Каким бы продвинутым ни было сельское хозяйство, по-прежнему существует насущная потребность в неразрушающих способах «заглянуть» в почву. Министерство энергетики США Агентство перспективных исследований-Энергетика (ARPA-E) выделила 4.6 миллиона долларов Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) на два проекта по устранению этого пробела, предоставляя фермерам важную информацию для повышения урожайности, а также способствуя хранению углерода в почве.
Один проект направлен на использование электрического тока для визуализации корневой системы, что ускорит выведение культур с корнями, адаптированными к конкретным условиям (например, засухе). В рамках другого проекта будет разработан новый метод визуализации, основанный на рассеянии нейтронов, для измерения распределения углерода и других элементов в почве.
Лаборатория Беркли получила эти награды от компании ARPA-E. Программа наблюдений за ризосферой, оптимизирующая наземную секвестрацию (ROOTS), которая направлена на выращивание культур, которые поглощают углерод из атмосферы и сохраняют его в почве, что позволяет увеличить глубину осаждения и накопления углерода на 50 процентов, а также сократить выбросы закиси азота на 50 процентов и повысить продуктивность воды на 25 процентов.
Дефицит почвенного углерода является глобальным явлением, возникшим в результате многих десятилетий промышленного сельского хозяйства. Почвы способны накапливать значительное количество углерода, снижая концентрацию углекислого газа в атмосфере, а также повышая плодородие почвы и удерживая воду.
ЭЭГ для растений
Разработку технологии томографической электрической визуализации ризосферы (TERI), на которую ARPA-E выделила 2.3 миллиона долларов, возглавляет геофизик из лаборатории Беркли Юсин 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 регистрировать паттерны мозговых волн», — сказал Ву. «Новая технология будет похожа на ЭЭГ для растений».
Посылая слабый электрический ток в стебель, который затем проходит через корневую систему, TERI воспринимает электрическую реакцию как корней, так и почвы и предоставляет информацию о массе корней, площади поверхности, глубине и распределении в почве вместе с данные о структуре почвы и содержании влаги, а также о том, как эти переменные меняются с течением времени.
Напротив, распространенный подход к изучению свойств корней, известный под названием «лопатомика», включает в себя не более чем лопату и ведро воды перед анализом корней в лаборатории. «Это очень трудоемкий и низкопроизводительный метод для определения характеристик корней», — сказал Ву. «И как только вы выкопаете корень, все готово. Вы не можете смотреть на изменения с течением времени».
Ву начал первоначальные испытания в лаборатории. Позже он проведет полевые испытания с посевами пшеницы в сотрудничестве с Благородный фонд Сэмюэля Робертса. Основанный в Ардморе, штат Оклахома, Noble Foundation является крупнейшим независимым сельскохозяйственным научно-исследовательским институтом в США с более чем 13,500 XNUMX акрами сельскохозяйственных угодий, проводящих исследования, позволяющие фермерам и владельцам ранчо повысить региональную производительность и рациональное использование земель.
Ву и его команда также сотрудничают с Subsurface Insights, малым бизнесом, специализирующимся на разработке программного обеспечения для геофизических приложений.
Целью проекта является разработка технологии фенотипирования корней нового поколения, интегрированной с моделированием экосистем, для ускорения выведения сортов, ориентированных на корни, с определенными характеристиками; например, лучшая устойчивость к изменению климата и лучшая переносимость условий с низким содержанием воды и удобрений. В конечном счете, этот инструмент может помочь повысить урожайность при одновременном увеличении поступления углерода в почву.
От нейтронов до гамма-лучей и обнаружения углерода
Во втором проекте, на который также было выделено 2.3 миллиона долларов, физики из лаборатории Беркли во главе с Аруном Персо из Отдел ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) построит прибор для анализа химического состава почвы, не нарушая его, с помощью неупругого рассеяния нейтронов. «Генератор будет посылать 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 вы можете сказать, что это за атом; например, углерод, железо или алюминий».
Аналогичная технология в настоящее время используется в приложениях национальной безопасности, таких как обнаружение взрывчатых веществ и других материалов в грузах, 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 он может 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 нецелесообразно на больших площадях.
Вместе с физиком ATAP Бернхардом Людевигтом Персо будет работать с Adelphi Technology Inc. над разработкой нейтронного генератора. Полученная система может в конечном итоге принять форму мобильного прибора, который проводит измерения на месте на фермерском поле.
- Джули ЧаоКалифорнийский университет
Источник: Калифорнийский университет.
