Каким бы развитым ни стало сельское хозяйство, остается острая потребность в неразрушающих способах «заглянуть» в почву. Министерство энергетики США Агентство перспективных исследований-Энергетика (ARPA-E) выделило 4.6 миллиона долларов Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) на два проекта, направленных на устранение этого пробела, предоставляя фермерам важную информацию для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, а также способствуя хранению углерода в почве.
Один из проектов направлен на использование электрического тока для визуализации корневой системы, что ускорит выведение культур с корнями, адаптированными к конкретным условиям (например, к засухе). Другой проект будет разрабатывать новую технику визуализации, основанную на рассеянии нейтронов, для измерения распределения углерода и других элементов в почве.
Лаборатория Беркли получила эти конкурсные награды от ARPA-E. Программа «Наблюдения за ризосферой и оптимизация наземной секвестрации» (ROOTS)Целью проекта является выращивание сельскохозяйственных культур, которые поглощают углерод из атмосферы и сохраняют его в почве, что позволяет на 50 процентов увеличить глубину отложения и накопления углерода, а также сократить выбросы закиси азота на 50 процентов и повысить продуктивность воды на 25 процентов.
Дефицит углерода в почве — глобальное явление, возникшее в результате многих десятилетий индустриального сельского хозяйства. Почвы обладают способностью хранить значительные количества углерода, снижая концентрацию углекислого газа в атмосфере, а также повышая плодородие почвы и удержание воды.
ЭЭГ для растений
Разработкой технологии томографической электрической визуализации ризосферы (TERI), на которую ARPA-E выделило 2.3 миллиона долларов, руководит геофизик Лаборатории Беркли Юксин Ву, также работающий в отделе наук о климате и экосистемах. «Вы можете думать об этом как о визуализации мозга или ЭЭГ, когда электроды, прикрепленные к вашей голове, могут записывать паттерны мозговых волн», — сказал Ву. «Новая технология будет подобна ЭЭГ для растений».
Посылая небольшой электрический ток в стебель, который затем будет распространяться по всей корневой системе, TERI почувствует электрический отклик как корней, так и почвы и предоставит информацию о массе корня, площади поверхности, глубине и распределении в почве, а также данные о текстуре почвы и содержании влаги, а также о том, как эти переменные меняются с течением времени.
Напротив, общий подход к изучению свойств корней, получивший название «лопатомика», предполагает не что иное, как лопату и ведро воды перед анализом корня в лаборатории. «Это очень трудоемкий и малопроизводительный метод определения характеристик корней», — сказал Ву. «И как только вы выкопаете корень, все готово. Вы не можете наблюдать за изменениями с течением времени».
Ву приступил к первоначальному тестированию в лаборатории. Позже он проведет полевые испытания пшеницы в сотрудничестве с Благородный фонд Сэмюэля Робертса. Базирующийся в Ардморе, штат Оклахома, Noble Foundation является крупнейшим независимым сельскохозяйственным научно-исследовательским институтом в США, располагающим более чем 13,500 XNUMX акрами сельскохозяйственных угодий и проводящим исследования, позволяющие фермерам и владельцам ранчо повысить региональную производительность и рациональное использование земель.
Ву и его команда также сотрудничают с Subsurface Insights, небольшой компанией, занимающейся разработкой программного обеспечения для геофизических приложений.
Целью проекта является разработка технологии фенотипирования корней следующего поколения, интегрированной с моделированием экосистемы, для ускорения выведения сортов, ориентированных на корни, с определенными характеристиками; например, лучшая устойчивость к изменению климата и лучшая устойчивость к условиям маловодья и удобрений. В конечном итоге этот инструмент может помочь повысить урожайность и одновременно увеличить поступление углерода в почву.
От нейтронов до гамма-лучей и обнаружения углерода
Во втором проекте, также получившем 2.3 миллиона долларов, физики Лаборатории Беркли под руководством Аруна Персо из Отдел ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) построит прибор для анализа химического состава почвы, не нарушая его, посредством неупругого рассеяния нейтронов. «Генератор отправит нейтроны в почву», — сказал Персо. «Каждый нейтрон может реагировать с атомами в почве и генерировать гамма-лучи, которые мы можем обнаружить над землей с помощью гамма-детектора. Затем мы измеряем энергию гамма-излучения, и по ней можно сказать, что это за атом; например, углерод, железо или алюминий».
Подобная технология в настоящее время используется в приложениях национальной безопасности, таких как обнаружение взрывчатых веществ и других материалов в грузе, и является давней областью исследований в лаборатории Беркли.
«Эта технология сможет не только измерять количество углерода в почве, но и делать это с пространственным разрешением в несколько сантиметров», — сказал Вим Лиманс, директор ATAP.
Эрсо сказал, что в отличие от современных технологий анализа свойств почвы, этот метод можно использовать в полевых условиях и измерять изменения в пространстве и времени, не нарушая почву. Стандартные методы теперь включают бурение кернов почвы и проведение их химического анализа в лаборатории, что не позволяет проводить повторные измерения одной и той же почвы и непрактично на больших площадях.
Вместе с физиком ATAP Бернхардом Людевигтом Персо будет работать с Adelphi Technology Inc. над разработкой генератора нейтронов. Полученная система может в конечном итоге принять форму мобильного прибора, который будет проводить измерения на месте на фермерском поле.
- Джули ЧаоКалифорнийский университет
Источник: Калифорнийский университет.