Колкото и напреднало да е селското стопанство, остава належаща нужда от неразрушителни начини за „виждане“ в почвата. Министерството на енергетиката на САЩ Агенция за напреднали изследователски проекти-Енергия (ARPA-E) отпусна 4.6 милиона долара на Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Berkeley Lab) за два проекта за справяне с тази празнина, предоставяйки на фермерите важна информация за увеличаване на добивите, като същевременно насърчава съхранението на въглерод в почвата.
Един проект има за цел да използва електрически ток за изобразяване на кореновата система, което ще ускори отглеждането на култури с корени, които са пригодени за специфични условия (като суша). Другият проект ще разработи нова техника за изображения, базирана на разсейване на неутрони, за измерване на разпределението на въглерод и други елементи в почвата.
Berkeley Lab получи тези конкурсни награди от ARPA-E Програма за наблюдение на ризосферата за оптимизиране на земната секвестрация (ROOTS)., която се стреми да разработи култури, които извличат въглерода от атмосферата и го съхраняват в почвата – което позволява 50 процента увеличение на дълбочината на отлагането и натрупването на въглерод, като същевременно намалява емисиите на азотен оксид с 50 процента и увеличава продуктивността на водата с 25 процента.
Въглеродният дефицит в почвата е глобален феномен в резултат на много десетилетия индустриално земеделие. Почвите имат способността да съхраняват значителни количества въглерод, като намаляват концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата, като същевременно повишават плодородието на почвата и задържането на вода.
ЕЕГ за растения
Разработването на технологията Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), която получи 2.3 милиона долара от ARPA-E, се ръководи от геофизика на лабораторията Berkeley Yuxin Wu, също в отдела за климатични и екосистемни науки. „Можете да мислите за това като за изображения на мозъка или ЕЕГ, където електроди, прикрепени към главата ви, могат да записват модели на мозъчни вълни“, каза Ву. „Новата технология ще бъде като ЕЕГ за растенията.“
Чрез изпращане на малък електрически ток в стъблото, който след това ще премине през кореновата система, TERI ще усети електрическия отговор както на корените, така и на почвата и ще предостави информация за масата на корена, повърхностната площ, дълбочината и разпределението в почвата, заедно с данни за структурата на почвата и съдържанието на влага и как тези променливи се променят с времето.
За разлика от това, общият подход за изучаване на свойствата на корените, който се нарича "лопатомикс", не включва много повече от лопата и кофа с вода преди анализ на корените в лабораторията. „Това е много трудоемък и нископроизводителен метод за характеризиране на корените“, каза Ву. „И след като изкопаете корена, сте готови. Не можете да гледате промените във времето.
Ву започна първоначални тестове в лабораторията. По-късно той ще направи полеви тестове с пшенични култури в сътрудничество с Фондация Самюъл Робъртс Ноубъл. Базирана в Ардмор, Оклахома, Noble Foundation е най-големият независим институт за селскостопански изследвания в САЩ с повече от 13,500 XNUMX акра земеделска земя, извършващ изследвания, за да позволи на фермерите и животновъдите да увеличат регионалната производителност и стопанисването на земята.
Ву и неговият екип също си партнират с Subsurface Insights, малък бизнес, фокусиран върху разработката на софтуер за геофизични приложения.
Целта на проекта е да се разработи технология за фенотипиране на корени от следващо поколение, интегрирана с моделиране на екосистемите, за да се ускори отглеждането на сортове, фокусирани върху корените, с определени характеристики; например по-добра устойчивост на климатични условия и по-добра толерантност към условия на ниско количество вода и торове. В крайна сметка инструментът може да помогне за увеличаване на добивите, като същевременно увеличи въглеродния внос в почвата.
От неутрони през гама лъчи до откриване на въглерод
Във втория проект, който също получи 2.3 милиона долара, физиците от лабораторията Бъркли, ръководени от Арун Персо от Отдел за ускорителни технологии и приложна физика (ATAP). ще изгради инструмент за анализиране на химията на почвата, без да я нарушава, посредством нееластично разсейване на неутрони. „Генераторът ще изпрати неутрони в почвата“, каза Персо. „Всеки неутрон може да реагира с атоми в почвата и да генерира гама лъчи, които можем да открием над земята с гама детектор. След това измерваме енергията на гамата и от това можете да разберете какъв вид атом е; въглерод, желязо или алуминий, например."
Подобна технология в момента се използва в приложения за вътрешна сигурност, като откриване на експлозиви и други материали в товари, и е дългогодишна област на изследване в Berkeley Lab.
„Тази технология ще може не само да измерва колко въглерод има в почвата, но и да го прави с пространствена разделителна способност от няколко сантиметра“, каза Вим Лиманс, директор на ATAP.
ersaud каза, че за разлика от настоящите технологии за анализ на свойствата на почвата, тази техника може да се използва на полето и може да измерва промените в пространството и времето, без да нарушава почвата. Стандартните методи сега включват пробиване на почвени ядра и извършване на химически анализи върху тях обратно в лабораторията, което не позволява повторни измервания на същата почва и не е практично върху големи площи.
Заедно с физика от ATAP Бернхард Людевигт, Persaud ще работи с Adelphi Technology Inc. за разработването на неутронния генератор. Получената система може в крайна сметка да приеме формата на мобилен инструмент, който прави измервания на място в полето на фермер.
- Джули Чао, Калифорнийски университет
Източник: Университет на Калифорния