Eins framarlega og landbúnaður er orðinn, er enn brýn þörf fyrir óeyðandi leiðir til að „sjá“ í jarðveginn. Orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna Ítarleg rannsóknarverkefni Stofnun-orka (ARPA-E) hefur veitt Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 4.6 milljónir dala fyrir tvö verkefni til að takast á við þetta bil og gefa bændum mikilvægar upplýsingar til að auka uppskeru á sama tíma og stuðla að geymslu kolefnis í jarðvegi.
Eitt verkefni miðar að því að nota rafstraum til að mynda rótarkerfið, sem mun flýta fyrir ræktun ræktunar með rótum sem eru sérsniðnar að sérstökum aðstæðum (svo sem þurrka). Hitt verkefnið mun þróa nýja myndgreiningartækni sem byggir á nifteindadreifingu til að mæla dreifingu kolefnis og annarra frumefna í jarðvegi.
Berkeley Lab fékk þessi samkeppnisverðlaun frá ARPA-E Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) forrit, sem leitast við að þróa ræktun sem tekur kolefni úr andrúmsloftinu og geymir það í jarðvegi - sem gerir 50 prósenta aukningu á dýpt og uppsöfnun kolefnisútfellingar á sama tíma og dregur úr losun nituroxíðs um 50 prósent og eykur framleiðni vatns um 25 prósent.
Kolefnisskortur í jarðvegi er alþjóðlegt fyrirbæri sem stafar af margra áratuga iðnaðarlandbúnaði. Jarðvegur hefur getu til að geyma umtalsvert magn af kolefni, dregur úr styrk koltvísýrings í andrúmsloftinu en eykur jafnframt frjósemi jarðvegs og vökvasöfnun.
EEG fyrir plöntur
Þróun á Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI) tækni, sem hlaut $2.3 milljónir af ARPA-E, er undir forystu Berkeley Lab jarðeðlisfræðingsins Yuxin Wu, einnig í loftslags- og vistkerfisvísindum. „Þú getur hugsað um það eins og heilamyndgreiningu, eða heilafrit, þar sem rafskaut fest við höfuðið geta skráð heilabylgjumynstur,“ sagði Wu. „Nýja tæknin verður eins og heilarita fyrir plöntur.
Með því að senda lítinn rafstraum inn í stöngulinn, sem síðan fer um rótarkerfið, mun TERI skynja rafsvörun bæði róta og jarðvegs og veita upplýsingar um rótmassa, yfirborð, dýpt og dreifingu í jarðvegi, ásamt gögn um jarðvegsáferð og rakainnihald og hvernig þessar breytur breytast með tímanum.
Aftur á móti felur hin almenna nálgun við að rannsaka rótareiginleika, sem gengur undir nafninu „schovelomics“, ekki miklu meira en skóflu og fötu af vatni fyrir rótgreiningu í rannsóknarstofunni. „Þetta er mjög vinnufrek og afkastalítil aðferð til að einkenna rætur,“ sagði Wu. „Og þegar þú hefur grafið upp rótina ertu búinn. Það er ekki hægt að horfa á breytingar með tímanum.“
Wu hefur hafið fyrstu prófanir í rannsóknarstofunni. Síðar mun hann gera akurprófanir með hveitiræktun í samvinnu við Samuel Roberts Noble Foundation. Noble Foundation hefur aðsetur í Ardmore, Oklahoma, og er stærsta sjálfstæða landbúnaðarrannsóknarstofnun Bandaríkjanna með meira en 13,500 hektara ræktað land sem stundar rannsóknir til að gera bændum og búgarðseigendum kleift að auka svæðisbundna framleiðni og landvörslu.
Wu og teymi hans eru einnig í samstarfi við Subsurface Insights, lítið fyrirtæki sem leggur áherslu á hugbúnaðarþróun fyrir jarðeðlisfræðileg forrit.
Markmið verkefnisins er að þróa næstu kynslóðar svipgerðatækni fyrir rót samþætta vistkerfislíkönum til að flýta fyrir ræktun rótarmiðaðra yrkja með ákveðna eiginleika; til dæmis, betra loftslagsþol og betra þol fyrir lágt vatn og lítið áburðarskilyrði. Að lokum gæti tólið hjálpað til við að auka uppskeru á sama tíma og það eykur kolefnisinntak í jarðveginn.
Frá nifteindum til gammageisla til kolefnisgreiningar
Í öðru verkefninu, sem einnig hlaut 2.3 milljónir Bandaríkjadala, fengu Berkeley Lab eðlisfræðingar undir forystu Arun Persaud hjá Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) deild mun smíða tæki til að greina jarðvegsefnafræði, án þess að trufla hana, með óteygjanlegri nifteindadreifingu. „Rafallinn mun senda nifteindir í jarðveginn,“ sagði Persaud. „Hver nifteind getur brugðist við frumeindum í jarðveginum og myndað gammageisla sem við getum greint ofanjarðar með gammaskynjara. Síðan mælum við orku gamma og af því má sjá hvers konar atóm það er; kolefni eða járn eða ál, til dæmis.“
Svipuð tækni er nú notuð í heimavarnarforritum, svo sem að greina sprengiefni og önnur efni í farmi, og er langvarandi rannsóknarsvið hjá Berkeley Lab.
„Þessi tækni mun ekki aðeins geta mælt hversu mikið kolefni er í jarðvegi heldur einnig með nokkurra sentímetra upplausn,“ sagði Wim Leemans, forstjóri ATAP.
Ersaud sagði að ólíkt núverandi tækni til að greina jarðvegseiginleika, þá er hægt að nota þessa tækni á sviði og getur mælt breytingar yfir rúm og tíma án þess að trufla jarðveginn. Staðlaðar aðferðir fela nú í sér að bora jarðvegskjarna og gera efnagreiningar á þeim aftur í rannsóknarstofunni, sem leyfir ekki endurteknar mælingar á sama jarðvegi og er ekki hagkvæmt á stórum svæðum.
Ásamt ATAP eðlisfræðingnum Bernhard Ludewigt mun Persaud vinna með Adelphi Technology Inc. að þróun nifteindarafallsins. Kerfið sem myndast gæti að lokum verið í formi færanlegs tækis sem tekur mælingar á staðnum á akri bónda.
- Julie Chao, University of California
Heimild: University of California