Hoe geavanceerd de landbouw ook is geworden, er blijft een dringende behoefte aan niet-destructieve manieren om in de bodem te 'kijken'. Het Amerikaanse ministerie van Energie Geavanceerde onderzoeksprojecten Agency-Energy (ARPA-E) heeft $ 4.6 miljoen toegekend aan Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) voor twee projecten om deze kloof te dichten, waardoor boeren belangrijke informatie krijgen om de gewasopbrengst te verhogen en tegelijkertijd de opslag van koolstof in de bodem te bevorderen.
Eén project heeft als doel om met elektrische stroom het wortelstelsel in beeld te brengen, waardoor de veredeling van gewassen met wortels die zijn afgestemd op specifieke omstandigheden (zoals droogte) zal versnellen. Het andere project zal een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkelen op basis van neutronenverstrooiing om de verdeling van koolstof en andere elementen in de bodem te meten.
Berkeley Lab ontving deze competitieve onderscheidingen van ARPA-E's Rhizosfeer-observaties Optimalisatie van het programma terrestrische sekwestratie (ROOTS), dat tot doel heeft gewassen te ontwikkelen die koolstof uit de atmosfeer halen en opslaan in de bodem, waardoor de diepte en accumulatie van koolstof met 50 procent wordt vergroot, terwijl ook de uitstoot van lachgas met 50 procent wordt verminderd en de waterproductiviteit met 25 procent wordt verhoogd.
Koolstoftekorten in de bodem zijn een wereldwijd fenomeen dat het gevolg is van vele decennia van industriële landbouw. Bodems hebben het vermogen om aanzienlijke hoeveelheden koolstof op te slaan, waardoor de atmosferische kooldioxideconcentraties worden verlaagd en tegelijkertijd de bodemvruchtbaarheid en het vasthouden van water worden verbeterd.
Een EEG voor planten
De ontwikkeling van de Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI)-technologie, die $ 2.3 miljoen ontving van ARPA-E, wordt geleid door Berkeley Lab-geofysicus Yuxin Wu, ook in de Climate & Ecosystem Sciences Division. "Je kunt het zien als beeldvorming van de hersenen, of EEG, waarbij elektroden die aan je hoofd zijn bevestigd, hersengolfpatronen kunnen registreren," zei Wu. "De nieuwe technologie zal als een EEG voor planten zijn."
Door een kleine elektrische stroom in de stengel te sturen, die vervolgens door het wortelsysteem gaat, zal TERI de elektrische respons van zowel wortels als grond detecteren en informatie verstrekken over wortelmassa, oppervlakte, diepte en verdeling in de grond, samen met gegevens over bodemtextuur en vochtgehalte en hoe deze variabelen in de loop van de tijd veranderen.
Daarentegen omvat de gebruikelijke benadering voor het bestuderen van worteleigenschappen, die de bijnaam 'shovelomics' draagt, niet veel meer dan een schop en een emmer water voor de wortelanalyse in het laboratorium. "Het is een zeer arbeidsintensieve en low-throughput methode om wortels te karakteriseren," zei Wu. 'En als je de wortel eenmaal hebt uitgegraven, ben je klaar. Veranderingen in de tijd kun je niet zien.”
Wu is begonnen met de eerste tests in het laboratorium. Later zal hij in samenwerking met . veldproeven doen met tarwegewassen De Samuel Roberts Noble Foundation. De Noble Foundation, gevestigd in Ardmore, Oklahoma, is het grootste onafhankelijke landbouwonderzoeksinstituut in de VS met meer dan 13,500 hectare landbouwgrond die onderzoek doet om boeren en veeboeren in staat te stellen de regionale productiviteit en landbeheer te verhogen.
Wu en zijn team werken ook samen met Subsurface Insights, een klein bedrijf dat zich richt op softwareontwikkeling voor geofysische toepassingen.
Het doel van het project is om de volgende generatie wortelfenotyperingstechnologie te ontwikkelen, geïntegreerd met ecosysteemmodellering, om de veredeling van wortelgerichte cultivars met bepaalde eigenschappen te versnellen; bijvoorbeeld een betere klimaatbestendigheid en een betere tolerantie voor omstandigheden met laag water en lage bemesting. Uiteindelijk zou de tool kunnen helpen de opbrengsten te verhogen en tegelijkertijd de koolstoftoevoer naar de bodem te vergroten.
Van neutronen tot gammastraling tot koolstofdetectie
In het tweede project, ook bekroond met $ 2.3 miljoen, hebben natuurkundigen van Berkeley Lab onder leiding van Arun Persaud van de Divisie Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) gaat een instrument bouwen om de bodemchemie te analyseren, zonder deze te verstoren, door middel van inelastische neutronenverstrooiing. "De generator zal neutronen de grond in sturen", zei Persaud. “Elk neutron kan reageren met atomen in de bodem en een gammastraling genereren, die we bovengronds kunnen detecteren met een gammadetector. Dan meten we de energie van het gamma, en daaruit kun je zien wat voor soort atoom het is; koolstof of ijzer of aluminium bijvoorbeeld.”
Soortgelijke technologie wordt momenteel gebruikt in binnenlandse veiligheidstoepassingen, zoals het detecteren van explosieven en andere materialen in vracht, en is een lang onderzoeksgebied bij Berkeley Lab.
“Deze technologie kan niet alleen meten hoeveel koolstof er in de bodem zit, maar ook met een ruimtelijke resolutie van enkele centimeters”, zegt Wim Leemans, directeur van ATAP.
eraud zei dat deze techniek, in tegenstelling tot de huidige technologieën voor het analyseren van bodemeigenschappen, in het veld kan worden gebruikt en veranderingen in ruimte en tijd kan meten zonder de bodem te verstoren. Standaardmethoden omvatten nu het boren van grondkernen en het doen van chemische analyses daarop in het laboratorium, waardoor herhaalde metingen van dezelfde grond niet mogelijk zijn en niet praktisch is over grote gebieden.
Samen met ATAP-fysicus Bernhard Ludewigt gaat Persaud samenwerken met Adelphi Technology Inc. om de neutronengenerator te ontwikkelen. Het resulterende systeem zou uiteindelijk de vorm kunnen aannemen van een mobiel instrument dat in situ metingen doet in het veld van een boer.
- Julie Chao, Universiteit van Californië
Bron: Universiteit van Californië