Lai cik attīstīta lauksaimniecība ir kļuvusi, joprojām ir steidzama vajadzība pēc nesagraujošiem veidiem, kā “redzēt” augsnē. ASV Enerģētikas departaments Uzlaboto pētījumu projektu aģentūra-Enerģētika (ARPA-E) ir piešķīrusi 4.6 miljonus ASV dolāru Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) diviem projektiem, lai novērstu šo trūkumu, sniedzot lauksaimniekiem svarīgu informāciju, lai palielinātu ražu, vienlaikus veicinot oglekļa uzglabāšanu augsnē.
Viena projekta mērķis ir izmantot elektrisko strāvu, lai attēlotu sakņu sistēmu, kas paātrinās tādu kultūru audzēšanu, kuru saknes ir pielāgotas īpašiem apstākļiem (piemēram, sausumam). Otrs projekts izstrādās jaunu attēlveidošanas metodi, kuras pamatā ir neitronu izkliede, lai izmērītu oglekļa un citu elementu sadalījumu augsnē.
Berkeley Lab saņēma šīs konkursa balvas no ARPA-E Programma Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS)., kuras mērķis ir attīstīt kultūras, kas izņem oglekli no atmosfēras un uzglabā to augsnē, ļaujot par 50 procentiem palielināt oglekļa nogulsnēšanās dziļumu un uzkrāšanos, vienlaikus samazinot slāpekļa oksīda emisijas par 50 procentiem un palielinot ūdens produktivitāti par 25 procentiem.
Augsnes oglekļa deficīts ir globāla parādība, kas radusies daudzu gadu desmitu industriālās lauksaimniecības rezultātā. Augsnes spēj uzglabāt ievērojamu daudzumu oglekļa, samazinot oglekļa dioksīda koncentrāciju atmosfērā, vienlaikus uzlabojot augsnes auglību un ūdens aizturi.
EEG augiem
Tomogrāfiskās elektriskās rizosfēras attēlveidošanas (TERI) tehnoloģijas izstrādi, kurai ARPA-E piešķīra 2.3 miljonus ASV dolāru, vada Bērklija laboratorijas ģeofiziķis Yuxin Wu, arī Klimata un ekosistēmu zinātņu nodaļā. "Jūs varat domāt par to kā smadzeņu attēlveidošanu vai EEG, kur pie galvas piestiprinātie elektrodi var reģistrēt smadzeņu viļņu modeļus," sacīja Vu. "Jaunā tehnoloģija būs kā EEG augiem."
Nosūtot stumbrā nelielu elektrisko strāvu, kas pēc tam pārvietosies pa sakņu sistēmu, TERI sajutīs gan sakņu, gan augsnes elektrisko reakciju un sniegs informāciju par sakņu masu, virsmas laukumu, dziļumu un izplatību augsnē, kā arī dati par augsnes struktūru un mitruma saturu un to, kā šie mainīgie mainās laika gaitā.
Turpretim parastā pieeja sakņu īpašību izpētei, ko dēvē par “shovelomics”, ietver tikai lāpstu un spaini ūdens pirms sakņu analīzes laboratorijā. "Tā ir ļoti darbietilpīga un zemas caurlaidības metode sakņu raksturošanai," sacīja Vu. “Un, kad jūs izraka sakni, esat pabeidzis. Jūs nevarat skatīties uz izmaiņām laika gaitā.
Wu ir sācis sākotnējo pārbaudi laboratorijā. Vēlāk viņš sadarbībā ar kviešu kultūrām veiks lauka testus Samuela Roberta Noble fonds. Noble Foundation atrodas Ardmorā, Oklahomā, un ir lielākais neatkarīgais lauksaimniecības pētniecības institūts ASV ar vairāk nekā 13,500 XNUMX akriem lauksaimniecības zemes, kas veic pētījumus, lai ļautu lauksaimniekiem un lopkopjiem palielināt reģionālo produktivitāti un zemes pārvaldību.
Wu un viņa komanda sadarbojas arī ar Subsurface Insights, mazo uzņēmumu, kas koncentrējas uz programmatūras izstrādi ģeofiziskām lietojumprogrammām.
Projekta mērķis ir izstrādāt nākamās paaudzes sakņu fenotipēšanas tehnoloģiju, kas integrēta ar ekosistēmas modelēšanu, lai paātrinātu uz saknēm orientētu šķirņu ar noteiktām pazīmēm selekciju; piemēram, labāka noturība pret klimata pārmaiņām un labāka tolerance pret zema ūdens daudzuma un zema mēslojuma apstākļiem. Galu galā šis rīks varētu palīdzēt palielināt ražu, vienlaikus palielinot oglekļa ievadi augsnē.
No neitroniem līdz gamma stariem līdz oglekļa noteikšanai
Otrajā projektā, kuram arī tika piešķirti 2.3 miljoni USD, Berkeley Lab fiziķi, kuru vadīja Aruns Persauds no Akseleratora tehnoloģiju un lietišķās fizikas (ATAP) nodaļa izveidos instrumentu augsnes ķīmijas analīzei, to netraucējot, izmantojot neelastīgo neitronu izkliedi. "Ģenerators nosūtīs neitronus augsnē," sacīja Persauds. "Katrs neitrons var reaģēt ar atomiem augsnē un radīt gamma staru, ko mēs varam noteikt virszemes ar gamma detektoru. Tad mēs izmērām gamma enerģiju, un pēc tā jūs varat pateikt, kāds atoms tas ir; piemēram, ogleklis vai dzelzs vai alumīnijs.
Līdzīga tehnoloģija pašlaik tiek izmantota iekšzemes drošības lietojumos, piemēram, sprāgstvielu un citu materiālu atklāšanā kravā, un tā ir ilgstoša Berkeley Lab pētījumu joma.
"Šī tehnoloģija varēs ne tikai izmērīt, cik daudz oglekļa ir augsnē, bet arī ar dažu centimetru telpisko izšķirtspēju," sacīja ATAP direktors Wim Leemans.
Ersauds teica, ka atšķirībā no pašreizējām augsnes īpašību analīzes tehnoloģijām šo paņēmienu var izmantot laukā un var izmērīt izmaiņas telpā un laikā, netraucējot augsni. Standarta metodes tagad ietver augsnes serdeņu urbšanu un ķīmisko analīžu veikšanu tiem laboratorijā, kas neļauj veikt atkārtotus vienas un tās pašas augsnes mērījumus un nav praktiski izmantojamas lielās platībās.
Kopā ar ATAP fiziķi Bernhardu Ludevigtu Persauds strādās ar Adelphi Technology Inc., lai izstrādātu neitronu ģeneratoru. Iegūtā sistēma galu galā varētu būt mobila instrumenta veidā, kas veic in situ mērījumus lauksaimnieka laukā.
Sākot no Džūlija Čao, Kalifornijas Universitāte
Avots: Kalifornijas Universitāte