Bármennyire is fejlett a mezőgazdaság, továbbra is égető szükség van a talajba való „belátás” roncsolásmentes módjaira. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma Haladó Kutatási Projektek Ügynöksége – Energia (ARPA-E) 4.6 millió dollárt ítélt oda a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumnak (Berkeley Lab) két projektre, amelyek célja ennek a hiányosságnak a megszüntetése, fontos információkkal szolgálva a gazdálkodóknak a terméshozam növelése érdekében, ugyanakkor elősegítve a szén talajban való tárolását.
Az egyik projekt célja, hogy elektromos áramot használjon a gyökérrendszer leképezésére, ami felgyorsítja a meghatározott körülményekhez (például aszályhoz) szabott gyökerű növények szaporodását. A másik projekt egy új, neutronszóráson alapuló képalkotó technikát fejleszt ki a szén és egyéb elemek talajban való eloszlásának mérésére.
A Berkeley Lab megkapta ezeket a versenydíjakat az ARPA-E-től Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, amely olyan növények kifejlesztésére törekszik, amelyek kivonják a szenet a légkörből és tárolják azt a talajban – lehetővé téve a szénlerakódás mélységének és felhalmozódásának 50 százalékos növelését, miközben 50 százalékkal csökkenti a dinitrogén-oxid-kibocsátást és 25 százalékkal növeli a víz termelékenységét.
A talaj szén-dioxid-hiánya globális jelenség, amely több évtizedes ipari mezőgazdaság eredménye. A talajok jelentős mennyiségű szenet tárolnak, csökkentve a légkör szén-dioxid-koncentrációját, miközben javítják a talaj termékenységét és vízvisszatartását.
EEG növények számára
A Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI) technológia fejlesztését, amelyet az ARPA-E 2.3 millió dollárral ítélt meg, a Berkeley Lab geofizikusa, Yuxin Wu vezeti, aki szintén az éghajlat- és ökoszisztématudományi részlegben dolgozik. "Úgy gondolhat rá, mint az agyi képalkotásra vagy EEG-re, ahol a fejéhez rögzített elektródák rögzíthetik az agyhullám-mintázatokat" - mondta Wu. „Az új technológia olyan lesz, mint a növények EEG-je.”
Azáltal, hogy kis elektromos áramot küld a szárba, amely azután végighalad a gyökérrendszeren, a TERI érzékeli mind a gyökerek, mind a talaj elektromos reakcióját, és információt ad a gyökér tömegéről, felületéről, mélységéről és a talajban való eloszlásáról, valamint a talaj szerkezetére és nedvességtartalmára vonatkozó adatok, valamint ezek a változók időbeli változása.
Ezzel szemben a gyökértulajdonságok tanulmányozásának általános megközelítése, amelyet „shovelomics” néven emlegetnek, nem sokkal többet foglal magában, mint egy lapátot és egy vödör vizet a gyökér laboratóriumi elemzése előtt. "Ez egy nagyon munkaigényes és alacsony áteresztőképességű módszer a gyökerek jellemzésére" - mondta Wu. – És ha egyszer kiástad a gyökeret, akkor kész. Nem tudod megnézni az idő múlásával kapcsolatos változásokat.”
Wu megkezdte a kezdeti tesztelést a laboratóriumban. Később szántóföldi vizsgálatokat végez búzanövényekkel együttműködve Samuel Roberts Noble Alapítvány. Az oklahomai Ardmore-ban található Noble Foundation az Egyesült Államok legnagyobb független mezőgazdasági kutatóintézete, több mint 13,500 XNUMX hektár termőfölddel, és kutatásokat végez annak érdekében, hogy a gazdálkodók és gazdálkodók növeljék a regionális termelékenységet és a földgazdálkodást.
Wu és csapata a Subsurface Insights nevű kisvállalkozással is együttműködik, amely geofizikai alkalmazások szoftverfejlesztésére összpontosít.
A projekt célja az ökoszisztéma-modellezéssel integrált következő generációs gyökérfenotipizálási technológia kidolgozása, amely felgyorsítja a bizonyos tulajdonságokkal rendelkező gyökérfókuszú fajták nemesítését; például jobb klímatűrő képesség és jobb tolerancia alacsony víz- és műtrágyatartalmú körülmények között. Végső soron az eszköz segíthet a hozamok növelésében, miközben növeli a talaj szénbevitelét.
A neutronoktól a gamma-sugárzáson át a szénészlelésig
A második, szintén 2.3 millió dollárral jutalmazott projektben a Berkeley Lab fizikusai Arun Persaud vezetésével. Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) részleg olyan műszert fog építeni, amely a talaj kémiáját elemzi, anélkül, hogy azt megzavarná, rugalmatlan neutronszórás segítségével. "A generátor neutronokat küld a talajba" - mondta Persaud. „Minden neutron reakcióba léphet a talajban lévő atomokkal, és gamma-sugarat generálhat, amelyet gamma-detektorral tudunk érzékelni a föld felett. Ezután megmérjük a gamma energiáját, és ebből meg lehet tudni, hogy milyen atomról van szó; például szén, vas vagy alumínium."
Hasonló technológiát jelenleg is használnak belbiztonsági alkalmazásokban, például robbanóanyagok és egyéb anyagok felderítésében a rakományban, és ez a Berkeley Lab hosszú távú kutatási területe.
"Ez a technológia nem csak azt fogja tudni mérni, hogy mennyi szén van a talajban, hanem néhány centiméteres térbeli felbontással is" - mondta Wim Leemans, az ATAP igazgatója.
Ersaud elmondta, hogy a talajtulajdonságok elemzésére szolgáló jelenlegi technológiákkal ellentétben ez a technika terepen is alkalmazható, és a talaj megzavarása nélkül képes mérni a térben és időben bekövetkező változásokat. A standard módszerek ma már talajmagok fúrását és kémiai elemzések elvégzését foglalják magukban a laboratóriumban, ami nem teszi lehetővé ugyanazon talaj ismételt mérését, és nem praktikus nagy területeken.
Az ATAP fizikusával, Bernhard Ludewigttel együtt Persaud az Adelphi Technology Inc.-vel fog együtt dolgozni a neutrongenerátor kifejlesztésén. Az eredményül kapott rendszer végül egy mobil műszer formáját öltheti, amely in situ méréseket végez egy gazdálkodó szántóföldjén.
- Julie Chao, Kaliforniai Egyetem
Forrás: University of California