隨著農業的發展,仍然迫切需要以非破壞性方式“觀察”土壤。 美國能源部的 高級研究計劃署-能源 (ARPA-E) 已向勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 撥款 4.6 萬美元,用於解決這一差距的兩個項目,為農民提供重要信息以提高作物產量,同時促進土壤中碳的儲存。
一個項目旨在使用電流對根系進行成像,這將加速具有適合特定條件(例如乾旱)的根系的作物的繁殖。 另一個項目將開發一種基於中子散射的新成像技術,以測量土壤中碳和其他元素的分佈。
伯克利實驗室從 ARPA-E 獲得了這些具有競爭力的獎項 根際觀測優化陸地封存 (ROOTS) 計劃,該公司旨在開發能夠從大氣中吸收碳並將其儲存在土壤中的作物——使碳沉積深度和積累增加 50%,同時將一氧化二氮排放量減少 50%,並將水生產率提高 25%。
土壤碳虧缺是數十年工業化農業造成的全球現象。 土壤有能力儲存大量的碳,降低大氣中的二氧化碳濃度,同時提高土壤肥力和保水性。
植物腦電圖
由 ARPA-E 授予 2.3 萬美元的斷層電根際成像 (TERI) 技術的開發由伯克利實驗室地球物理學家 Yuxin Wu 領導,他也在氣候與生態系統科學部。 “你可以把它想像成大腦成像或腦電圖,連接到你頭部的電極可以記錄腦電波模式,”吳說。 “新技術就像植物的腦電圖。”
通過向莖部發送一個小電流,然後將其傳播到整個根系,TERI 將感知根部和土壤的電響應,並提供有關根部質量、表面積、深度和土壤中分佈的信息,以及有關土壤質地和水分含量以及這些變量如何隨時間變化的數據。
相比之下,研究根特性的常用方法(稱為“鏟組學”)在實驗室進行根分析之前只涉及一把鏟子和一桶水。 “這是一種非常勞動密集型和低通量的表徵根的方法,”吳說。 “一旦你挖出根源,你就完成了。 你無法看到隨著時間的推移而發生的變化。”
吳已經開始在實驗室進行初步測試。 隨後,他將與 塞繆爾·羅伯茨貴族基金會. Noble Foundation 總部位於俄克拉荷馬州的阿德莫爾,是美國最大的獨立農業研究機構,擁有超過 13,500 英畝的農田進行研究,以幫助農民和牧場主提高區域生產力和土地管理。
Wu 和他的團隊還與 Subsurface Insights 合作,這是一家專注於地球物理應用軟件開發的小型企業。
該項目的目標是開發與生態系統建模相結合的下一代根系表型技術,以加速培育具有某些性狀的以根係為中心的品種; 例如,更好的氣候適應能力和對低水低肥條件的更好耐受性。 最終,該工具可以幫助提高產量,同時增加土壤的碳輸入。
從中子到伽馬射線再到碳探測
在第二個項目中,同樣獲得了 2.3 萬美元的獎金,由伯克利實驗室的物理學家 Arun Persaud 領導。 加速器技術與應用物理 (ATAP) 部門 將建立一個儀器來分析土壤化學,而不干擾它,通過非彈性中子散射。 “發電機會將中子送入土壤,”Persaud 說。 “每個中子都可以與土壤中的原子發生反應並產生伽馬射線,我們可以用伽馬探測器在地面上探測到它。 然後我們測量伽馬的能量,從中你可以知道它是什麼原子; 例如,碳、鐵或鋁。”
類似技術目前用於國土安全應用,例如檢測貨物中的爆炸物和其他材料,並且是伯克利實驗室長期研究的領域。
“這項技術不僅能夠測量土壤中的碳含量,而且能夠以幾厘米的空間分辨率進行測量,”ATAP 主任 Wim Leemans 說。
ersaud 說,與目前分析土壤特性的技術不同,這種技術可以在現場使用,並且可以在不干擾土壤的情況下測量空間和時間的變化。 現在的標準方法包括在實驗室鑽取土芯並對其進行化學分析,這不允許對同一土壤進行重複測量,並且在大面積上也不實用。
Persaud 將與 ATAP 物理學家 Bernhard Ludewigt 一起與 Adelphi Technology Inc. 合作開發中子發生器。 由此產生的系統最終可以採用移動儀器的形式,在農民的田地中進行現場測量。
- 朱麗儀,加州大學
資料來源:加州大學