Stół termogradientowy z fałdami do kontrolowania temperatury gleby w celu oceny wzrostu roślin i monitorowania procesów zachodzących w glebie

Podsumowanie

Tradycyjne tabele termogradientowe tworzą zakres temperatur na całej powierzchni. Spawanie węzłów prostopadłych do powierzchni stołu termogradientowego pozwoli na dogłębną kontrolę temperatury, zwiększając możliwe zastosowania badawcze.

Streszczenie

Tabele termogradientowe zostały po raz pierwszy opracowane w latach 50-tych XX wieku, głównie do testowania kiełkowania nasion w różnych temperaturach jednocześnie, bez użycia szeregu inkubatorów. Gradient temperatury jest pasywnie ustalany na powierzchni stołu między ogrzewanymi i chłodzonymi końcami i jest szybko tracony w odległościach nad powierzchnią. Ponieważ temperatura jest kontrolowana tylko na powierzchni stołu, eksperymenty są ograniczone do płytkich pojemników, takich jak szalki Petriego, umieszczonych na stole. Spawanie ciągłych aluminiowych pionowych pasów lub klinów prostopadłych do powierzchni stołu umożliwia regulację temperatury na głębokość poprzez konwekcyjne przepływy ciepła. Gleba w kanałach między klinami została utrzymana w całym gradiencie temperatur, co pozwoliło na większą różnorodność eksperymentów. Projekt klinowy został oceniony na podstawie kiełkujących nasion owsa, sałaty, pomidora i melona. Temperaturę gleby monitorowano za pomocą indywidualnych, zasilanych bateryjnie rejestratorów danych umieszczonych w poprzek stołu. Światła LED zainstalowane w pokrywach lub wzdłuż boków stołu gradientowego tworzą komorę o kontrolowanej temperaturze, w której sadzonki mogą być uprawiane w różnych temperaturach. Konstrukcja z fałdami umożliwiła dokładne określenie optymalnych temperatur dla najszybszego tempa kiełkowania i najwyższego procentu kiełkowania dla każdego gatunku. Informacje o kiełkowaniu z eksperymentów z tabelą gradientów mogą pomóc w przewidywaniu kiełkowania nasion i wzrostu sadzonek w niekorzystnych warunkach glebowych często spotykanych podczas uprawy roślin. Wpływ temperatury na kiełkowanie nasion, wzrost sadzonek i ekologię gleby można testować w kontrolowanych warunkach w laboratorium przy użyciu tabeli termogradientowej z fałdami.

Wprowadzenie

Tabele termogradientu nie są niczym nowym, a ich zastosowanie było opisywane w literaturze przez kilkadziesiąt lat^1-6. Wczesne tabele zostały opracowane rzekomo do laboratoryjnych testów kiełkowania nasion, często na podłożu papierowym w szerokim zakresie temperatur w jednym eksperymencie (ryc. 1). Istnieją różne konstrukcje stołów termogradientowych, ale jeden z najczęstszych składa się ze stosunkowo grubej prostokątnej blachy, często aluminiowej ze względu na jej odporność na korozję, z pętlą z kwadratowej rury przyspawanej do dna na przeciwległych końcach. Plastikowe rurki łączą rury wlotowe i wylotowe stołu z łaźniami cyrkulacyjnymi o kontrolowanej temperaturze, które pompują schłodzony i podgrzany płyn przez rury na przeciwległych końcach pod stołem. Rura przewodzi płyn, zwykle mieszaninę wody i płynu niezamarzającego (glikol etylenowy), aby zapobiec zamarzaniu, jeśli system ma być eksploatowany w temperaturach bliskich lub niższych od zera. Innym projektem jest spawanie ze sobą pasków metalu w celu utworzenia zbiornika płynu na każdym końcu stołu z wlotami i wylotami do cyrkulacji ciepłych i zimnych roztworów na obu końcach. Wanny cyrkulacyjne można ustawić na podłodze pod stołem lub na osobnym stoliku ustawionym obok siebie. Elektryczne stoły termogradientowe z wężownicami grzewczymi i/lub modułami chłodzącymi Peltiera zostały zbudowane, ale wysokie koszty, wyzwania związane z generowaniem stale niskich temperatur i problemy z niezawodnością uniemożliwiły powszechne zastosowanie komercyjne⁸.

Projekty płynów krążących pasywnie tworzą jednowymiarowy gradient poprzez przewodnictwo cieplne. Jeśli płyta aluminiowa ma jednolity kształt i grubość oraz jest odpowiednio izolowana, ciepło przepływa równomiernie od ciepłego do zimnego końca stołu, ustanawiając ciągły jednowymiarowy gradient temperatury, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki⁷. Nachylenie w poprzek powierzchni jest funkcją długości stołu i różnic między temperaturami końcowymi. Stół i instalacja wodno-kanalizacyjna są zwykle umieszczone w izolowanej obudowie z pokrywami umożliwiającymi dostęp. Obudowa izoluje stół od otoczenia, tworząc równomierny gradient na powierzchni przy niewielkich wahaniach temperatury. Izolowaną obudowę można wspartą na nogach lub umieszczoną na płaskiej powierzchni, takiej jak stół lub ławka. W przypadku zastosowań, w których wymagana jest jednolita kontrola temperatury bez gradientu, można ustawić stół w celu uzyskania warunków izotermicznych, jeśli oba końce krążą w płynie o tej samej temperaturze.

Gdy tabela gradientu działa poprawnie, szalki Petriego, szczelnie zamknięte plastikowe torby, pojemniki z płaskim dnem, itp., są umieszczane na powierzchni i termorównoważą się do różnych temperatur (Rysunek 1). Doświadczalna temperatura w każdym zbiorniku zależy od przestrzeni powietrznych, które mogą istnieć między zbiornikiem a powierzchnią stołu oraz od grubości i właściwości izolacyjnych każdego zbiornika. Tabela gradientów skutecznie utrzymuje temperaturę próbki blisko powierzchni, ale kontrola nad powierzchnią jest tracona. Brak pionowej kontroli temperatury ogranicza rodzaje eksperymentów możliwych do przeprowadzenia na tradycyjnym stole gradientowym.

Aluminiowe paski lub kliny zostały dodane do tradycyjnego gradientowego stołu, aby poprawić kontrolę temperatury nad powierzchnią stołu. Blachy węzłowe zostały przyspawane w odstępach prostopadłych do powierzchni stołu. Wstawki ułatwiają konwekcyjny przepływ ciepła w pionie nad płaską powierzchnią stołu. Próbki umieszczone między fałdami mają z trzech stron powierzchnie o regulowanej temperaturze, co zapewnia bardziej efektywną kontrolę temperatury. Clegg i Eastin² umieścili piasek kwarcowy na gradientowej powierzchni stołu, aby zapewnić dogłębną kontrolę temperatury. Clegg i Eastin² eksperymentowali również z umieszczeniem izolacji na stole. Webb i wsp.⁹ osób umieściło rury wypełnione ziemią na stole, starając się równomiernie kontrolować temperaturę.

Nowy projekt stołu, o którym tutaj mówimy, ma dziewięć klinów (aluminiowych pasków) o wysokości 7,6 cm (3 cale), które są przyspawane do powierzchni na całej długości stołu (Rysunek 2). Oprawy oświetleniowe LED emitujące częstotliwości aktywne fotosyntetycznie są instalowane po bokach stołu, aby wspomóc wzrost sadzonek, gdy stół jest zamknięty. Izolowana obudowa stołu termogradientowego z fałdami wykonana jest z białych płyt PCV, które są odporne na wodę, wypaczenia i pęknięcia. Celem tego artykułu jest opisanie nowego projektu gradientowego stołu z fałdami i możliwych zastosowań.
 

Protokół

1. Przygotowanie kąpieli cyrkulacyjnych i stołu

1. Zaopatrzyć się w dwie kąpiele obiegowe ze zbiornikami, które pompują co najmniej 10 l/min w celu kontrolowania temperatury na każdym końcu tabeli termogradientu.
   UWAGA: Jedna z kąpieli cyrkulacyjnych musi chłodzić zbiornik, podczas gdy druga musi tylko podgrzewać.
2. Sprawdź wanny obiegowe, aby upewnić się, że ich filtry i zbiorniki są czyste.
3. Zidentyfikuj miejsce na stół i wanny. Umieść wanny pod stołem tak długo, jak długo pompa może cyrkulować płyn przez powyższy stół. Umieść stół gradientowy na dogodnej wysokości, aby zdjąć pokrywy i dotrzeć do wszystkich pozycji na powierzchni.
   UWAGA: Miejsce na stół i wanny musi być dobrze wentylowane, wolne od ekstremalnych temperatur, stosunkowo wolne od kurzu i mieć dostęp do obwodów elektrycznych, aby odpowiednio zasilić wanny i system oświetleniowy.
4. Napełnij każdą wannę do górnej części zbiornika zbiornika mieszaniną wody i płynu niezamarzającego (w stosunku 1:1), aby poprawić wymianę ciepła i zapobiec zamarzaniu.
   UWAGA: Stężenie płynu niezamarzającego zależy od specyfikacji kąpieli i temperatury roztworu. Wysokie stężenia płynu niezamarzającego nie są wymagane, chyba że generowane są temperatury poniżej zera. Czysty płyn niezamarzający może uszkodzić niektóre pompy do kąpieli wodnej.
5. Połącz wloty i wyloty wanien za pomocą elastycznych rurek odpowiednio z rurami wylotowymi i wlotowymi na stole, aby stworzyć ciągły wzór przepływu zarówno na przeciwległych ciepłych, jak i zimnych końcach stołu.
6. Używaj grubościennych elastycznych rurek z tworzywa sztucznego o nieelastycznych ściankach, które nie rozszerzają się pod naciskiem ani nie załamują się po zgięciu. Użyj z kołnierzem, węża clamps na złączkach rur, aby utrzymać połączenie bez kapania, gdy system jest pod ciśnieniem. Owiń rurkę cyrkulacyjną izolacją z rury piankowej, aby zmniejszyć wymianę ciepła z otoczeniem.
7. Przy otwartych zaworach rurowych na chwilę włącz pompy obiegowe, aby sprawdzić, czy nie ma wycieków i zapadniętych przewodów, które mogą zmniejszyć przepływ. Wyreguluj clamps jeśli wystąpią wycieki. Sprawdź oprawy oświetleniowe, aby upewnić się, że działają prawidłowo.

2. Przygotowanie stołu do eksperymentów

1. Wyłóż dolną część stołu termogradientowego między klinami materiałem hydrofilowym, takim jak mata kapilarna szklarniowa, ręczniki papierowe lub niebłyszcząca gazeta, aby bardziej równomiernie rozprowadzić wodę.
2. Wypełnij stół równomiernie podłożem uprawowym poniżej lub nawet do wierzchołków klinów. Upakuj podłoże uprawowe na tyle szczelnie, aby usunąć kieszenie powietrzne, które zakłócają równowagę temperatury.
   UWAGA: Można również użyć gleby rodzimej.
3. Przy otwartych zaworach rur wlotowych i wylotowych w stole uruchomić łaźnię cyrkulacyjną, ustawiając jedną kąpiel na temperaturę o 5 °C niższą, a przeciwną łaźnię na temperaturę o 5 °C wyższą odpowiednio od minimalnej i maksymalnej żądanej temperatury (5 do 40 °C), aby uwzględnić straty i zyski ciepła podczas cyrkulacji. Monitorować kąpiele w zbiorniku i dodawać mieszaninę wody i płynu niezamarzającego (glikolu etylenowego) w razie potrzeby, gdy poziomy spadają, gdy krążący roztwór wypełnia rury w stole.
4. Temperaturę kąpieli należy dostosowywać do momentu, gdy na stole gradientu zostaną osiągnięte żądane temperatury podłoża uprawowego (5–40 °C lub inne pożądane temperatury doświadczalne).
   UWAGA: Dokładna temperatura jest osiągana poprzez iteracyjny proces pomiaru temperatury podłoża uprawowego i regulacji kąpieli, aż do osiągnięcia żądanej temperatury podłoża uprawowego na stole.
5. Umieść rejestratory temperatury w różnych miejscach na stole, aby rejestrować temperaturę podłoża uprawowego lub gleby podczas eksperymentu. Zalecane rejestratory danych mają rozmiar podobny do miniaturowej okrągłej baterii waflowej. Owiń rejestratory danych w Parafilm, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przez wodę i umieść je w pozycjach eksperymentalnych w pożywkach uprawowych.
6. Zwilż podłoże uprawowe równomiernie do 70-80% maksymalnej zdolności zatrzymywania wody przez podłoże. Wilgotniejsze gleby efektywniej odprowadzają ciepło między węzłami.
   UWAGA: Woda ma tendencję do szybszego parowania z ciepłego końca stołu, więc może być konieczne częstsze stosowanie w celu uzupełnienia strat spowodowanych parowaniem. Maksymalna zdolność zatrzymywania wody to ilość wody zatrzymanej w podłożu uprawowym po nasyceniu i odsączeniu wody grawitacyjnej przez 2 dni przez pojemnik z perforowanym dnem. Zawartość wilgoci oznaczono grawimetrycznie przed i po suszeniu w piecu w temperaturze 105 °C przez 72 godziny.
7. Pozwól stołowi zrównoważyć się przez 24 godziny, aby upewnić się, że żądane temperatury (od 5 do 40 °C) zostały osiągnięte przez cały czas przed rozpoczęciem eksperymentu.
8. Przechyl stół, regulując nóżki w każdym rogu, aż stół nachyli się bardzo nieznacznie w kierunku rogu z odpływem. Usuwa to nadmiar wilgoci, zapobiega powstawaniu mokrych plam na stole i zapewnia równomierną wilgotność podłoża. Umieść pojemnik pod odpływem, aby złapać odpływ.
9. Sadzić nasiona w podłożu uprawowym i wodzie codziennie lub w razie potrzeby, aby utrzymać wilgotność podłoża.
   UWAGA: Jako przykład tego, jak można przeprowadzić testy kiełkowania, posadziliśmy 25 nasion pomidora (Solanum lycopersicum L. cv. Legend), melona (Cucumis melo cv. Hales Best Jumbo), sałaty (Lactuca sativa L. cv. Black Seeded Simpson) i owsa (Avena sativa L. cv Swan) na głębokości 2 cm.
10. Policz liczbę wschodzących siewek dziennie, aby obliczyć średni czas do wschodu zgodnie z równaniem:
    ∑ (n_i x t_i)
    MTE = –––––––––––––
    ∑ (n_i)
    UWAGA: Gdzie n_i oznacza liczbę wschodzących nasion w czasie t_i; t oznacza liczbę dni od początku pojawienia się; a ∑ n_i oznacza całkowitą liczbę wschodzących nasion.

3. Obsługa stołu termogradientowego

1. Po dostosowaniu wanien do żądanych temperatur należy wymienić dwie termogradientowe pokrywy stołów, przezroczyste pokrywy z wewnętrznej blachy akrylowej i bardziej masywną pokrywę z polichlorku winylu (PVC) izolowaną polistyrenem, aby zakryć stół. Obie osłony na miejscu zapewniają najlepsze właściwości izolacyjne, aby zmniejszyć straty ciepła i wody podczas testowania.
   UWAGA: Jeśli nad stołem zamontowane jest oświetlenie otoczenia lub oświetlenie dodatkowe, do przepuszczania światła można używać tylko wewnętrznej pokrywy.
2. Zdejmij zewnętrzną pokrywę, aby sprawdzić stół przez wewnętrzne akrylowe pokrywy. Zdejmij tymczasowo wewnętrzną pokrywę, aby dodać wodę lub inne dane, sprawdzić temperaturę lub zapisać dane.
   UWAGA: W wyższych temperaturach woda szybko odparowuje z wilgotnej gleby i skrapla się na dnie wewnętrznej pokrywy, ponieważ powierzchnia jest chłodniejsza.
3. Uważnie monitoruj system podczas eksperymentów pod kątem przerw w dostawie prądu, usterek kąpieli, wycieków lub nadmiernych wahań temperatury stołu. Monitoruj poziom w zbiorniku kąpieli i okresowo dodawaj płyn, aby uzupełnić ubytki parowania.

Wyniki

Płaskie naczynia, takie jak szalki Petriego, mogą być umieszczone na tradycyjnym jednowymiarowym stole gradientowym, aby jednocześnie ocenić efekty wielu temperatur eksperymentalnych (Rycina 1). Aby zwiększyć różnorodność możliwych zastosowań badawczych na stole termogradientowym, po obu stronach naprzemiennie przyspawano za pomocą spawania punktowego aluminiowe wsporniki o wysokości 7,6 cm (3 inches), tak aby każdy wspornik stał prostopadle do powierzchni w odstępach 10,9 cm (4,2 inches), przylegając bezpośrednio do powierzchni (Rycina 2). Choć możliwe jest zastosowanie szerokiego zakresu odstępów między wspornikami, wybrano wartość 10,9 cm, aby pomieścić kwadratowe plastikowe pudełka typu „sandwich” lub pojemniki o podobnych rozmiarach, często stosowane do badania kiełkowania gatunków o małych nasionach lub innych próbek biologicznych (Rycina 3). W przeciwieństwie do konwencjonalnego płaskiego stołu gradientowego, konstrukcja ze wspornikami umożliwia umieszczenie gleby i innych amorficznych materiałów sypkich w eksperymentach z kontrolowaną temperaturą. W jednym z narożników wykonano przesiewany i filtrowany otwór odpływowy do usuwania nadmiaru wody. Podkładki lub „nóżki” w każdym narożniku mogą być regulowane, aby przechylić stół i ułatwić odpływ grawitacyjny. Niewielka szczelina między końcami wsporników a zewnętrzną krawędzią stołu pozwala wodzie spływać wzdłuż jednej strony do narożnego odpływu.

Temperatury gleby mierzono przy 70-80% wilgotności gleby, po 24 h cyrkulacji kąpieli w stałej temperaturze przy zamkniętych pokrywach (Rysunek 4). Zmienność temperatury zmierzona po 12-godzinnym okresie stabilizacji w czterech różnych punktach stołu wynosiła 0,4 °C lub mniej (Rysunek 4). Zmienność temperatur w profilu glebowym mierzona na trzech głębokościach była większa w wartościach ekstremalnych. Przy temperaturze docelowej 13 °C rejestratory danych umieszczone na aluminiowej powierzchni między wspornikami odnotowały średnią 11,0 ±0,0 °C. Rejestratory umieszczone na powierzchni gleby wykazały średnią 13,5 ± 0,1 °C. Ogólna średnia temperatura gleby na wszystkich trzech poziomach dla temperatury docelowej 13 °C wyniosła 12,3 ± 0,1 °C. Przy temperaturze docelowej 18 °C średnia temperatura w całym profilu glebowym wynosiła 19,1 ± 0,1 °C. Zmienność przy temperaturze docelowej 23 °C była większa niż przy 18 °C, ze średnią 23,8 ± 0,2 °C. W drugiej temperaturze ekstremalnej, 29 °C, temperatura aluminiowej powierzchni stołu wynosiła 30,8 ± 0,2 °C, podczas gdy temperatura powierzchni gleby wynosiła 25,7 ± 0,4 °C. Ogólna średnia temperatura gleby przy 29 °C wyniosła 28,2 ± 0,3 °C (Rysunek 4).

Optymalne temperatury kiełkowania i wzrostu siewek wybranych gatunków nasion można badać na stole z gradientem temperatury wyposażonym w przegrody. Pomidor i melon, uznawane za rośliny ciepłolubne, kiełkowały w zakresie od 14,1 do 40,2 °C (Tabela 1, Rysunek 3). Panele LED zamontowane w pokrywach i/lub bokach stołu emitują widmo fotosyntetyczne, co umożliwia wzrost roślin w glebie w eksperymentalnych temperaturach podłoża, gdy stół jest zamknięty (Rysunek 3). Optymalny wzrost siewek pomidora wystąpił w temperaturze 29,6 °C, przy odsetku wschodów wynoszącym 100% i średnim czasie wschodów równym 5,3 dni (Tabela 1, Rysunek 5). W innych temperaturach wschody przebiegały wolniej. W przypadku melona optymalny odsetek wschodów wyniósł 96%, a średni czas wschodów 5,1 dni, przy temperaturze 24,7 °C (Tabela 1). Zarówno sałata, jak i owies są uznawane za rośliny chłodolubne. Nasiona owsa kiełkowały w zakresie od 5,1 do 40,2 °C, co było najszerszym zakresem spośród wszystkich badanych nasion (Tabela 1, Rysunek 5). Dla owsa najwyższy odsetek wschodów wyniósł 100% w 24,7 °C, a najszybsze wschody odnotowano po 3,4 dniach w 29,6 °C (Tabela 1, Rysunek 5). W przypadku sałaty wschody obserwowano w zakresie od 5,1 do 29,6 °C. Dla sałaty najwyższy odsetek wschodów wyniósł 100% w 24,7 °C, a najszybsze wschody odnotowano po 3,4 dniach w 29,6 °C (Tabela 1).

Rysunek 1: Tradycyjny płaski stół termogradientowy z usuniętymi izolacyjnymi pokrywami, ale z wewnętrzną pokrywą akrylową zakrywającą ½ stołu. Tradycyjna konstrukcja płaskiego stołu służy do badania wpływu temperatury na próbki w płytkich naczyniach. Kontrola temperatury gradientu jest szybko tracona na wysokościach powyżej powierzchni, ponieważ nie istnieje bariera zapobiegająca mieszaniu się powietrza. Eksperymenty wymagające stałej temperatury w głąb nie są możliwe do przeprowadzenia przy użyciu tej konstrukcji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Schemat płyty z gradientem termicznym z usztywnieniami. Usztywnienia są spawane punktowo wzdłuż stołu, prostopadle do jego powierzchni. Odpływ w jednym z narożników usuwa nadmiar wody. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Oświetlony stół termogradientowy z przegrodami wypełnionymi glebą, darnią oraz pojemnikami do eksperymentów nad kiełkowaniem nasion. Gradient w tym stole jest ustawiony od lewej (koniec ciepły) do prawej (koniec zimny). Choć konstrukcja przegród została opracowana do użytku z glebą, między nimi można umieścić pojemniki do eksperymentów z małymi okazami. Lampy LED do wzrostu roślin mogą być zamontowane w pokrywach lub na obrzeżach; emitują one częstotliwości czynne fotosyntetycznie i pozwalają na uprawę roślin wewnątrz obudowy. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Odczyty temperatury z różnych pozycji w glebie na stole z gradientem termicznym z usztywnieniami. Rejestratorzy temperatury zostały umieszczone w glebie w obrębie stołu przy lewej ścianie, w centrum lewym (20 cm od lewej ściany), centrum prawym (40 cm od lewej ściany) oraz przy prawej ścianie w połowie odległości między usztywnieniami. Dolna pozycja rejestratora temperatury znajdowała się w pobliżu powierzchni aluminiowego stołu, 8 cm poniżej górnej warstwy gleby, natomiast pozycja środkowa znajdowała się około 4 cm poniżej powierzchni gleby. Rejestratorzy temperatury umieszczone na wierzchu gleby nie były przykryte. Wartości nad słupkami wskazują ogólną średnią temperaturę ± błąd standardowy średniej (n = 72). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Siewki owsa i pomidora hodowane przez 14 dni na stołach z gradientem temperatury w zakresie od 5 do 40 °C. Zdjęcie ilustruje, w jaki sposób można jednocześnie oceniać kiełkowanie i wzrost siewek wielu gatunków w glebie w zakresie różnych temperatur w ramach jednego eksperymentu, aby symulować warunki polowe. Górne zdjęcia (lewe i prawe) przedstawiają stół z gradientem temperatury widziany pionowo. Dolne zdjęcia (lewe i prawe) przedstawiają stół w orientacji poziomej. W glebie umieszczono termometry alkoholowe, aby szybko monitorować temperatury w trakcie całego eksperymentu.

Temperatura docelowa	Temperatura pomiarowa	Pomidor		Melon		Sałata		Owies
		EM †	MTE††	EM	MTE	EM	MTE	EM	MTE
°C	°C	%	dni	%	dni	%	dni	%	dni
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
† Pomyślne wschody (EM) odnotowano w przypadku siewek posiadających co najmniej jeden rozwinięty liścień.
†† Średni czas kiełkowania (MTE) obliczono poprzez zsumowanie iloczynów liczby nasion, które wykiełkowały w danym dniu, i numeru tego dnia, a następnie podzielenie otrzymanej sumy przez całkowitą liczbę nasion, które wykiełkowały w poszczególnych wariantach doświadczenia.

Tabela 1: Kiełkowanie nasion pomidora, melona, sałaty i owsa w glebie w ośmiu temperaturach na stole z gradientem termicznym. Pogrubione liczby wskazują wartości optymalne dla każdego gatunku i ilustrują zależność temperaturową różnych gatunków roślin uprawnych. Eksperyment prowadzono przez 14 dni w mieszance doniczkowej, a podłoże podlewano codziennie lub w razie potrzeby, aby utrzymać glebę w stanie widocznie wilgotnym. Dane oparto na 25 nasionach dla każdego gatunku.

Dyskusja

Stoły termogradientowe są używane od wielu lat do przeprowadzania przede wszystkim eksperymentów kiełkowania nasion w płytkich pojemnikach w różnych temperaturach jednocześnie. Jednak temperatury eksperymentalne są ograniczone do powierzchni stołu, więc głębokość kontroli temperatury jest ograniczona. Protokoły badania nasion przeprowadzane na tradycyjnych stołach gradientowych kończą się wschodem korzeni na podłożu papierowym na szalkach Petriego lub innych płaskich pojemnikach i nie testują realistycznie wschodu i wzrostu siewek, jak to naturalnie zachodzi w glebie. Obecnie firmy nasienne często chcą ocenić wigor nasion (zdolność do kiełkowania w warunkach nieoptymalnych) przy użyciu symulowanych warunków polowych, z którymi hodowcy prawdopodobnie spotkają się po posadzeniu. Badanie gleby naraża również nasiona na presję chorób grzybowych i bakteryjnych, które nie są powszechne w standardowych laboratoryjnych testach kiełkowania na podłożach bezglebowych. Gdy gleba jest umieszczana na płaskim stole bez fałd, duże wahania temperatury wynoszące 5 ºC lub więcej nie były rzadkością między pozycjami w profilu glebowym a powierzchniami stołu (wyniki niepublikowane).

Jednowymiarowy stół gradientowy z klinami został opracowany w celu poprawy kontroli temperatury w pionie, dzięki czemu gleba może być wykorzystywana w testach kiełkowania i innych eksperymentach, w których dokładna kontrola temperatury gleby ma kluczowe znaczenie. Kliny ograniczają glebę lub syntetyczne podłoże uprawowe i głęboko kontrolują temperaturę. Wstawki są wykonane z aluminium, tego samego materiału co blat, a po przyspawaniu prostopadle do powierzchni zapewniają kontrolę temperatury przestrzeni między nimi poprzez przewodzenie ciepła. Wstawki węzłowe mogą być zorientowane wzdłuż stołu lub wszerz w poprzek stołu. Oba projekty działają podobnie, ale orientacja klina na szerokość jest wygodna, ponieważ przestrzeń między węzłami może służyć jako pojedyncza temperatura eksperymentalna, gdy gradient jest odpowiednio dostosowany. Orientacja pozioma pozwala na rozmieszczenie jednostek eksperymentalnych (w tym przykładzie nasion) w poprzek stołu w linii obok siebie. Rozstaw węzłów można zmieniać tylko podczas produkcji, ponieważ węzły są spawane na miejscu, więc nie można przetestować alternatywnego pozycjonowania po zakończeniu budowy stołu. Odstęp między węzłami wynoszący 10,9 cm został wybrany, aby pomieścić płytkie pojemniki, często używane do testowania nasion oprócz gleby. Bliższe odstępy między klinami mogą zapewnić lepszą kontrolę temperatury, ale ograniczą rodzaje pojemników, które mogą być używane na stole.

Temperatura i wilgotność podłoża uprawowego w tabeli termogradientu muszą być stale monitorowane w celu osiągnięcia pożądanych warunków doświadczalnych. Przed sadzeniem kąpiele obiegowe powinny być ustawione nieco poniżej pożądanego minimum i nieco powyżej temperatury maksymalnej niż dostosowane, aż próbki osiągną pożądane temperatury doświadczalne. Należy odczekać około 24 godzin, aby próbki osiągnęły równowagę termiczną z tabelą gradientów. Wilgotność podłoża uprawowego powinna być wystarczająca (70-80% pojemności pola), aby można było przeprowadzić kiełkowanie nasion lub inne procesy biologiczne. Izolacja stołu i podwójne pokrywy zmniejszają wahania temperatury i parowanie wody na miejscu.

Wyniki w tabeli 1 porównują wzrost sadzonek 4 gatunków w różnych temperaturach. Wzrost nasion melona i pomidora rozpoczął się w temperaturze 15 °C i dobrze wykiełkował w temperaturze 40 °C, co wyjaśnia, dlaczego są one charakteryzowane jako uprawy w ciepłym sezonie¹⁰. Natomiast sałata najlepiej kiełkuje w niskich temperaturach. Nasiona owsa kiełkowały w szerszym zakresie temperatur niż inne gatunki (tabela 1). Podczas gdy podobne wyniki można uzyskać przy użyciu szeregu komór wzrostowych w serii skoordynowanych eksperymentów, konstrukcja klina pozwala na jednoczesne porównanie zarówno kiełkowania, jak i wzrostu sadzonek w zakresie temperatur gleby. Można zastąpić różne gleby polowe lub podłoża uprawowe, aby symulować szereg warunków polowych. Zabiegi mikrobiologiczne lub chemiczne, systemy nawożenia, stres związany z suszą i zmiany w środowisku świetlnym mogą być nakładane na różne temperatury w tabeli gradientu.

Małe rejestratory rejestrowały temperaturę w różnych miejscach na stole. Dane dotyczące temperatury wykazały, że temperatury w środku tabeli są stosunkowo jednolite, z większą zmiennością, szczególnie na ciepłym końcu. Ustawienie rejestratorów w kontakcie z powierzchnią stołu i wystawionych na działanie powietrza na powierzchni gleby prawdopodobnie uwydatniło skrajności. Temperatury zarejestrowane w centralnym miejscu prawdopodobnie bardziej wskazywały na warunki glebowe pod masą. Na przykład nasiona posadzone w glebie na stole gradientowym między klinami w celu symulacji sadzenia na polu byłyby wystawione tylko na działanie temperatury gleby, a nie temperatury powietrza lub powierzchni stołu. Wilgotność i tekstura gleby odgrywają rolę w określaniu temperatury stołu. Jeśli gleba jest sucha, przestrzenie powietrzne są odporne na zmiany temperatury i nie odprowadzają skutecznie ciepła z klinów. Wilgotna gleba ma niewiele przestrzeni powietrznych i więcej ciekłej wody, aby skutecznie przewodzić ciepło przez profil glebowy. W tym eksperymencie gleba została utrzymana na poziomie od 70 do 80% maksymalnej zdolności zatrzymywania wody, ale wyższa zawartość wody mogła zmniejszyć wahania temperatury gleby. Piasek ma mniej dużych przestrzeni porowych niż gleby o wysokiej zawartości materii organicznej, a zatem oczekuje się, że zapewni bardziej równomierne temperatury.

Wystąpiły większe różnice w temperaturze gleby na ciepłym końcu stołu w porównaniu z zimnym końcem. Jednym z możliwych wyjaśnień jest rozkład wilgoci na stole. Wilgoć ma tendencję do zatrzymywania w zimnym końcu, podczas gdy ciepły koniec ma tendencję do wysychania z powodu większych strat parowania. Ponieważ woda pomaga przewodzić ciepło, ważne jest, aby wilgotność stołu była jak najbardziej jednolita. Webb i wsp.⁹ używało bibuły bibułowej do przewodzenia wody przez stół termogradientowy za pomocą działania kapilarnego, podczas gdy gazeta dobrze sprawdzała się jako tańsza alternatywa w stole termogradientowym z fałdami. Mimo że wstawki zostały wyłożone hydrofilowym papierem, aby zwiększyć rozprowadzanie wilgoci, utrzymanie równomiernego zwilżenia zarówno chłodnych, jak i ciepłych końcówek jest wyzwaniem.

Szybkie parowanie w wysokich temperaturach występuje we wszystkich konstrukcjach stołów gradientowych. Kondensacja jest często problemem, gdy eksperymenty z pojemnikami są przeprowadzane na stole gradientowym w temperaturach znacznie wyższych od otoczenia, ponieważ dno pojemnika jest cieplejsze niż górne, co powoduje gromadzenie się wody po wewnętrznej stronie pokrywy chłodnicy. W eksperymentach glebowych na stole z węzłami woda parowała z górnych warstw gleby do powietrza powyżej stołu z węzłami. Jeśli gleba jest bardzo mokra, straty parowania na ciepłym końcu stołu mogą skraplać się na chłodniejszej wewnętrznej pokrywie akrylowej. Oparcie ciasno przylegających kawałków izolacji akrylowej lub styropianowej bezpośrednio na klinach minimalizuje wymianę pary wodnej z przestrzenią powietrzną nad stołem, utrzymując glebę bardziej równomiernie wilgotną i stałą temperaturę (dane nie pokazane). Gdy stół został pokryty izolacją styropianową, wahania temperatury wynosiły tylko od 1 do 2 °C przez profil glebowy w ekstremalnych temperaturach (dane nie pokazane). Jednak izolacja ze styropianu zapobiega pojawianiu się sadzonek i musi zostać usunięta po początkowej godzinie inkubacji w celu przeprowadzenia analiz wzrostu. Innym rozwiązaniem zapobiegającym szybkiemu wysychaniu ciepłych gleb jest preferencyjne dodawanie większej ilości wody do ciepłego końca, aby skompensować straty parowania. Podlewanie ręczne jest problematyczne, ponieważ pokrywki muszą zostać zdjęte, a objętości aplikacji są mniej precyzyjne. Emitery mikronawadniania mogą być zaprojektowane na stole gradientowym i mogą być regulowane tak, aby preferencyjnie doprowadzać więcej wody do ciepłego końca.

Stoły termogradientowe mają funkcjonalność i potencjał, aby służyć jako alternatywne komory wzrostowe. Gdy obie kąpiele są ustawione tak samo, stół równoważy się do jednej temperatury doświadczalnej dla zastosowań, w których gradient nie jest wymagany. Światło dzienne i nocne oraz wahania temperatury można również symulować za pomocą programowalnych kąpieli cyrkulacyjnych i lamp LED do uprawy. Wypełnienie wnętrza pokrywek lampami LED do uprawy może zwiększyć intensywność oświetlenia. Lampy LED do uprawy wprowadzały minimalne ciepło do systemu i nie zakłócały nachylenia, ponieważ podobne temperatury gleby były rejestrowane przy włączonych i wyłączonych światłach (dane nie pokazane). Dodanie świateł umożliwia wzrost roślin i lepszą kontrolę środowiska.

Tabele termogradientowe były w przeszłości wykorzystywane głównie przez przemysł nasienny do badań kiełkowania, ale możliwych jest wiele innych zastosowań. Zachowanie owadów badano na tablicy gradientowej w celu określenia optimów temperaturowych dla określonych zachowań¹¹. Lód można zamrozić na powierzchni stołu gradientowego w celu zbadania zjawisk w temperaturach poniżej zera (dane nie pokazane). Wymiana gazowa między glebą a atmosferą, w tym wydzielanie się dwutlenku węgla, jest możliwa na klinowym stole gradientowym przy różnej zawartości wody, dopływie gleby i temperaturach. Dzięki temu systemowi eksperymentalnemu możliwe jest również badanie skutków wzrostu bakterii i grzybów w różnych typach pożywek w różnych temperaturach.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Stół termogradientowy	Appalachian Machinge Inc		Wykonany na zamówienie, klinowy stół termogradientowy (schematy znajdują się w rękopisie). Produkcja i spawanie aluminium zostały wykonane przez Appalachian Machinge Inc. 5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084.
Izolowana szafa z płyty polimerowej	TASCO LLC		Izolowana szafka z płyty polimerowej zawierająca aluminiową płytę została skonstruowana przez TASCO LLC,  1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073
Blue Hawk Składany stalowy regulowany koń	piły Lowes Home Improvement	162111	Model #: 60142 Składane stalowe regulowane konie
piły cyrkulacyjne Chłodzone łaźnie wodne lub porównywalne jednostki	Brookfield Engineering	TC-550SD
Nasiona (200 nasion)	Wybrane nasiona		Johnny'sNasiona owsa, sałaty, pomidora, melona z Johnny's Selected Seeds 955 Benton Ave, Winslow, ME 04901 lub dowolne inne nasiona do testów kiełkowania,
Professional 550 Grow Light	Oaza słoneczna	Rurki PVC w oplocie Pro550
ID	Stany Zjednoczone Plastics Inc.	60703	0,6 m kawałki o średnicy zewnętrznej 200 cm, 130 mm (1/2")
Super Tech 50/50 Płyn niezamarzający/płyn chłodzący Pre-Mix	Walmart	1012574	4 litry destylowanej mieszaniny wody i płynu niezamarzającego (glikol etylenowy)
WatchDog Rejestratory danych	Spectrum Technologies Inc	Model 100
Parafilm M o szerokości 4 cm	Fisher Scientific	S37440
Pojemnik akrylowy 5 1/4 "x5" x1 3/8" plastikowe pudełka	Hoffman Manufacturing Inc		Hoffman Manufacturing Inc. 16541 Green Bridge Road, Jefferson, OR
1" Śruba z kołnierzem	Globalny przemysł	CS16H	Globalny przemysł,  11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY
Zacisk węża z kołnierzem ślimakowym z kołnierzem	Global Industrial	WGB513588	3/4" - 1-1/2" Średnica zacisku 10-pak .
Everbilt Model Izolacja rur piankowych Home	Depot	ORP11812	Internet # 204760805 Store SKU # 1000031792 1 cal x 6 stóp
Mata kapilarna	Farmtek	106223	mata kapilarna do szklarni - 4' x 100' lub alternatywnie arkusze gazety
Sunshine Mix #3	TerraLink	3236320	Bela skompresowana o pojemności 3,8 stopy sześciennej, SKU: 3236320, Pożywki do kiełkowania