Tak ako sa stalo poľnohospodárstvo pokrokom, stále existuje naliehavá potreba nedeštruktívnych spôsobov, ako „vidieť“ do pôdy. Ministerstvo energetiky USA Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) udelila 4.6 milióna dolárov Národnému laboratóriu Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) na dva projekty na riešenie tejto medzery, pričom farmárom poskytuje dôležité informácie na zvýšenie výnosov plodín a zároveň podporuje ukladanie uhlíka v pôde.
Jeden projekt má za cieľ použiť elektrický prúd na zobrazenie koreňového systému, čo urýchli šľachtenie plodín s koreňmi, ktoré sú prispôsobené špecifickým podmienkam (napríklad suchu). Druhý projekt vyvinie novú zobrazovaciu techniku založenú na rozptyle neutrónov na meranie distribúcie uhlíka a iných prvkov v pôde.
Berkeley Lab získalo tieto súťažné ocenenia od ARPA-E's Program Rhizosphere Observations Optimalizácia terestriálnej sekvestrácie (ROOTS)., ktorá sa snaží vyvíjať plodiny, ktoré odstraňujú uhlík z atmosféry a ukladajú ho v pôde – čo umožňuje 50-percentné zvýšenie hĺbky ukladania a akumulácie uhlíka a zároveň znižuje emisie oxidu dusného o 50 percent a zvyšuje produktivitu vody o 25 percent.
Deficity uhlíka v pôde sú globálnym fenoménom, ktorý je výsledkom mnohých desaťročí priemyselného poľnohospodárstva. Pôda má schopnosť ukladať značné množstvo uhlíka, čím sa znižuje koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére a zároveň sa zvyšuje úrodnosť pôdy a zadržiavanie vody.
EEG pre rastliny
Vývoj technológie Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), ktorá bola ocenená ARPA-E 2.3 milióna dolárov, vedie geofyzik z Berkeley Lab Yuxin Wu, tiež v divízii Climate & Ecosystem Sciences. "Môžete si to predstaviť ako zobrazovanie mozgu alebo EEG, kde elektródy pripojené k vašej hlave môžu zaznamenávať vzory mozgových vĺn," povedal Wu. "Nová technológia bude ako EEG pre rastliny."
Poslaním malého elektrického prúdu do stonky, ktorá sa potom bude šíriť cez koreňový systém, TERI zaznamená elektrickú odozvu koreňov aj pôdy a poskytne informácie o koreňovej hmote, povrchu, hĺbke a distribúcii v pôde, spolu s údaje o textúre pôdy a obsahu vlhkosti a ako sa tieto premenné menia v čase.
Na rozdiel od toho bežný prístup k štúdiu vlastností koreňov, ktorý sa nazýva „shovelomics“, nezahŕňa oveľa viac ako lopatu a vedro vody pred analýzou koreňov v laboratóriu. "Je to veľmi pracovná a málo výkonná metóda na charakterizáciu koreňov," povedal Wu. "A keď vykopete koreň, skončíte." Nemôžete sa pozerať na zmeny v priebehu času.“
Wu začal prvé testovanie v laboratóriu. Neskôr bude v spolupráci s pšenicou robiť terénne testovanie Nadácia Samuela Robertsa Noble. Noble Foundation so sídlom v Ardmore v Oklahome je najväčším nezávislým poľnohospodárskym výskumným ústavom v USA s viac ako 13,500 XNUMX akrami poľnohospodárskej pôdy, ktorý vykonáva výskum s cieľom umožniť farmárom a farmárom zvýšiť regionálnu produktivitu a hospodárenie s pôdou.
Wu a jeho tím tiež spolupracujú so Subsurface Insights, malým podnikom zameraným na vývoj softvéru pre geofyzikálne aplikácie.
Cieľom projektu je vyvinúť technológiu fenotypovania koreňov novej generácie integrovanú s modelovaním ekosystémov na urýchlenie šľachtenia kultivarov zameraných na korene s určitými vlastnosťami; napríklad lepšia odolnosť voči poveternostným vplyvom a lepšia tolerancia voči nízkym vodným podmienkam a nízkym hnojivám. V konečnom dôsledku by tento nástroj mohol pomôcť zvýšiť výnosy a zároveň zvýšiť prísun uhlíka do pôdy.
Od neutrónov cez gama lúče až po detekciu uhlíka
V druhom projekte, ktorý tiež získal 2.3 milióna dolárov, fyzici z Berkeley Lab pod vedením Aruna Persauda z Divízia Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP). vybuduje nástroj na analýzu chémie pôdy bez toho, aby ju narušil, pomocou nepružného rozptylu neutrónov. "Generátor pošle neutróny do pôdy," povedal Persaud. "Každý neutrón môže reagovať s atómami v pôde a generovať gama žiarenie, ktoré môžeme detekovať nad zemou pomocou gama detektora." Potom zmeriame energiu gama a z toho môžete zistiť, o aký druh atómu ide; uhlík alebo železo alebo hliník, napríklad.“
Podobná technológia sa v súčasnosti používa v aplikáciách národnej bezpečnosti, ako je detekcia výbušnín a iných materiálov v náklade, a je dlhodobou oblasťou výskumu v Berkeley Lab.
"Táto technológia bude schopná nielen zmerať množstvo uhlíka v pôde, ale aj s priestorovým rozlíšením niekoľkých centimetrov," povedal Wim Leemans, riaditeľ ATAP.
Ersaud povedal, že na rozdiel od súčasných technológií na analýzu vlastností pôdy možno túto techniku použiť v teréne a môže merať zmeny v priestore a čase bez narušenia pôdy. Štandardné metódy teraz zahŕňajú vŕtanie pôdnych jadier a vykonávanie chemických analýz na nich späť v laboratóriu, čo neumožňuje opakované merania tej istej pôdy a nie je praktické na veľkých plochách.
Spolu s fyzikom ATAP Bernhardom Ludewigtom bude Persaud spolupracovať s Adelphi Technology Inc. na vývoji generátora neutrónov. Výsledný systém by mohol mať nakoniec podobu mobilného prístroja, ktorý vykonáva merania in situ na poli farmára.
- Julie Chao, Kalifornská univerzita
Zdroj: Kalifornská univerzita