Semaju mana pertanian telah menjadi, masih terdapat keperluan mendesak untuk cara yang tidak merosakkan untuk "melihat" ke dalam tanah. Jabatan Tenaga AS Agensi-Tenaga Projek Penyelidikan Lanjutan (ARPA-E) telah menganugerahkan $4.6 juta kepada Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) untuk dua projek untuk menangani jurang ini, memberikan petani maklumat penting untuk meningkatkan hasil tanaman sambil juga mempromosikan penyimpanan karbon dalam tanah.
Satu projek bertujuan untuk menggunakan arus elektrik untuk imej sistem akar, yang akan mempercepatkan pembiakan tanaman dengan akar yang disesuaikan dengan keadaan tertentu (seperti kemarau). Projek lain akan membangunkan teknik pengimejan baharu berdasarkan taburan neutron untuk mengukur taburan karbon dan unsur lain dalam tanah.
Berkeley Lab menerima anugerah kompetitif ini daripada ARPA-E Pemerhatian Rhizosfera Mengoptimumkan program Terrestrial Sequestration (ROOTS)., yang berusaha untuk membangunkan tanaman yang mengeluarkan karbon daripada atmosfera dan menyimpannya di dalam tanah - membolehkan peningkatan 50 peratus dalam kedalaman dan pengumpulan pemendapan karbon sambil juga mengurangkan pelepasan nitrus oksida sebanyak 50 peratus dan meningkatkan produktiviti air sebanyak 25 peratus.
Defisit karbon tanah adalah fenomena global yang terhasil daripada beberapa dekad pertanian perindustrian. Tanah mempunyai kapasiti untuk menyimpan kuantiti karbon yang ketara, mengurangkan kepekatan karbon dioksida atmosfera di samping meningkatkan kesuburan tanah dan pengekalan air.
EEG untuk tumbuhan
Pembangunan teknologi Pengimejan Rhizosfera Elektrik Tomografi (TERI), yang dianugerahkan $2.3 juta oleh ARPA-E, diketuai oleh ahli geofizik Lab Berkeley Yuxin Wu, juga dalam Bahagian Sains Iklim & Ekosistem. "Anda boleh memikirkannya seperti pengimejan otak, atau EEG, di mana elektrod yang dipasang pada kepala anda boleh merakam corak gelombang otak, " kata Wu. "Teknologi baharu akan menjadi seperti EEG untuk tumbuhan."
Dengan menghantar arus elektrik kecil ke dalam batang, yang kemudiannya akan mengalir ke seluruh sistem akar, TERI akan merasakan tindak balas elektrik kedua-dua akar dan tanah dan memberikan maklumat tentang jisim akar, luas permukaan, kedalaman dan taburan dalam tanah, bersama-sama dengan data tentang tekstur tanah dan kandungan lembapan dan bagaimana pembolehubah ini berubah dari semasa ke semasa.
Sebaliknya, pendekatan biasa untuk mengkaji sifat akar, yang dipanggil "shovelomics" moniker, melibatkan tidak lebih daripada sekop dan baldi air sebelum analisis akar dalam makmal. "Ia adalah kaedah yang sangat intensif buruh dan pemprosesan rendah untuk mencirikan akar," kata Wu. “Dan sebaik sahaja anda menggali akarnya, anda sudah selesai. Anda tidak boleh melihat perubahan dari semasa ke semasa.”
Wu telah memulakan ujian awal di makmal. Nanti dia akan buat ujian lapangan dengan tanaman gandum dengan kerjasama Yayasan Noble Samuel Roberts. Berpusat di Ardmore, Oklahoma, Yayasan Noble ialah institut penyelidikan pertanian bebas terbesar di AS dengan lebih daripada 13,500 ekar tanah ladang yang menjalankan penyelidikan untuk membolehkan petani dan penternak meningkatkan produktiviti serantau dan pengawasan tanah.
Wu dan pasukannya juga bekerjasama dengan Subsurface Insights, sebuah perniagaan kecil yang memfokuskan pada pembangunan perisian untuk aplikasi geofizik.
Matlamat projek ini adalah untuk membangunkan teknologi fenotaip akar generasi akan datang yang disepadukan dengan pemodelan ekosistem untuk mempercepatkan pembiakan kultivar tertumpu akar dengan ciri-ciri tertentu; contohnya, daya tahan iklim yang lebih baik dan toleransi yang lebih baik untuk keadaan air rendah dan rendah baja. Akhirnya, alat itu boleh membantu meningkatkan hasil sambil meningkatkan input karbon ke tanah.
Daripada neutron kepada sinar gamma kepada pengesanan karbon
Dalam projek kedua, turut dianugerahkan $2.3 juta, ahli fizik Lab Berkeley yang diketuai oleh Arun Persaud dari Bahagian Teknologi Pemecut & Fizik Gunaan (ATAP). akan membina instrumen untuk menganalisis kimia tanah, tanpa mengganggunya, dengan cara penyerakan neutron tak anjal. "Penjana akan menghantar neutron ke dalam tanah," kata Persaud. "Setiap neutron boleh bertindak balas dengan atom dalam tanah dan menghasilkan sinar gamma, yang boleh kita kesan di atas tanah dengan pengesan gamma. Kemudian kita mengukur tenaga gamma, dan daripada itu anda boleh mengetahui jenis atom itu; karbon atau besi atau aluminium, sebagai contoh.
Teknologi serupa kini digunakan dalam aplikasi keselamatan tanah air, seperti mengesan bahan letupan dan bahan lain dalam kargo, dan merupakan bidang penyelidikan yang lama di Berkeley Lab.
"Teknologi ini akan dapat bukan sahaja mengukur berapa banyak karbon di dalam tanah tetapi juga melakukannya dengan resolusi spatial beberapa sentimeter," kata Wim Leemans, pengarah ATAP.
ersaud berkata bahawa tidak seperti teknologi semasa untuk menganalisis sifat tanah, teknik ini boleh digunakan di lapangan dan boleh mengukur perubahan ruang dan masa tanpa mengganggu tanah. Kaedah standard kini melibatkan penggerudian teras tanah dan melakukan analisis kimia ke atasnya di makmal, yang tidak membenarkan pengukuran berulang bagi tanah yang sama dan tidak praktikal di kawasan yang luas.
Bersama ahli fizik ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud akan bekerjasama dengan Adelphi Technology Inc. untuk membangunkan penjana neutron. Sistem yang terhasil akhirnya boleh mengambil bentuk alat mudah alih yang mengambil ukuran in situ di ladang petani.
- Julie Chao, Universiti California
Sumber: Universiti California