Koliko god poljoprivreda napredovala, ostaje hitna potreba za nedestruktivnim načinima "vidjenja" u tlo. Ministarstvo energetike SAD-a Agencija za napredne istraživačke projekte-Energija (ARPA-E) dodijelio je 4.6 milijuna dolara Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) za dva projekta za rješavanje ovog nedostatka, dajući poljoprivrednicima važne informacije za povećanje prinosa usjeva, a istovremeno promičući skladištenje ugljika u tlu.
Jedan projekt ima za cilj korištenje električne struje za prikaz korijenskog sustava, što će ubrzati uzgoj usjeva s korijenjem prilagođenim specifičnim uvjetima (kao što je suša). Drugi će projekt razviti novu tehniku snimanja temeljenu na raspršenju neutrona za mjerenje distribucije ugljika i drugih elemenata u tlu.
Berkeley Lab primio je ove konkurentske nagrade od ARPA-E's Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, koji nastoji razviti usjeve koji uzimaju ugljik iz atmosfere i pohranjuju ga u tlo – omogućujući 50-postotno povećanje dubine taloženja i akumulacije ugljika, istovremeno smanjujući emisije dušikovog oksida za 50 posto i povećavajući produktivnost vode za 25 posto.
Deficit ugljika u tlu globalni je fenomen koji je rezultat mnogih desetljeća industrijske poljoprivrede. Tlo ima sposobnost pohranjivanja značajnih količina ugljika, smanjujući koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi, a istovremeno povećavajući plodnost tla i zadržavanje vode.
EEG za biljke
Razvoj tehnologije Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), kojoj je ARPA-E dodijelio 2.3 milijuna dolara, vodi geofizičar Berkeley Laba Yuxin Wu, također u Odjelu znanosti o klimi i ekosustavima. "Možete to zamisliti kao snimanje mozga ili EEG, gdje elektrode pričvršćene na vašu glavu mogu zabilježiti uzorke moždanih valova", rekao je Wu. "Nova tehnologija bit će poput EEG-a za biljke."
Slanjem male električne struje u stabljiku, koja će zatim putovati kroz korijenski sustav, TERI će osjetiti električni odgovor i korijena i tla i pružiti informacije o masi korijena, površini, dubini i raspodjeli u tlu, zajedno s podaci o teksturi tla i sadržaju vlage te kako se te varijable mijenjaju tijekom vremena.
Nasuprot tome, uobičajeni pristup proučavanju svojstava korijena, koji se naziva "shovelomics", ne uključuje ništa više od lopate i kante vode prije analize korijena u laboratoriju. "To je vrlo radno intenzivna i niskoučinkovita metoda za karakterizaciju korijena", rekao je Wu. “A kad jednom iskopaš korijen, gotov si. Ne možete promatrati promjene tijekom vremena.”
Wu je započeo početno testiranje u laboratoriju. Kasnije će obaviti terenska ispitivanja usjeva pšenice u suradnji s Zaklada Samuel Roberts Noble. Sa sjedištem u Ardmoreu, Oklahoma, Zaklada Noble najveći je nezavisni institut za poljoprivredna istraživanja u SAD-u s više od 13,500 hektara poljoprivrednog zemljišta koji provodi istraživanja kako bi poljoprivrednicima i stočarima omogućila povećanje regionalne produktivnosti i upravljanja zemljom.
Wu i njegov tim također su partneri s Subsurface Insights, malom tvrtkom koja se fokusira na razvoj softvera za geofizičke aplikacije.
Cilj projekta je razviti tehnologiju fenotipizacije korijena sljedeće generacije integriranu s modeliranjem ekosustava kako bi se ubrzao uzgoj kultivara usmjerenih na korijen s određenim osobinama; na primjer, bolja otpornost na klimatske uvjete i bolja tolerancija na uvjete niske količine vode i gnojiva. U konačnici, alat bi mogao pomoći u povećanju prinosa uz povećanje unosa ugljika u tlo.
Od neutrona preko gama zraka do detekcije ugljika
U drugom projektu, koji je također dobio 2.3 milijuna dolara, fizičari Berkeley Laba predvođeni Arunom Persaudom iz Odjel za akceleratorsku tehnologiju i primijenjenu fiziku (ATAP). izgradit će instrument za analizu kemije tla, ne ometajući ga, pomoću neelastičnoga raspršenja neutrona. "Generator će slati neutrone u tlo", rekao je Persaud. “Svaki neutron može reagirati s atomima u tlu i generirati gama zrake, koje možemo otkriti iznad zemlje pomoću gama detektora. Zatim mjerimo energiju gama, i iz toga možete reći o kakvom se atomu radi; ugljik ili željezo ili aluminij, na primjer.”
Slična tehnologija trenutno se koristi u aplikacijama domovinske sigurnosti, kao što je otkrivanje eksploziva i drugih materijala u teretu, i dugogodišnje je područje istraživanja u Berkeley Labu.
"Ova tehnologija će moći ne samo izmjeriti koliko ugljika ima u tlu, već će to učiniti i s prostornom rezolucijom od nekoliko centimetara", rekao je Wim Leemans, direktor ATAP-a.
ersaud je rekao da se za razliku od trenutnih tehnologija za analizu svojstava tla, ova tehnika može koristiti na terenu i može mjeriti promjene u prostoru i vremenu bez ometanja tla. Standardne metode sada uključuju bušenje jezgri tla i obavljanje kemijskih analiza na njima u laboratoriju, što ne dopušta ponavljanje mjerenja istog tla i nije praktično na velikim površinama.
Zajedno s ATAP fizičarem Bernhardom Ludewigtom, Persaud će raditi s Adelphi Technology Inc. na razvoju generatora neutrona. Rezultirajući sustav mogao bi na kraju poprimiti oblik mobilnog instrumenta koji vrši mjerenja na licu mjesta na polju poljoprivrednika.
- Julie Chao, Sveučilište Kalifornije
Izvor: Sveučilište Kalifornije