مع تقدم الزراعة ، لا تزال هناك حاجة ملحة لطرق غير مدمرة "لرؤية" في التربة. وزارة الطاقة الأمريكية وكالة المشاريع البحثية المتقدمة - الطاقة (ARPA-E) منحت 4.6 مليون دولار لمختبر لورنس بيركلي الوطني (Berkeley Lab) لمشروعين لمعالجة هذه الفجوة ، مما يمنح المزارعين معلومات مهمة لزيادة غلات المحاصيل مع تعزيز تخزين الكربون في التربة.
يهدف أحد المشاريع إلى استخدام التيار الكهربائي لتصوير نظام الجذر ، مما سيسرع من تكاثر المحاصيل ذات الجذور المصممة لظروف معينة (مثل الجفاف). سيقوم المشروع الآخر بتطوير تقنية تصوير جديدة تعتمد على تشتت النيوترونات لقياس توزيع الكربون والعناصر الأخرى في التربة.
حصل Berkeley Lab على هذه الجوائز التنافسية من ARPA-E's برنامج رصد الجذور لتحسين عزل الأرض (ROOTS)، التي تسعى إلى تطوير المحاصيل التي تزيل الكربون من الغلاف الجوي وتخزنه في التربة - مما يتيح زيادة بنسبة 50 في المائة في عمق ترسيب الكربون وتراكمه مع تقليل انبعاثات أكسيد النيتروز بنسبة 50 في المائة وزيادة إنتاجية المياه بنسبة 25 في المائة.
يعد نقص الكربون في التربة ظاهرة عالمية ناتجة عن عقود عديدة من الزراعة الصناعية. تتمتع التربة بالقدرة على تخزين كميات كبيرة من الكربون ، مما يقلل من تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع تعزيز خصوبة التربة والاحتفاظ بالمياه.
مخطط كهربية الدماغ للنباتات
يقود تطوير تقنية التصوير المقطعي للغلاف الجذور الكهربي (TERI) ، التي حصلت على 2.3 مليون دولار من ARPA-E ، عالم الجيوفيزياء في Berkeley Lab Yuxin Wu ، أيضًا في قسم علوم المناخ والنظام الإيكولوجي. قال وو: "يمكنك التفكير في الأمر مثل تصوير الدماغ ، أو EEG ، حيث يمكن للأقطاب الكهربائية المتصلة برأسك تسجيل أنماط موجات الدماغ". "التكنولوجيا الجديدة ستكون مثل مخطط كهربية الدماغ للنباتات."
من خلال إرسال تيار كهربائي صغير إلى الساق ، والذي ينتقل بعد ذلك عبر نظام الجذر ، سوف تستشعر TERI الاستجابة الكهربائية لكل من الجذور والتربة وتوفر معلومات عن كتلة الجذر ، ومساحة السطح ، والعمق ، والتوزيع في التربة ، جنبًا إلى جنب مع بيانات عن نسيج التربة ومحتوى الرطوبة وكيف تتغير هذه المتغيرات بمرور الوقت.
في المقابل ، فإن النهج الشائع لدراسة خصائص الجذر ، والذي يطلق عليه لقب "shovelomics" ، لا يتضمن أكثر من مجرفة ودلو من الماء قبل تحليل الجذر في المختبر. قال وو: "إنها طريقة كثيفة العمالة ومنخفضة الإنتاجية لوصف الجذور". "وبمجرد أن تحفر الجذور ، تكون قد انتهيت. لا يمكنك النظر إلى التغييرات بمرور الوقت. "
بدأت وو الاختبارات الأولية في المختبر. في وقت لاحق سيقوم بإجراء اختبار ميداني على محاصيل القمح بالتعاون مع مؤسسة صموئيل روبرتس نوبل. تعتبر مؤسسة نوبل ، التي يقع مقرها في أردمور بولاية أوكلاهوما ، أكبر معهد أبحاث زراعي مستقل في الولايات المتحدة مع أكثر من 13,500 فدان من الأراضي الزراعية التي تجري أبحاثًا لتمكين المزارعين ومربي الماشية من زيادة الإنتاجية الإقليمية وإدارة الأراضي.
ويشارك وو وفريقه أيضًا مع شركة Subsurface Insights ، وهي شركة صغيرة تركز على تطوير البرمجيات للتطبيقات الجيوفيزيائية.
يتمثل هدف المشروع في تطوير تقنية الجيل التالي من التنميط الظاهري للجذور المدمجة مع نمذجة النظام الإيكولوجي لتسريع تكاثر الأصناف التي تركز على الجذور مع سمات معينة ؛ على سبيل المثال ، تحسين مرونة المناخ وتحمل أفضل لظروف انخفاض المياه والأسمدة المنخفضة. في النهاية ، يمكن أن تساعد الأداة في زيادة الغلات مع زيادة مدخلات الكربون في التربة.
من النيوترونات إلى أشعة جاما إلى الكشف عن الكربون
في المشروع الثاني ، الذي حصل أيضًا على 2.3 مليون دولار ، قام علماء فيزياء Berkeley Lab بقيادة Arun Persaud من شعبة تكنولوجيا المعجل والفيزياء التطبيقية (ATAP) سوف تبني أداة لتحليل كيمياء التربة ، دون إزعاجها ، عن طريق تشتت النيوترونات غير المرن. قال بيرسود: "المولد سيرسل النيوترونات إلى التربة". يمكن أن يتفاعل كل نيوترون مع الذرات الموجودة في التربة ويولد أشعة جاما ، والتي يمكننا اكتشافها فوق الأرض باستخدام كاشف جاما. ثم نقيس طاقة جاما ، ومن ذلك يمكنك معرفة نوع الذرة ؛ الكربون أو الحديد أو الألومنيوم ، على سبيل المثال. "
تُستخدم تقنية مماثلة حاليًا في تطبيقات الأمن الداخلي ، مثل اكتشاف المتفجرات والمواد الأخرى في البضائع ، وهي مجال بحث طويل الأمد في Berkeley Lab.
قال ويم ليمانز ، مدير ATAP: "لن تكون هذه التقنية قادرة على قياس كمية الكربون الموجودة في التربة فحسب ، بل ستفعل ذلك أيضًا من خلال تحليل مكاني لبضعة سنتيمترات".
قال ersaud إنه على عكس التقنيات الحالية لتحليل خصائص التربة ، يمكن استخدام هذه التقنية في الحقل ويمكنها قياس التغيرات عبر المكان والزمان دون الإخلال بالتربة. تتضمن الأساليب القياسية الآن حفر نوى التربة وإجراء التحليلات الكيميائية عليها مرة أخرى في المختبر ، وهو ما لا يسمح بتكرار قياسات نفس التربة وغير عملي على مساحات كبيرة.
بالتعاون مع عالم الفيزياء ATAP Bernhard Ludewigt ، سيعمل بيرسود مع شركة Adelphi Technology Inc. لتطوير مولد النيوترونات. يمكن للنظام الناتج في النهاية أن يتخذ شكل أداة متنقلة تأخذ قياسات في الموقع في حقل المزارع.
- جولي تشاوجامعة كاليفورنيا
المصدر: جامعة كاليفورنيا