So gevorderd soos die landbou geword het, bly daar 'n dringende behoefte aan nie-vernietigende maniere om in die grond te "sien". Die Amerikaanse departement van energie Gevorderde Navorsingsprojekte Agentskap-Energie (ARPA-E) het $4.6 miljoen aan Lawrence Berkeley Nasionale Laboratorium (Berkeley Lab) toegeken vir twee projekte om hierdie gaping aan te spreek, wat boere belangrike inligting gee om oesopbrengste te verhoog, terwyl dit ook die berging van koolstof in grond bevorder.
Een projek het ten doel om elektriese stroom te gebruik om die wortelstelsel te beeld, wat die teel van gewasse sal versnel met wortels wat aangepas is vir spesifieke toestande (soos droogte). Die ander projek sal 'n nuwe beeldtegniek ontwikkel wat gebaseer is op neutronverstrooiing om die verspreiding van koolstof en ander elemente in die grond te meet.
Berkeley Lab het hierdie mededingende toekennings van ARPA-E's ontvang Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, wat poog om gewasse te ontwikkel wat koolstof uit die atmosfeer neem en dit in die grond berg - wat 'n 50 persent toename in koolstofneerleggingsdiepte en -akkumulasie moontlik maak, terwyl dit ook stikstofoksiedvrystellings met 50 persent verminder en waterproduktiwiteit met 25 persent verhoog.
Grondkoolstoftekorte is 'n wêreldwye verskynsel wat voortspruit uit baie dekades van industriële landbou. Grond het die vermoë om aansienlike hoeveelhede koolstof op te berg, wat atmosferiese koolstofdioksiedkonsentrasies verminder terwyl dit ook grondvrugbaarheid en waterretensie verbeter.
'n EEG vir plante
Ontwikkeling van die Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI)-tegnologie, wat $2.3 miljoen deur ARPA-E toegeken is, word gelei deur Berkeley Lab-geofisikus Yuxin Wu, ook in die Afdeling Klimaat- en Ekosisteemwetenskappe. "Jy kan daaraan dink soos breinbeelding, of EEG, waar elektrodes wat aan jou kop geheg is, breingolfpatrone kan opneem," het Wu gesê. "Die nuwe tegnologie sal soos 'n EEG vir plante wees."
Deur 'n klein elektriese stroom in die stam in te stuur, wat dan deur die wortelstelsel sal beweeg, sal TERI die elektriese reaksie van beide wortels en grond waarneem en inligting verskaf oor wortelmassa, oppervlakte, diepte en verspreiding in die grond, tesame met data oor grondtekstuur en voginhoud en hoe hierdie veranderlikes oor tyd verander.
Daarteenoor behels die algemene benadering tot die bestudering van worteleienskappe, wat onder die naam "schovelomics" gaan, nie veel meer as 'n graaf en 'n emmer water voor wortelontleding in die laboratorium nie. "Dit is 'n baie arbeidsintensiewe en lae deursetmetode om wortels te karakteriseer," het Wu gesê. “En as jy eers die wortel opgegrawe het, is jy klaar. Jy kan nie kyk na veranderinge oor tyd nie.”
Wu het aanvanklike toetse in die laboratorium begin. Later gaan hy veldtoetse met koringgewasse in samewerking met Die Samuel Roberts Noble Foundation. Gevestig in Ardmore, Oklahoma, is die Noble Foundation die grootste onafhanklike landbounavorsingsinstituut in die VSA met meer as 13,500 XNUMX hektaar landbougrond wat navorsing doen om boere en plaasboere in staat te stel om streeksproduktiwiteit en grondbeheer te verhoog.
Wu en sy span werk ook saam met Subsurface Insights, 'n klein onderneming wat fokus op sagteware-ontwikkeling vir geofisiese toepassings.
Die projek se doel is om die volgende generasie wortelfenotiperingstegnologie geïntegreer met ekosisteemmodellering te ontwikkel om die teel van wortelgefokusde kultivars met sekere eienskappe te versnel; byvoorbeeld, beter klimaat veerkragtigheid en beter verdraagsaamheid vir lae water en lae kunsmis toestande. Uiteindelik kan die werktuig help om opbrengste te verhoog terwyl koolstofinvoer na die grond verhoog word.
Van neutrone tot gammastrale tot koolstofopsporing
In die tweede projek, wat ook $2.3 miljoen bekroon is, het Berkeley Lab-fisici onder leiding van Arun Persaud van die Afdeling Versnellertegnologie en Toegepaste Fisika (ATAP). sal 'n instrument bou om grondchemie te ontleed, sonder om dit te versteur, deur middel van onelastiese neutronverstrooiing. "Die kragopwekker sal neutrone in die grond stuur," het Persaud gesê. “Elke neutron kan met atome in die grond reageer en 'n gammastraal opwek, wat ons bogronds met 'n gammadetektor kan opspoor. Dan meet ons die energie van die gamma, en daaruit kan jy sê watter soort atoom dit is; byvoorbeeld koolstof of yster of aluminium.”
Soortgelyke tegnologie word tans gebruik in tuislandveiligheidstoepassings, soos die opsporing van plofstof en ander materiaal in vrag, en is 'n jarelange navorsingsgebied by Berkeley Lab.
"Hierdie tegnologie sal nie net in staat wees om te meet hoeveel koolstof in die grond is nie, maar ook met ruimtelike resolusie van 'n paar sentimeter," het Wim Leemans, ATAP-direkteur, gesê.
ersaud het gesê dat anders as huidige tegnologieë vir die ontleding van grondeienskappe, hierdie tegniek in die veld aangewend kan word en veranderinge oor ruimte en tyd kan meet sonder om die grond te versteur. Standaardmetodes behels nou die boor van grondkerne en doen chemiese ontledings daarop terug in die laboratorium, wat nie vir herhaalde metings van dieselfde grond toelaat nie en nie prakties oor groot gebiede is nie.
Saam met ATAP-fisikus Bernhard Ludewigt, sal Persaud saam met Adelphi Technology Inc. werk om die neutrongenerator te ontwikkel. Die gevolglike stelsel kan uiteindelik die vorm aanneem van 'n mobiele instrument wat in situ metings in 'n boer se veld neem.
- Julie Chao, Universiteit van Kalifornië
Bron: Universiteit van Kalifornië