尽管农业已经变得很先进,但仍然迫切需要一种非破坏性的方法来“观察”土壤。美国能源部的 高级研究计划署-能源 (ARPA-E) 已向劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 拨款 4.6 万美元,用于两个项目来解决这一差距,为农民提供重要信息,以提高作物产量,同时促进土壤中的碳储存。
其中一个项目旨在利用电流对根系进行成像,这将加速培育根系适合特定条件(例如干旱)的作物。另一个项目将开发一种基于中子散射的新成像技术,以测量土壤中碳和其他元素的分布。
伯克利实验室获得了 ARPA-E 颁发的这些竞争性奖项 根际观测优化陆地封存 (ROOTS) 计划该项目致力于开发能够从大气中吸收碳并将其储存在土壤中的作物,从而使碳沉积深度和积累增加 50%,同时将一氧化二氮排放量减少 50%,并将水的生产率提高 25%。
土壤碳赤字是几十年工业化农业造成的全球现象。土壤具有储存大量碳的能力,降低大气中二氧化碳浓度,同时还能增强土壤肥力和保水性。
植物脑电图
断层电根际成像 (TERI) 技术的开发由 ARPA-E 资助 2.3 万美元,由伯克利实验室气候与生态系统科学部的地球物理学家 Yuxin Wu 领导。 “你可以把它想象成脑成像(EEG),连接在你头上的电极可以记录脑电波模式,”吴说。 “新技术就像植物的脑电图。”
通过向茎发送小电流,然后该电流将穿过根系,TERI 将感测根和土壤的电响应,并提供有关根质量、表面积、深度和土壤分布的信息,以及有关土壤质地和水分含量以及这些变量如何随时间变化的数据。
相比之下,研究根部特性的常用方法被称为“铲组学”,在实验室进行根部分析之前只需要一把铲子和一桶水。 “这是一种劳动密集型、低通量的方法来表征根,”吴说。 “一旦你把根挖出来,你就完成了。你无法看到随着时间的推移发生的变化。”
吴已开始在实验室进行初步测试。随后,他将与以下机构合作对小麦作物进行田间测试: 塞缪尔·罗伯茨诺贝尔基金会。诺贝尔基金会总部位于俄克拉荷马州阿德莫尔,是美国最大的独立农业研究机构,在超过 13,500 英亩的农田上开展研究,帮助农民和牧场主提高地区生产力和土地管理。
Wu 和他的团队还与 Subsurface Insights 合作,这是一家专注于地球物理应用软件开发的小型企业。
该项目的目标是开发与生态系统模型相结合的下一代根表型分析技术,以加速培育具有某些性状的以根为中心的品种;例如,更好的气候适应能力以及对低水和低肥条件的更好耐受性。最终,该工具可以帮助提高产量,同时增加土壤的碳输入。
从中子到伽马射线再到碳探测
在第二个项目中,伯克利实验室的物理学家也获得了 2.3 万美元的资助,该项目由 Arun Persaud 领导。 加速器技术与应用物理 (ATAP) 部门 将建造一台仪器,通过非弹性中子散射在不干扰土壤化学的情况下分析土壤化学。 “发电机将向土壤发送中子,”佩尔绍德说。 “每个中子都可以与土壤中的原子发生反应并产生伽马射线,我们可以用伽马探测器在地面上探测到伽马射线。然后我们测量伽马的能量,从中你可以知道它是什么类型的原子;例如,碳、铁或铝。”
类似的技术目前用于国土安全应用,例如检测货物中的爆炸物和其他材料,并且是伯克利实验室的长期研究领域。
ATAP 主任 Wim Leemans 表示:“这项技术不仅能够测量土壤中的碳含量,而且还能以几厘米的空间分辨率进行测量。”
ersaud 表示,与当前分析土壤特性的技术不同,该技术可以在现场使用,并且可以在不干扰土壤的情况下测量空间和时间的变化。现在的标准方法包括钻取土芯并在实验室中对其进行化学分析,这不允许对同一土壤进行重复测量,并且在大面积范围内不实用。
Persaud 将与 ATAP 物理学家 Bernhard Ludewigt 一起与 Adelphi Technology Inc. 合作开发中子发生器。由此产生的系统最终可能采用移动仪器的形式,在农民的田地里进行现场测量。
- 朱莉超,加州大学
资料来源:加州大学