Незважаючи на прогресивне сільське господарство, залишається нагальна потреба в неруйнівних способах «побачити» ґрунт. Міністерство енергетики США Агентство перспективних досліджень-Енергія (ARPA-E) виділила 4.6 мільйона доларів Національній лабораторії імені Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) на два проекти, спрямовані на усунення цієї прогалини, надаючи фермерам важливу інформацію для підвищення врожайності, а також сприяючи накопиченню вуглецю в ґрунті.
Один із проектів спрямований на використання електричного струму для зображення кореневої системи, що прискорить вирощування культур із корінням, пристосованим до конкретних умов (наприклад, посухи). Інший проект розробить нову техніку візуалізації на основі розсіювання нейтронів для вимірювання розподілу вуглецю та інших елементів у ґрунті.
Лабораторія Берклі отримала ці конкурсні нагороди від ARPA-E Програма спостережень за ризосферою, що оптимізує земну секвестрацію (ROOTS)., яка прагне вирощувати культури, які забирають вуглець з атмосфери та зберігають його в ґрунті, дозволяючи збільшити глибину відкладення та накопичення вуглецю на 50 відсотків, а також зменшити викиди закису азоту на 50 відсотків і підвищити продуктивність води на 25 відсотків.
Дефіцит вуглецю в ґрунті є глобальним явищем, яке є результатом багатьох десятиліть промислового сільського господарства. Ґрунти мають здатність накопичувати значну кількість вуглецю, знижуючи концентрацію вуглекислого газу в атмосфері, а також підвищуючи родючість ґрунту та утримання води.
ЕЕГ для рослин
Розробку технології томографічної електричної ризосферної візуалізації (TERI), яка отримала 2.3 мільйона доларів від ARPA-E, очолює геофізик лабораторії Берклі Юсін Ву, який також працює у відділі кліматичних та екосистемних наук. «Ви можете думати про це як про візуалізацію мозку або ЕЕГ, де електроди, прикріплені до вашої голови, можуть записувати патерни мозкових хвиль», — сказав Ву. «Нова технологія буде як ЕЕГ для рослин».
Посилаючи невеликий електричний струм у стебло, який потім пройде по всій кореневій системі, TERI відчує електричну реакцію як коренів, так і ґрунту та надасть інформацію про масу кореня, площу поверхні, глибину та розподіл у ґрунті разом із дані про текстуру ґрунту та вміст вологи та як ці змінні змінюються з часом.
Навпаки, загальний підхід до вивчення властивостей коренів, який називається «лопатоміка», передбачає не більше, ніж лопату та відро води перед аналізом коренів у лабораторії. «Це дуже трудомісткий і малопродуктивний метод визначення коренів», — сказав Ву. «І як тільки ви викопаєте корінь, ви готові. Ви не можете дивитися на зміни з часом».
Ву розпочав початкове тестування в лабораторії. Пізніше він проведе польові випробування посівів пшениці у співпраці з Фонд Семюеля Робертса Ноубла. Розташований у Ардморі, штат Оклахома, Noble Foundation є найбільшим незалежним сільськогосподарським науково-дослідним інститутом у США з більш ніж 13,500 XNUMX акрів сільськогосподарських угідь, які проводять дослідження, щоб дозволити фермерам і тваринникам підвищити регіональну продуктивність і управління землею.
Ву та його команда також співпрацюють із малою компанією Subsurface Insights, яка займається розробкою програмного забезпечення для геофізичних додатків.
Метою проекту є розробка технології фенотипування коренів наступного покоління, інтегрованої з моделюванням екосистеми, щоб прискорити розведення орієнтованих на корені сортів з певними ознаками; наприклад, краща стійкість до клімату та краща толерантність до умов малої кількості води та добрив. Зрештою, інструмент може допомогти підвищити врожайність, водночас збільшуючи надходження вуглецю в ґрунт.
Від нейтронів до гамма-променів і детектування вуглецю
У другому проекті, який також отримав 2.3 мільйона доларів, фізики лабораторії Берклі під керівництвом Аруна Персо з Відділ технології прискорювачів і прикладної фізики (ATAP). побудує прилад для аналізу хімії ґрунту, не порушуючи його, за допомогою непружного розсіювання нейтронів. «Генератор посилатиме нейтрони в ґрунт», — сказав Персо. «Кожен нейтрон може реагувати з атомами в ґрунті та генерувати гамма-випромінювання, яке ми можемо виявити над землею за допомогою гамма-детектора. Потім ми вимірюємо енергію гамма-випромінювання, і з цього ви можете визначити, що це за атом; вуглець, залізо або алюміній, наприклад».
Подібна технологія в даний час використовується в програмах внутрішньої безпеки, таких як виявлення вибухівки та інших матеріалів у вантажі, і є давньою областю досліджень в лабораторії Берклі.
«Ця технологія зможе не тільки вимірювати кількість вуглецю в ґрунті, але й робити це з просторовою роздільною здатністю в кілька сантиметрів», — сказав Вім Ліманс, директор ATAP.
Ерсо сказав, що на відміну від сучасних технологій для аналізу властивостей ґрунту, цю техніку можна використовувати в польових умовах і можна вимірювати зміни в просторі та часі, не порушуючи ґрунт. Стандартні методи тепер включають буріння кернів ґрунту та проведення їх хімічних аналізів у лабораторії, що не дозволяє проводити повторні вимірювання того самого ґрунту та непрактично на великих площах.
Разом із фізиком ATAP Бернхардом Людевіґтом Персо працюватиме з Adelphi Technology Inc. над розробкою генератора нейтронів. Отримана система згодом може прийняти форму мобільного приладу, який проводить вимірювання на місці на полі фермера.
- Джулі ЧаоКаліфорнійський університет
Джерело: Каліфорнійський університет