Vaikka maatalous onkin kehittynyt, tarvitaan edelleen kipeästi tuhoamattomia tapoja "nähdä" maaperään. Yhdysvaltain energiaministeriö Edistyneiden tutkimushankkeiden virasto, energia (ARPA-E) on myöntänyt 4.6 miljoonaa dollaria Lawrence Berkeley National Laboratorylle (Berkeley Lab) kahdessa hankkeessa tämän puutteen korjaamiseksi. Tämä antaa viljelijöille tärkeää tietoa sadon lisäämiseksi ja samalla edistää hiilen varastoitumista maaperään.
Eräässä hankkeessa on tarkoitus käyttää sähkövirtaa juurijärjestelmän kuvaamiseen, mikä nopeuttaa sellaisten viljelykasvien lisääntymistä, joiden juuret on räätälöity tiettyihin olosuhteisiin (kuten kuivuuteen). Toisessa hankkeessa kehitetään uutta neutronien siroamiseen perustuvaa kuvantamistekniikkaa, jolla mitataan hiilen ja muiden alkuaineiden jakautumista maaperässä.
Berkeley Lab sai nämä kilpailulliset palkinnot ARPA-E:ltä Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) -ohjelma, joka pyrkii kehittämään viljelykasveja, jotka poistavat hiiltä ilmakehästä ja varastoivat sen maaperään – mahdollistaen 50 prosentin kasvun hiilen laskeuman syvyydessä ja kerääntymisessä samalla, kun se vähentää typpioksiduulipäästöjä 50 prosentilla ja lisää veden tuottavuutta 25 prosentilla.
Maaperän hiilivaje on maailmanlaajuinen ilmiö, joka johtuu vuosikymmeniä jatkuneesta teollisesta maataloudesta. Maaperällä on kyky varastoida huomattavia määriä hiiltä, mikä vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksia ja parantaa samalla maaperän hedelmällisyyttä ja vedenpidätyskykyä.
EEG kasveille
Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI) -teknologian kehittämistä, jolle ARPA-E myönsi 2.3 miljoonaa dollaria, johtaa Berkeley Labin geofyysikko Yuxin Wu, joka on myös ilmasto- ja ekosysteemitieteiden osastolla. "Voit ajatella sitä aivojen kuvantamisena tai EEG:nä, jossa päähän kiinnitetyt elektrodit voivat tallentaa aivoaaltokuvioita", Wu sanoi. "Uusi tekniikka on kuin EEG kasveille."
Lähettämällä varteen pienen sähkövirran, joka kulkee sitten läpi juuriston, TERI havaitsee sekä juurien että maaperän sähköisen vasteen ja antaa tietoa juurien massasta, pinta-alasta, syvyydestä ja jakautumisesta maaperässä sekä tiedot maaperän rakenteesta ja kosteuspitoisuudesta ja siitä, miten nämä muuttujat muuttuvat ajan myötä.
Sitä vastoin yleinen lähestymistapa juuren ominaisuuksien tutkimiseen, jota kutsutaan nimellä "shovelomics", ei sisällä paljon muuta kuin lapio ja ämpäri vettä ennen juuren analysointia laboratoriossa. "Se on erittäin työvoimavaltainen ja vähätehoinen menetelmä juurien luonnehtimiseen", Wu sanoi. "Ja kun kaivaat juuren esiin, olet valmis. Et voi katsoa muutoksia ajan myötä."
Wu on aloittanut alustavat testaukset laboratoriossa. Myöhemmin hän tekee peltotestejä vehnäsatojen kanssa yhteistyössä Samuel Roberts Noble Foundation. Ardmoressa Oklahomassa sijaitseva Noble Foundation on Yhdysvaltojen suurin riippumaton maataloustutkimuslaitos, jolla on yli 13,500 XNUMX hehtaaria viljelysmaata ja joka tekee tutkimusta, jonka avulla maanviljelijät ja karjankasvattajat voivat lisätä alueellista tuottavuutta ja maanhoitoa.
Wu ja hänen tiiminsä tekevät yhteistyötä myös Subsurface Insightsin kanssa, joka on geofysikaalisten sovellusten ohjelmistokehitykseen keskittyvä pieni yritys.
Hankkeen tavoitteena on kehittää seuraavan sukupolven juurifenotyypitysteknologiaa integroituna ekosysteemimallinnukseen nopeuttamaan tiettyjen ominaisuuksien omaavien juuripainotteisten lajikkeiden jalostusta; esimerkiksi parempi ilmastonsietokyky ja parempi sietokyky alhaiselle vesille ja vähälle lannoitteelle. Viime kädessä työkalu voi auttaa lisäämään satoa ja lisäämään hiilen syöttöä maaperään.
Neutroneista gammasäteisiin ja hiilen havaitsemiseen
Toisessa projektissa, joka sai myös 2.3 miljoonaa dollaria, Berkeley Labin fyysikot, joita johti Arun Persaud Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) -osasto rakentaa instrumentin, joka analysoi maaperän kemiaa sitä häiritsemättä joustamattoman neutronien sironnan avulla. "Generaattori lähettää neutroneja maaperään", Persaud sanoi. "Jokainen neutroni voi reagoida maaperän atomien kanssa ja tuottaa gammasäteen, jonka voimme havaita maan päällä gamma-ilmaisimen avulla. Sitten mitataan gamman energiaa, ja siitä voi päätellä, millainen atomi se on; esimerkiksi hiiltä tai rautaa tai alumiinia."
Samanlaista tekniikkaa käytetään tällä hetkellä kotimaan turvallisuussovelluksissa, kuten räjähteiden ja muiden materiaalien havaitsemisessa lastissa, ja se on Berkeley Labin pitkäaikainen tutkimusalue.
"Tämä teknologia pystyy mittaamaan paitsi kuinka paljon hiiltä on maaperässä, myös tekemään sen muutaman senttimetrin avaruudellisella resoluutiolla", sanoi Wim Leemans, ATAP-johtaja.
Ersaud sanoi, että toisin kuin nykyiset maaperän ominaisuuksien analysointitekniikat, tätä tekniikkaa voidaan käyttää kentällä ja se voi mitata muutoksia tilassa ja ajassa häiritsemättä maaperää. Vakiomenetelmiin kuuluu nykyään maaperän ytimien poraus ja niille kemiallisten analyysien tekeminen laboratoriossa, mikä ei salli saman maaperän toistuvia mittauksia eikä ole käytännöllistä suurilla alueilla.
Yhdessä ATAP-fyysikon Bernhard Ludewigtin kanssa Persaud työskentelee Adelphi Technology Inc:n kanssa neutronigeneraattorin kehittämiseksi. Tuloksena oleva järjestelmä voisi lopulta olla siirrettävän instrumentin muoto, joka mittaa paikan päällä viljelijän pellolla.
- Julie Chao, Kalifornian yliopisto
Lähde: Kalifornian yliopisto