Čeprav je kmetijstvo napredovalo, ostaja nujna potreba po nedestruktivnih načinih »videnja« v zemljo. Ministrstvo za energijo ZDA Agencija za napredne raziskovalne projekte-Energija (ARPA-E) je dodelil 4.6 milijona dolarjev Nacionalnemu laboratoriju Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) za dva projekta za odpravo te vrzeli, ki daje kmetom pomembne informacije za povečanje pridelka, hkrati pa spodbuja shranjevanje ogljika v tleh.
Eden od projektov je namenjen uporabi električnega toka za slikanje koreninskega sistema, kar bo pospešilo razmnoževanje pridelkov s koreninami, ki so prilagojene posebnim pogojem (kot je suša). Drugi projekt bo razvil novo slikovno tehniko, ki temelji na sipanju nevtronov za merjenje porazdelitve ogljika in drugih elementov v tleh.
Berkeley Lab je te konkurenčne nagrade prejel od ARPA-E's Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, ki si prizadeva razviti pridelke, ki jemljejo ogljik iz ozračja in ga shranjujejo v tleh – kar omogoča 50-odstotno povečanje globine usedanja in kopičenja ogljika, hkrati pa zmanjša emisije dušikovega oksida za 50 odstotkov in poveča produktivnost vode za 25 odstotkov.
Pomanjkanje ogljika v tleh je globalni pojav, ki je posledica mnogih desetletij industrijskega kmetijstva. Tla imajo sposobnost shranjevanja znatnih količin ogljika, kar zmanjšuje koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju, hkrati pa povečuje rodovitnost tal in zadrževanje vode.
EEG za rastline
Razvoj tehnologije Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), ki ji je ARPA-E dodelil 2.3 milijona dolarjev, vodi geofizik laboratorija Berkeley Yuxin Wu, prav tako v oddelku za podnebne in ekosistemske znanosti. "Lahko si predstavljate to kot slikanje možganov ali EEG, kjer lahko elektrode, pritrjene na vašo glavo, beležijo vzorce možganskih valov," je dejal Wu. "Nova tehnologija bo kot EEG za rastline."
S pošiljanjem majhnega električnega toka v steblo, ki bo nato potoval po koreninskem sistemu, bo TERI zaznal električni odziv korenin in zemlje ter zagotovil informacije o masi korenin, površini, globini in porazdelitvi v tleh, skupaj z podatki o teksturi tal in vsebnosti vlage ter o tem, kako se te spremenljivke spreminjajo skozi čas.
Nasprotno pa običajni pristop k preučevanju lastnosti korenin, ki ga imenujemo "shovelomics", ne vključuje veliko več kot lopato in vedro vode pred analizo korenin v laboratoriju. "To je zelo delovno intenzivna in nizko zmogljiva metoda za karakterizacijo korenin," je dejal Wu. »In ko enkrat izkoplješ korenino, si končal. Ne moreš gledati na spremembe skozi čas.”
Wu je začel prvo testiranje v laboratoriju. Kasneje bo opravil terensko testiranje s posevki pšenice v sodelovanju z Fundacija Samuel Roberts Noble. Fundacija Noble s sedežem v Ardmoru v Oklahomi je največji neodvisni kmetijski raziskovalni inštitut v ZDA z več kot 13,500 hektarji kmetijskih zemljišč, ki izvaja raziskave, ki kmetom in živinorejcem omogočajo povečanje regionalne produktivnosti in skrbništva nad zemljo.
Wu in njegova ekipa sodelujeta tudi s Subsurface Insights, malim podjetjem, ki se osredotoča na razvoj programske opreme za geofizične aplikacije.
Cilj projekta je razviti tehnologijo za fenotipizacijo korenin naslednje generacije, ki je integrirana z modeliranjem ekosistema, da bi pospešili vzrejo kultivarjev, osredotočenih na korenine, z določenimi lastnostmi; na primer boljša odpornost na podnebne spremembe in boljša toleranca za nizko vodo in nizke količine gnojil. Navsezadnje bi orodje lahko pomagalo povečati donos in hkrati povečati vnos ogljika v tla.
Od nevtronov do gama žarkov do detekcije ogljika
V drugem projektu, ki je prav tako prejel 2.3 milijona dolarjev, so fiziki laboratorija Berkeley pod vodstvom Aruna Persauda iz Oddelek za pospeševalno tehnologijo in uporabno fiziko (ATAP). bo izdelal instrument za analizo kemije prsti, ne da bi jo motil, s pomočjo neelastičnega sipanja nevtronov. "Generator bo poslal nevtrone v tla," je dejal Persaud. »Vsak nevtron lahko reagira z atomi v zemlji in ustvari žarek gama, ki ga lahko zaznamo nad zemljo z detektorjem gama. Nato izmerimo energijo gama in iz tega lahko ugotovite, za kakšen atom gre; ogljik ali železo ali aluminij, na primer."
Podobna tehnologija se trenutno uporablja v aplikacijah domovinske varnosti, kot je odkrivanje eksplozivov in drugih materialov v tovoru, in je dolgoletno področje raziskav v Berkeley Labu.
"Ta tehnologija ne bo le lahko izmerila, koliko ogljika je v tleh, ampak bo to storila tudi s prostorsko ločljivostjo nekaj centimetrov," je povedal Wim Leemans, direktor ATAP.
ersaud je dejal, da je za razliko od trenutnih tehnologij za analizo lastnosti tal to tehniko mogoče uporabiti na terenu in lahko meri spremembe v prostoru in času, ne da bi pri tem motil tla. Standardne metode zdaj vključujejo vrtanje jeder zemlje in izvajanje kemičnih analiz na njih nazaj v laboratoriju, kar ne omogoča ponovnih meritev iste zemlje in ni praktično na velikih površinah.
Skupaj s fizikom ATAP Bernhardom Ludewigtom bo Persaud sodeloval z Adelphi Technology Inc. pri razvoju generatorja nevtronov. Nastali sistem bi lahko sčasoma prevzel obliko mobilnega instrumenta, ki izvaja meritve in situ na polju kmeta.
- Julie Chao, University of California
Vir: Univerza v Kaliforniji