Så avanceret som landbruget er blevet, er der stadig et presserende behov for ikke-destruktive måder at "se" ind i jorden på. Det amerikanske energiministerium Avancerede forskningsprojekter Agency-Energy (ARPA-E) har tildelt 4.6 millioner dollars til Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) til to projekter for at afhjælpe denne kløft, hvilket giver landmænd vigtige oplysninger til at øge afgrødeudbyttet og samtidig fremme lagringen af kulstof i jorden.
Et projekt har til formål at bruge elektrisk strøm til at afbilde rodsystemet, hvilket vil fremskynde forædlingen af afgrøder med rødder, der er skræddersyet til specifikke forhold (såsom tørke). Det andet projekt vil udvikle en ny billeddannelsesteknik baseret på neutronspredning til at måle fordelingen af kulstof og andre grundstoffer i jorden.
Berkeley Lab modtog disse konkurrencedygtige priser fra ARPA-E's Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) program, som søger at udvikle afgrøder, der tager kulstof ud af atmosfæren og lagrer det i jorden - hvilket muliggør en 50 procents stigning i kulstofdepositionsdybde og -akkumulering, samtidig med at udledningen af lattergas med 50 procent og øger vandproduktiviteten med 25 procent.
Jordens kulstofunderskud er et globalt fænomen som følge af mange årtiers industrielt landbrug. Jord har kapacitet til at lagre betydelige mængder kulstof, hvilket reducerer atmosfæriske kuldioxidkoncentrationer, samtidig med at jordens frugtbarhed og vandretention forbedres.
Et EEG for planter
Udvikling af Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI) teknologien, som blev tildelt $2.3 millioner af ARPA-E, ledes af Berkeley Lab geofysiker Yuxin Wu, også i Climate & Ecosystem Sciences Division. "Du kan tænke på det som hjernebilleddannelse eller EEG, hvor elektroder fastgjort til dit hoved kan optage hjernebølgemønstre," sagde Wu. "Den nye teknologi vil være som et EEG for planter."
Ved at sende en lille elektrisk strøm ind i stilken, som så vil vandre gennem hele rodsystemet, vil TERI fornemme den elektriske respons fra både rødder og jord og give information om rodmasse, overfladeareal, dybde og fordeling i jorden, sammen med data om jordtekstur og fugtindhold, og hvordan disse variabler ændrer sig over tid.
I modsætning hertil involverer den almindelige tilgang til at studere rodegenskaber, som går under betegnelsen "shovelomics", ikke meget mere end en skovl og en spand vand før rodanalyse i laboratoriet. "Det er en meget arbejdskrævende og lav-gennemstrømningsmetode til at karakterisere rødder," sagde Wu. "Og når du først har gravet roden op, er du færdig. Man kan ikke se på ændringer over tid.”
Wu er begyndt indledende test i laboratoriet. Senere skal han lave markforsøg med hvedeafgrøder i samarbejde med Samuel Roberts Noble Foundation. Med base i Ardmore, Oklahoma, er Noble Foundation det største uafhængige landbrugsforskningsinstitut i USA med mere end 13,500 acres landbrugsjord, der udfører forskning for at sætte landmænd og ranchere i stand til at øge den regionale produktivitet og landforvaltning.
Wu og hans team samarbejder også med Subsurface Insights, en lille virksomhed med fokus på softwareudvikling til geofysiske applikationer.
Projektets mål er at udvikle næste generations rodfænotypingsteknologi integreret med økosystemmodellering for at fremskynde forædlingen af rodfokuserede kultivarer med visse egenskaber; f.eks. bedre klimabestandighed og bedre tolerance over for lavvandede og lave gødningsforhold. I sidste ende kan værktøjet hjælpe med at øge udbyttet og samtidig øge kulstoftilførslen til jorden.
Fra neutroner til gammastråler til kulstofdetektion
I det andet projekt, der også blev tildelt 2.3 millioner dollars, blev Berkeley Lab-fysikere ledet af Arun Persaud fra Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division vil bygge et instrument til at analysere jordbundens kemi, uden at forstyrre den, ved hjælp af uelastisk neutronspredning. "Generatoren vil sende neutroner ind i jorden," sagde Persaud. »Hver neutron kan reagere med atomer i jorden og generere en gammastråle, som vi kan detektere over jorden med en gammadetektor. Så måler vi energien i gamma, og ud fra det kan man se, hvad det er for et atom; kulstof eller jern eller aluminium, for eksempel."
Lignende teknologi bruges i øjeblikket i hjemmesikkerhedsapplikationer, såsom detektering af sprængstoffer og andre materialer i last, og er et mangeårigt forskningsområde hos Berkeley Lab.
"Denne teknologi vil ikke kun være i stand til at måle, hvor meget kulstof der er i jorden, men også gøre det med rumlig opløsning på nogle få centimeter," sagde Wim Leemans, ATAP-direktør.
ersaud sagde, at i modsætning til nuværende teknologier til at analysere jordegenskaber, kan denne teknik bruges i marken og kan måle ændringer over tid og rum uden at forstyrre jorden. Standardmetoder involverer nu at bore jordkerner og lave kemiske analyser på dem tilbage i laboratoriet, hvilket ikke giver mulighed for gentagne målinger af den samme jord og ikke er praktisk over store områder.
Sammen med ATAP-fysiker Bernhard Ludewigt vil Persaud arbejde sammen med Adelphi Technology Inc. om at udvikle neutrongeneratoren. Det resulterende system kunne i sidste ende tage form af et mobilt instrument, der tager in situ målinger på en landmands mark.
— Julie Chao, University of California
Kilde: University of California