Jak je zemědělství pokročilé, stále existuje naléhavá potřeba nedestruktivních způsobů, jak „vidět“ do půdy. Americké ministerstvo energetiky Agentura pro pokročilé výzkumné projekty - energetika (ARPA-E) udělila 4.6 milionu dolarů národní laboratoři Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) na dva projekty zaměřené na řešení této mezery a poskytla zemědělcům důležité informace pro zvýšení výnosů plodin a zároveň podpořila ukládání uhlíku v půdě.
Jeden projekt má za cíl použít elektrický proud k zobrazení kořenového systému, což urychlí šlechtění plodin s kořeny, které jsou přizpůsobeny konkrétním podmínkám (jako je sucho). Druhý projekt vyvine novou zobrazovací techniku založenou na rozptylu neutronů pro měření distribuce uhlíku a dalších prvků v půdě.
Berkeley Lab obdržela tato konkurenční ocenění od ARPA-E's Program Rhizosphere Observations Optimalizující pozemskou sekvestraci (ROOTS)., která se snaží vyvíjet plodiny, které odstraňují uhlík z atmosféry a ukládají jej v půdě – což umožňuje 50procentní zvýšení hloubky ukládání a akumulace uhlíku a zároveň snižuje emise oxidu dusného o 50 procent a zvyšuje produktivitu vody o 25 procent.
Půdní uhlíkové deficity jsou globálním fenoménem vyplývajícím z mnoha desetiletí průmyslového zemědělství. Půda má schopnost ukládat značné množství uhlíku, snižuje koncentraci oxidu uhličitého v atmosféře a zároveň zvyšuje úrodnost půdy a zadržování vody.
EEG pro rostliny
Vývoj technologie Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), která byla oceněna 2.3 miliony dolarů od ARPA-E, vede geofyzik z Berkeley Lab Yuxin Wu, rovněž v divizi Climate & Ecosystem Sciences Division. "Můžete si to představit jako zobrazování mozku nebo EEG, kde elektrody připojené k vaší hlavě mohou zaznamenávat vzory mozkových vln," řekl Wu. "Nová technologie bude pro rostliny jako EEG."
Vysláním malého elektrického proudu do stonku, který se poté bude šířit kořenovým systémem, bude TERI snímat elektrickou odezvu kořenů i půdy a poskytne informace o kořenové hmotě, ploše povrchu, hloubce a distribuci v půdě spolu s údaje o struktuře půdy a obsahu vlhkosti a jak se tyto proměnné mění v čase.
Naproti tomu běžný přístup ke studiu vlastností kořenů, který se nazývá „shovelomics“, nezahrnuje nic víc než lopatu a kbelík vody před analýzou kořenů v laboratoři. "Je to velmi pracná a málo výkonná metoda k charakterizaci kořenů," řekl Wu. "A jakmile vykopete kořen, máte hotovo." Nemůžete se dívat na změny v čase.“
Wu zahájil první testování v laboratoři. Později bude ve spolupráci s pšenicemi provádět polní testování Nadace Samuela Robertse Noble. Noble Foundation se sídlem v Ardmore v Oklahomě je největším nezávislým zemědělským výzkumným ústavem v USA s více než 13,500 XNUMX akry zemědělské půdy, který provádí výzkum, který umožňuje farmářům a rančerům zvýšit regionální produktivitu a správu půdy.
Wu a jeho tým také spolupracují se Subsurface Insights, malou firmou zaměřující se na vývoj softwaru pro geofyzikální aplikace.
Cílem projektu je vyvinout technologii fenotypování kořenů nové generace integrovanou s modelováním ekosystémů pro urychlení šlechtění kultivarů zaměřených na kořeny s určitými znaky; například lepší odolnost vůči klimatickým podmínkám a lepší snášenlivost vůči nízkému obsahu vody a nízkému hnojivu. Nakonec by tento nástroj mohl pomoci zvýšit výnosy a zároveň zvýšit vstup uhlíku do půdy.
Od neutronů přes gama záření až po detekci uhlíku
Ve druhém projektu, oceněném rovněž 2.3 miliony dolarů, byli fyzici z Berkeley Lab vedení Arunem Persaudem z Divize Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP). postaví nástroj pro analýzu půdního chemického složení, aniž by jej narušil, pomocí nepružného rozptylu neutronů. "Generátor pošle neutrony do půdy," řekl Persaud. „Každý neutron může reagovat s atomy v půdě a generovat gama záření, které můžeme detekovat nad zemí pomocí gama detektoru. Potom změříme energii gama a z toho můžete poznat, o jaký atom se jedná; například uhlík nebo železo nebo hliník.“
Podobná technologie se v současnosti používá v aplikacích pro vnitřní bezpečnost, jako je detekce výbušnin a dalších materiálů v nákladu, a je dlouhodobou oblastí výzkumu v Berkeley Lab.
"Tato technologie bude schopna nejen měřit množství uhlíku v půdě, ale také s prostorovým rozlišením několika centimetrů," řekl Wim Leemans, ředitel ATAP.
Ersaud řekl, že na rozdíl od současných technologií pro analýzu vlastností půdy lze tuto techniku použít v terénu a může měřit změny v prostoru a čase bez narušení půdy. Standardní metody nyní zahrnují vrtání jader půdy a provádění chemických analýz na nich zpět v laboratoři, což neumožňuje opakovat měření stejné půdy a není praktické na velkých plochách.
Spolu s fyzikem ATAP Bernhardem Ludewigtem bude Persaud spolupracovat s Adelphi Technology Inc. na vývoji generátoru neutronů. Výsledný systém by nakonec mohl mít podobu mobilního přístroje, který provádí in situ měření na farmářském poli.
- Julie Chao, Kalifornská univerzita
Zdroj: Kalifornská univerzita