農業が進歩するにつれて、土壌を「見る」ための非破壊的な方法が差し迫った必要性が残っています。 米国エネルギー省 Advanced Research Projects Agency-エネルギー (ARPA-E)は、このギャップに対処するための4.6つのプロジェクトに対してローレンスバークレー国立研究所(バークレー研究所)にXNUMX万ドルを授与し、農民に作物収量を増やしながら土壌中の炭素の貯蔵を促進するための重要な情報を提供しました。
XNUMXつのプロジェクトは、電流を使用して根系を画像化することを目的としています。これにより、特定の条件(干ばつなど)に合わせた根を持つ作物の育種が加速されます。 もうXNUMXつのプロジェクトでは、中性子散乱に基づく新しいイメージング技術を開発して、土壌中の炭素やその他の元素の分布を測定します。
Berkeley Labは、ARPA-Eからこれらの競争力のある賞を受賞しました 陸域隔離(ROOTS)プログラムを最適化する根圏観測は、大気から炭素を取り出して土壌に貯蔵する作物の開発を目指しています。これにより、炭素の堆積深度と蓄積を50%増加させると同時に、亜酸化窒素の排出量を50%削減し、水の生産性を25%向上させます。
土壌炭素の不足は、何十年にもわたる工業型農業に起因する世界的な現象です。 土壌には大量の炭素を貯蔵する能力があり、大気中の二酸化炭素濃度を低減すると同時に、土壌の肥沃度と保水性を高めます。
植物の脳波
ARPA-Eから2.3万ドルを授与された、断層撮影電気根圏イメージング(TERI)技術の開発は、同じく気候および生態系科学部門のバークレー研究所の地球物理学者YuxinWuが主導しています。 「頭に取り付けられた電極が脳波パターンを記録できる脳イメージング、またはEEGのように考えることができます」とWu氏は述べています。 「新しい技術は、植物の脳波のようになります。」
ステムに小さな電流を送り、それが根系全体に伝わるようにすることで、TERIは根と土壌の両方の電気的応答を感知し、根の質量、表面積、深さ、土壌中の分布に関する情報を提供します。土性と水分含有量、およびこれらの変数が時間の経過とともにどのように変化するかに関するデータ。
対照的に、「ショベロミクス」という名前で行われる、根の特性を研究するための一般的なアプローチでは、ラボで根を分析する前に、シャベルとバケツの水しか使用しません。 「ルーツを特徴づけるのは非常に労働集約的で低スループットの方法です」とWu氏は述べています。 「そして、ルートを掘り下げると、完了です。 時間の経過に伴う変化を見ることはできません。」
ウーはラボで初期テストを開始しました。 後で彼はと協力して小麦作物でフィールドテストを行います サミュエルロバーツノーブル財団。 オクラホマ州アードモアに本拠を置くノーブル財団は、米国で最大の独立した農業研究機関であり、13,500エーカー以上の農地で、農民や牧場主が地域の生産性と土地管理を向上させるための研究を行っています。
Wuと彼のチームは、地球物理学アプリケーションのソフトウェア開発に焦点を当てている中小企業であるSubsurfaceInsightsとも提携しています。
このプロジェクトの目標は、生態系モデリングと統合された次世代の根の表現型技術を開発して、特定の特性を持つ根に焦点を当てた栽培品種の育種を加速することです。 たとえば、気候の回復力が向上し、低水位および低肥料条件に対する耐性が向上します。 最終的に、このツールは、土壌への炭素投入量を増やしながら、収量を増やすのに役立つ可能性があります。
中性子からガンマ線、炭素検出まで
同じく2.3万ドルを授与されたXNUMX番目のプロジェクトでは、アルン・ペルソーが率いるバークレー研究所の物理学者が 加速器技術および応用物理学(ATAP)部門 非弾性中性子散乱により、土壌化学を乱すことなく分析するための機器を構築します。 「発電機は中性子を土壌に送ります」とPersaudは言いました。 「各中性子は土壌中の原子と反応してガンマ線を生成することができます。ガンマ線は、ガンマ検出器で地上で検出できます。 次に、ガンマのエネルギーを測定します。そこから、それがどのような原子であるかを知ることができます。 たとえば、炭素、鉄、アルミニウム。」
同様の技術は、現在、貨物中の爆発物やその他の物質の検出など、国土安全保障アプリケーションで使用されており、バークレー研究所での長年の研究分野です。
「この技術は、土壌中の炭素量を測定できるだけでなく、数センチメートルの空間分解能で測定することもできます」と、ATAPのディレクターであるWimLeemans氏は述べています。
ersaud氏は、土壌の特性を分析するための現在の技術とは異なり、この技術は現場で使用でき、土壌を乱すことなく空間と時間の変化を測定できると述べました。 現在、標準的な方法では、土壌コアを掘削し、ラボに戻って化学分析を行う必要があります。これにより、同じ土壌を繰り返し測定することはできず、広い領域で実用的ではありません。
Persaudは、ATAPの物理学者Bernhard Ludewigtと協力して、AdelphiTechnologyInc.と協力して中性子発生器を開発します。 結果として得られるシステムは、最終的には農民の現場で現場測定を行うモバイル機器の形をとることができます。
- ジュリーチャオ、カリフォルニア大学
出典:カリフォルニア大学