ככל שהתקדמה החקלאות, נותר צורך דחוף בדרכים לא הרסניות "לראות" לתוך האדמה. משרד האנרגיה האמריקאי פרויקטי מחקר מתקדמים סוכנות-אנרגיה (ARPA-E) העניקה 4.6 מיליון דולר למעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) עבור שני פרויקטים כדי להתמודד עם הפער הזה, מתן מידע חשוב לחקלאים להגדלת תפוקת היבול תוך קידום אחסון פחמן באדמה.
פרויקט אחד נועד להשתמש בזרם חשמלי כדי לדמיין את מערכת השורשים, מה שיאיץ את הרבייה של יבולים עם שורשים המותאמים לתנאים ספציפיים (כגון בצורת). הפרויקט השני יפתח טכניקת הדמיה חדשה המבוססת על פיזור נויטרונים למדידת התפלגות הפחמן והיסודות האחרים באדמה.
מעבדת ברקלי קיבלה את הפרסים התחרותיים הללו מ-ARPA-E's תוכנית Rhizosphere Observations Optimizing Sequestration Terrestrial (ROOTS)., השואפת לפתח יבולים המוציאים פחמן מהאטמוספרה ואוגרים אותו באדמה - מה שמאפשר גידול של 50 אחוזים בעומק והצטברות הפחמן תוך הפחתת פליטת תחמוצת החנקן ב-50 אחוזים והגדלת תפוקת המים ב-25 אחוזים.
גירעון פחמן בקרקע הוא תופעה עולמית הנובעת מעשרות שנים רבות של חקלאות תעשייתית. לקרקעות יש יכולת לאגור כמויות משמעותיות של פחמן, להפחית את ריכוזי הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה תוך שיפור פוריות הקרקע ואגירת מים.
EEG לצמחים
פיתוח של טכנולוגיית Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), אשר זכתה ב-2.3 מיליון דולר על ידי ARPA-E, מובל על ידי הגיאופיזיקאי של ברקלי, Yuxin Wu, גם הוא בחטיבת מדעי האקלים והאקולוגיות. "אתה יכול לחשוב על זה כמו הדמיה מוחית, או EEG, שבו אלקטרודות המחוברות לראש שלך יכולות לתעד דפוסי גלי מוח," אמר וו. "הטכנולוגיה החדשה תהיה כמו EEG לצמחים."
על ידי שליחת זרם חשמלי קטן לתוך הגבעול, אשר לאחר מכן יעבור בכל מערכת השורשים, TERI יחוש את התגובה החשמלית של השורשים והאדמה גם יחד ויספק מידע על מסת השורשים, שטח הפנים, העומק והפיזור באדמה, יחד עם נתונים על מרקם הקרקע ותכולת הלחות וכיצד משתנים אלה משתנים לאורך זמן.
לעומת זאת, הגישה הנפוצה לחקר תכונות השורשים, המכונה "שופלומיקה", כוללת לא הרבה יותר מאת ודלי מים לפני ניתוח שורשים במעבדה. "זו שיטת עבודה מאוד אינטנסיבית ותפוקה נמוכה לאפיין שורשים", אמר וו. "וברגע שאתה חופר את השורש, סיימת. אי אפשר להסתכל על שינויים לאורך זמן".
וו החלה בבדיקה ראשונית במעבדה. בהמשך יבצע בדיקות שדה עם גידולי חיטה בשיתוף עם קרן סמואל רוברטס נובל. קרן נובל, שבסיסה בארדמור, אוקלהומה, היא מכון המחקר החקלאי העצמאי הגדול ביותר בארה"ב עם יותר מ-13,500 דונם של אדמות חקלאיות המבצעות מחקר כדי לאפשר לחקלאים ולחוות להגדיל את הפריון האזורי וניהול הקרקע.
וו והצוות שלו משתפים פעולה גם עם Subsurface Insights, עסק קטן המתמקד בפיתוח תוכנה ליישומים גיאופיזיים.
מטרת הפרויקט היא לפתח את הדור הבא של טכנולוגיית פנוטייפ שורשים המשולבת במודלים של מערכות אקולוגיות כדי להאיץ את הרבייה של זנים ממוקדי שורש עם תכונות מסוימות; לדוגמה, גמישות אקלים טובה יותר וסובלנות טובה יותר לתנאי מים נמוכים ודשנים נמוכים. בסופו של דבר, הכלי יכול לעזור להגדיל את התשואות תוך הגדלת קלט הפחמן לאדמה.
מניוטרונים לקרני גמא ועד לגילוי פחמן
בפרויקט השני, שזכה אף הוא ב-2.3 מיליון דולר, הפיזיקאים של מעבדת ברקלי בראשות ארון פרסו מה- חטיבת טכנולוגיית מאיץ ופיזיקה יישומית (ATAP). יבנה מכשיר לניתוח כימיה של הקרקע, מבלי להפריע לה, באמצעות פיזור נויטרונים לא אלסטי. "המחולל ישלח נויטרונים לאדמה", אמר פרסו. "כל נויטרון יכול להגיב עם אטומים באדמה וליצור קרן גמא, אותה נוכל לזהות מעל פני הקרקע באמצעות גלאי גמא. לאחר מכן אנו מודדים את האנרגיה של הגמא, ומתוך כך ניתן לדעת באיזה סוג אטום מדובר; פחמן או ברזל או אלומיניום, למשל".
טכנולוגיה דומה משמשת כיום ביישומי ביטחון פנים, כגון זיהוי חומרי נפץ וחומרים אחרים במטען, והיא תחום מחקר ותיק במעבדת ברקלי.
"טכנולוגיה זו תוכל לא רק למדוד כמה פחמן יש באדמה אלא גם לעשות זאת ברזולוציה מרחבית של כמה סנטימטרים", אמר וים לימנס, מנהל ATAP.
ersaud אמר כי בניגוד לטכנולוגיות הנוכחיות לניתוח תכונות הקרקע, ניתן להשתמש בטכניקה זו בשטח והיא יכולה למדוד שינויים על פני מרחב וזמן מבלי להפריע לקרקע. שיטות סטנדרטיות כוללות כיום קידוח ליבות אדמה וביצוע ניתוחים כימיים עליהן במעבדה, מה שלא מאפשר מדידות חוזרות של אותה אדמה ואינו מעשי בשטחים גדולים.
יחד עם הפיזיקאי ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud יעבוד עם Adelphi Technology Inc כדי לפתח את מחולל הנייטרונים. המערכת המתקבלת יכולה בסופו של דבר ללבוש צורה של מכשיר נייד שלוקח מדידות באתרו בשדה של חקלאי.
- ג'ולי צ'או, האוניברסיטה של קליפורניה
מקור: אוניברסיטת קליפורניה