Så avansert som landbruket har blitt, er det fortsatt et presserende behov for ikke-destruktive måter å "se" inn i jorda på. Det amerikanske energidepartementet Avanserte forskningsprosjekter Agency-Energy (ARPA-E) har tildelt 4.6 millioner dollar til Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) for to prosjekter for å løse dette gapet, og gir bønder viktig informasjon for å øke avlingene samtidig som de fremmer lagring av karbon i jord.
Et prosjekt tar sikte på å bruke elektrisk strøm til å avbilde rotsystemet, noe som vil akselerere avlingen av avlinger med røtter som er skreddersydd til spesifikke forhold (som tørke). Det andre prosjektet skal utvikle en ny bildeteknikk basert på nøytronspredning for å måle fordelingen av karbon og andre grunnstoffer i jorda.
Berkeley Lab mottok disse konkurrerende prisene fra ARPA-E's Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, som søker å utvikle avlinger som tar karbon ut av atmosfæren og lagrer det i jord – noe som muliggjør en 50 prosent økning i karbonavsetningsdybde og akkumulering samtidig som den reduserer utslipp av lystgass med 50 prosent og øker vannproduktiviteten med 25 prosent.
Jordkarbonunderskudd er et globalt fenomen som følge av mange tiår med industrielt landbruk. Jordsmonn har kapasitet til å lagre betydelige mengder karbon, redusere atmosfæriske karbondioksidkonsentrasjoner samtidig som jordsmonnets fruktbarhet og vannretensjon forbedres.
Et EEG for planter
Utviklingen av Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI) teknologien, som ble tildelt 2.3 millioner dollar av ARPA-E, ledes av Berkeley Lab geofysiker Yuxin Wu, også i Climate & Ecosystem Sciences Division. "Du kan tenke på det som hjerneavbildning, eller EEG, der elektroder festet til hodet ditt kan registrere hjernebølgemønstre," sa Wu. "Den nye teknologien vil være som et EEG for planter."
Ved å sende en liten elektrisk strøm inn i stammen, som deretter vil vandre gjennom rotsystemet, vil TERI føle den elektriske responsen til både røtter og jord og gi informasjon om rotmasse, overflateareal, dybde og fordeling i jorda, sammen med data om jordtekstur og fuktighetsinnhold og hvordan disse variablene endres over tid.
I motsetning til dette innebærer den vanlige tilnærmingen til å studere rotegenskaper, som går under betegnelsen "shovelomics", ikke mye mer enn en spade og en bøtte med vann før rotanalyse i laboratoriet. "Det er en veldig arbeidskrevende og lav gjennomstrømningsmetode for å karakterisere røtter," sa Wu. «Og når du først graver opp roten, er du ferdig. Du kan ikke se på endringer over tid.»
Wu har begynt innledende testing i laboratoriet. Senere skal han gjøre feltforsøk med hvetevekster i samarbeid med Samuel Roberts Noble Foundation. Basert i Ardmore, Oklahoma, er Noble Foundation det største uavhengige landbruksforskningsinstituttet i USA med mer enn 13,500 XNUMX dekar jordbruksland som utfører forskning for å gjøre det mulig for bønder og ranchere å øke regional produktivitet og landforvaltning.
Wu og teamet hans samarbeider også med Subsurface Insights, en liten bedrift som fokuserer på programvareutvikling for geofysiske applikasjoner.
Prosjektets mål er å utvikle neste generasjons rotfenotypingsteknologi integrert med økosystemmodellering for å akselerere oppdrett av rotfokuserte kultivarer med visse egenskaper; for eksempel bedre klimabestandighet og bedre toleranse for forhold med lite vann og lite gjødsel. Til syvende og sist kan verktøyet bidra til å øke utbyttet samtidig som det øker karbontilførselen til jorda.
Fra nøytroner til gammastråler til karbonditektering
I det andre prosjektet, som også ble tildelt 2.3 millioner dollar, ble Berkeley Lab-fysikere ledet av Arun Persaud fra Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Divisjon skal bygge et instrument for å analysere jordkjemi, uten å forstyrre den, ved hjelp av uelastisk nøytronspredning. "Generatoren vil sende nøytroner inn i jorden," sa Persaud. «Hvert nøytron kan reagere med atomer i jorda og generere en gammastråle, som vi kan oppdage over bakken med en gammadetektor. Deretter måler vi energien til gamma, og ut fra det kan du si hva slags atom det er; karbon eller jern eller aluminium, for eksempel."
Lignende teknologi brukes for tiden i hjemmesikkerhetsapplikasjoner, for eksempel å oppdage eksplosiver og andre materialer i last, og er et mangeårig forskningsområde ved Berkeley Lab.
"Denne teknologien vil ikke bare kunne måle hvor mye karbon som er i jorda, men også gjøre det med romlig oppløsning på noen få centimeter," sa Wim Leemans, ATAP-direktør.
ersaud sa at i motsetning til dagens teknologier for å analysere jordegenskaper, kan denne teknikken brukes i felt og kan måle endringer over rom og tid uten å forstyrre jorda. Standardmetoder innebærer nå å bore jordkjerner og gjøre kjemiske analyser på dem tilbake i laboratoriet, noe som ikke tillater gjentatte målinger av samme jord og ikke er praktisk over store områder.
Sammen med ATAP-fysiker Bernhard Ludewigt vil Persaud samarbeide med Adelphi Technology Inc. for å utvikle nøytrongeneratoren. Det resulterende systemet kan til slutt ta form av et mobilt instrument som tar in situ målinger på en bondes åker.
- Julie Chao, University of California
Kilde: University of California