Tak zaawansowane, jak rolnictwo stało się zaawansowane, nadal istnieje pilna potrzeba nieniszczących sposobów „zaglądania” w glebę. Departament Energii Stanów Zjednoczonych Zaawansowane Projekty Badawcze Agencja-Energia (ARPA-E) przyznało 4.6 miliona dolarów Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) na dwa projekty mające na celu wypełnienie tej luki, dostarczając rolnikom ważnych informacji na temat zwiększenia plonów, jednocześnie promując magazynowanie węgla w glebie.
Jeden z projektów ma na celu wykorzystanie prądu elektrycznego do zobrazowania systemu korzeniowego, co przyspieszy hodowlę roślin o korzeniach dostosowanych do określonych warunków (takich jak susza). Drugi projekt opracuje nową technikę obrazowania opartą na rozpraszaniu neutronów do pomiaru rozkładu węgla i innych pierwiastków w glebie.
Berkeley Lab otrzymał te konkurencyjne nagrody od ARPA-E Obserwacje rizosfery Program optymalizujący sekwestrację naziemną (ROOTS), który dąży do rozwoju upraw, które usuwają węgiel z atmosfery i przechowują go w glebie – umożliwiając 50-procentowy wzrost głębokości osadzania i akumulacji węgla, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji podtlenku azotu o 50 procent i zwiększeniu wydajności wody o 25 procent.
Niedobory węgla w glebie są zjawiskiem globalnym, wynikającym z wielu dziesięcioleci rolnictwa przemysłowego. Gleby mają zdolność magazynowania znacznych ilości węgla, zmniejszając stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, a także zwiększając żyzność gleby i retencję wody.
EEG dla roślin
Rozwój technologii Tomograficznego Obrazowania Elektrycznej Rhizosfery (TERI), nagrodzonej przez ARPA-E 2.3 miliona dolarów, jest prowadzony przez geofizyka z Berkeley Lab, Yuxin Wu, również z Wydziału Nauk o Klimatu i Ekosystemie. „Można myśleć o tym jak o obrazowaniu mózgu lub EEG, gdzie elektrody przymocowane do głowy mogą rejestrować wzorce fal mózgowych” – powiedział Wu. „Nowa technologia będzie jak EEG dla roślin”.
Wysyłając niewielki prąd elektryczny do łodygi, który następnie przemieszcza się przez system korzeniowy, TERI wyczuje odpowiedź elektryczną zarówno korzeni, jak i gleby i dostarczy informacji o masie korzenia, powierzchni, głębokości i rozmieszczeniu w glebie, wraz z dane dotyczące tekstury gleby i zawartości wilgoci oraz zmiany tych zmiennych w czasie.
W przeciwieństwie do tego, powszechne podejście do badania właściwości korzeni, które określa się mianem „łopatomika”, obejmuje niewiele więcej niż łopatę i wiadro wody przed analizą korzeni w laboratorium. „To bardzo pracochłonna i mało wydajna metoda charakteryzowania korzeni” — powiedział Wu. „A kiedy już wykopiesz korzeń, gotowe. Nie możesz patrzeć na zmiany w czasie”.
Wu rozpoczął wstępne testy w laboratorium. Później przeprowadzi testy polowe z uprawami pszenicy we współpracy z Fundacja Noble Samuela Robertsa. Fundacja Noble z siedzibą w Ardmore w stanie Oklahoma jest największym niezależnym instytutem badań rolniczych w Stanach Zjednoczonych, posiadającym ponad 13,500 XNUMX akrów gruntów rolnych, prowadzącym badania mające na celu umożliwienie rolnikom i hodowcom zwiększenia regionalnej produktywności i zarządzania gruntami.
Wu i jego zespół współpracują również z Subsurface Insights, małą firmą zajmującą się tworzeniem oprogramowania do zastosowań geofizycznych.
Celem projektu jest opracowanie nowej generacji technologii fenotypowania korzeni zintegrowanej z modelowaniem ekosystemu, aby przyspieszyć hodowlę odmian ukierunkowanych na korzenie o określonych cechach; na przykład lepsza odporność na zmiany klimatu i lepsza tolerancja na niskie warunki wodne i niskie nawozy. Ostatecznie narzędzie może pomóc w zwiększeniu plonów przy jednoczesnym zwiększeniu wkładu węgla do gleby.
Od neutronów przez promienie gamma po detekcję węgla
W drugim projekcie, również nagrodzonym 2.3 miliona dolarów, fizycy Berkeley Lab kierowani przez Arun Persaud z Dział Technologii Akceleratorów i Fizyki Stosowanej (ATAP) zbuduje instrument do analizy chemii gleby, bez jej zakłócania, za pomocą nieelastycznego rozpraszania neutronów. „Generator wyśle neutrony do gleby” – powiedział Persaud. „Każdy neutron może reagować z atomami w glebie i generować promieniowanie gamma, które możemy wykryć na powierzchni za pomocą detektora gamma. Następnie mierzymy energię gamma i na tej podstawie można stwierdzić, jaki to rodzaj atomu; na przykład węgiel, żelazo lub aluminium”.
Podobna technologia jest obecnie wykorzystywana w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem wewnętrznym, takich jak wykrywanie materiałów wybuchowych i innych materiałów w ładunku, i jest od dawna obszarem badań w Berkeley Lab.
„Ta technologia będzie w stanie nie tylko mierzyć ilość węgla w glebie, ale także robić to z rozdzielczością przestrzenną rzędu kilku centymetrów” – powiedział Wim Leemans, dyrektor ATAP.
ersaud powiedział, że w przeciwieństwie do obecnych technologii analizy właściwości gleby, technika ta może być zastosowana w terenie i mierzyć zmiany w czasie i przestrzeni bez naruszania gleby. Standardowe metody obejmują obecnie wiercenie rdzeni gleby i przeprowadzanie na nich analiz chemicznych z powrotem w laboratorium, co nie pozwala na powtarzanie pomiarów tej samej gleby i jest niepraktyczne na dużych obszarach.
Wraz z fizykiem ATAP Bernhardem Ludewigtem, Persaud będzie współpracować z Adelphi Technology Inc. nad opracowaniem generatora neutronów. Powstały system może ostatecznie przybrać formę mobilnego instrumentu, który wykonuje pomiary in situ na polu rolnika.
- Julia Chao, Uniwersytet Kalifornijski
Źródło: Uniwersytet Kalifornijski