Dù nông nghiệp đã phát triển đến mức nào, nhu cầu cấp thiết vẫn là phải có những cách không phá hủy để “nhìn” vào đất. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ Các dự án nghiên cứu tiên tiến Cơ quan-Năng lượng (ARPA-E) đã trao 4.6 triệu USD cho Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) cho hai dự án nhằm giải quyết khoảng cách này, cung cấp cho nông dân những thông tin quan trọng để tăng năng suất cây trồng đồng thời thúc đẩy việc lưu trữ carbon trong đất.
Một dự án nhằm mục đích sử dụng dòng điện để ghi lại hình ảnh hệ thống rễ, điều này sẽ đẩy nhanh quá trình nhân giống cây trồng có rễ phù hợp với các điều kiện cụ thể (chẳng hạn như hạn hán). Dự án còn lại sẽ phát triển một kỹ thuật hình ảnh mới dựa trên sự tán xạ neutron để đo sự phân bố carbon và các nguyên tố khác trong đất.
Phòng thí nghiệm Berkeley đã nhận được những giải thưởng cạnh tranh này từ ARPA-E's Chương trình Quan sát hình thái tối ưu hóa quá trình cô lập trên mặt đất (ROOTS), nhằm tìm cách phát triển các loại cây trồng lấy carbon ra khỏi khí quyển và lưu trữ trong đất – cho phép tăng 50% độ sâu lắng đọng và tích lũy carbon đồng thời giảm 50% lượng khí thải oxit nitơ và tăng năng suất nước lên 25%.
Sự thiếu hụt carbon trong đất là một hiện tượng toàn cầu xuất phát từ nền nông nghiệp công nghiệp kéo dài nhiều thập kỷ. Đất có khả năng lưu trữ một lượng carbon đáng kể, làm giảm nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đồng thời tăng cường độ phì nhiêu của đất và khả năng giữ nước.
Điện não đồ cho thực vật
Việc phát triển công nghệ chụp ảnh vùng rễ điện Tomographic (TERI), được ARPA-E trao tặng 2.3 triệu đô la, được dẫn dắt bởi nhà địa vật lý Yuxin Wu của Phòng thí nghiệm Berkeley, cũng thuộc Ban Khoa học Khí hậu & Hệ sinh thái. “Bạn có thể nghĩ nó giống như chụp ảnh não, hay EEG, nơi các điện cực gắn trên đầu bạn có thể ghi lại các mẫu sóng não,” Wu nói. “Công nghệ mới sẽ giống như một máy đo điện não đồ cho thực vật”.
Bằng cách gửi một dòng điện nhỏ vào thân cây, sau đó dòng điện này sẽ truyền khắp hệ thống rễ, TERI sẽ cảm nhận được phản ứng điện của cả rễ và đất, đồng thời cung cấp thông tin về khối lượng rễ, diện tích bề mặt, độ sâu và sự phân bố trong đất, cùng với dữ liệu về kết cấu đất và độ ẩm cũng như cách các biến này thay đổi theo thời gian.
Ngược lại, phương pháp phổ biến để nghiên cứu các đặc tính của rễ, có biệt danh là “shovelomics”, chỉ bao gồm một cái xẻng và một xô nước trước khi phân tích rễ trong phòng thí nghiệm. Wu nói: “Đó là một phương pháp tốn nhiều công sức và năng suất thấp để xác định đặc điểm của rễ. “Và một khi bạn đào được gốc, bạn đã hoàn tất. Bạn không thể nhìn vào những thay đổi theo thời gian.”
Wu đã bắt đầu thử nghiệm ban đầu trong phòng thí nghiệm. Sau đó anh ấy sẽ tiến hành thử nghiệm trên đồng ruộng với cây lúa mì với sự cộng tác của Quỹ cao quý Samuel Roberts. Có trụ sở tại Ardmore, Oklahoma, Noble Foundation là viện nghiên cứu nông nghiệp độc lập lớn nhất ở Hoa Kỳ với hơn 13,500 mẫu đất nông nghiệp đang thực hiện nghiên cứu nhằm giúp nông dân và chủ trang trại tăng năng suất trong khu vực và quản lý đất đai.
Wu và nhóm của anh ấy cũng đang hợp tác với Suburface Insights, một doanh nghiệp nhỏ tập trung vào phát triển phần mềm cho các ứng dụng địa vật lý.
Mục tiêu của dự án là phát triển công nghệ xác định kiểu hình rễ thế hệ tiếp theo được tích hợp với mô hình hệ sinh thái để đẩy nhanh quá trình nhân giống các giống cây trồng tập trung vào rễ với những đặc điểm nhất định; ví dụ, khả năng phục hồi khí hậu tốt hơn và khả năng chịu đựng tốt hơn trong điều kiện lượng nước thấp và lượng phân bón thấp. Cuối cùng, công cụ này có thể giúp tăng năng suất đồng thời tăng lượng carbon đưa vào đất.
Từ neutron đến tia gamma đến phát hiện carbon
Trong dự án thứ hai, cũng được trao 2.3 triệu USD, các nhà vật lý của Phòng thí nghiệm Berkeley do Arun Persaud của Phòng Công nghệ Máy gia tốc & Vật lý Ứng dụng (ATAP) sẽ chế tạo một công cụ để phân tích thành phần hóa học của đất mà không làm xáo trộn nó bằng phương pháp tán xạ neutron không đàn hồi. “Máy phát điện sẽ gửi neutron vào đất,” Persaud nói. “Mỗi neutron có thể phản ứng với các nguyên tử trong đất và tạo ra tia gamma mà chúng ta có thể phát hiện trên mặt đất bằng máy dò gamma. Sau đó, chúng tôi đo năng lượng của gamma, và từ đó bạn có thể biết đó là loại nguyên tử gì; chẳng hạn như carbon, sắt hoặc nhôm.”
Công nghệ tương tự hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng an ninh nội địa, như phát hiện chất nổ và các vật liệu khác trong hàng hóa, và là lĩnh vực nghiên cứu lâu năm tại Phòng thí nghiệm Berkeley.
Wim Leemans, giám đốc ATAP cho biết: “Công nghệ này không chỉ có thể đo lượng carbon trong đất mà còn có thể đo được với độ phân giải không gian vài cm”.
ersaud cho biết, không giống như các công nghệ hiện nay để phân tích đặc tính của đất, kỹ thuật này có thể được sử dụng trên thực địa và có thể đo lường những thay đổi theo không gian và thời gian mà không làm xáo trộn đất. Các phương pháp tiêu chuẩn hiện nay liên quan đến việc khoan lõi đất và thực hiện các phân tích hóa học trên chúng trong phòng thí nghiệm, điều này không cho phép đo lặp lại trên cùng một loại đất và không thực tế trên các khu vực rộng lớn.
Cùng với nhà vật lý ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud sẽ hợp tác với Adelphi Technology Inc. để phát triển máy tạo neutron. Hệ thống thu được cuối cùng có thể có dạng một thiết bị di động thực hiện các phép đo tại chỗ trên cánh đồng của nông dân.
- Julie Chao, Đài học của California
Nguồn: Đại học California