Seeds (200 Samen)	Johnny's Selected Seeds		Hafer-, Salat-, Tomaten-, Melonensamen von Johnny's Selected Seeds 955 Benton Ave, Winslow, ME 04901 oder jedes andere Saatgut für die Keimprüfung,
Professional 550 Grow Light	SolarOase	Pro550
ID geflochtener PVC-Schlauch	United States Plastics Inc.	60703	0,6 m Stücke mit einem Außendurchmesser von 200 cm, 130 mm (1/2")
Super Tech 50/50 Frostschutz-/Kühlmittel-Vormischung	Walmart	1012574	4 Liter destilliertes Wasser-Frostschutzmittel (Ethylenglykol) Gemisch
WatchDog Datenlogger Spectrum	Technologies Inc	Modell 100
Parafilm M 4 cm breit	Fisher Scientific	S37440
Behälter Acryl 5 1/4 "x 5" x1 3/8" Kunststoffboxen	Hoffman Manufacturing Inc		Hoffman Manufacturing Inc. 16541 Green Bridge Road, Jefferson, Vereinigte Staaten von Amerika;
1" Bundschraube	Global Industrial	CS16H	Global Industrial,  11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY
Schnecken-Schlauchschelle mit Kragenschraube	Global Industrial	WGB513588	3/4" - 1-1/2" Klemmdurchmesser 10er-Pack .
Everbilt Modell Schaumrohrisolierung	Home Depot	ORP11812	Internet # 204760805 Store SKU # 1000031792 1 Zoll x 6 Fuß
Kapillarmatte	Farmtek	106223	Gewächshaus-Kapillarmatte - 4' x 100' oder alternativ Blatt Zeitungspapier
Sunshine Mix #3	TerraLink	3236320	3,8 Kubikfuß gepresster Ballen, SKU: 3236320, Keimmedium