So fortschrittlich die Landwirtschaft auch geworden ist, es bleibt ein dringender Bedarf an zerstörungsfreien Methoden, um in den Boden zu „sehen“. Das US-Energieministerium Fortgeschrittene Forschungsprojekte Agentur-Energie (ARPA-E) hat dem Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 4.6 Millionen US-Dollar für zwei Projekte zur Verfügung gestellt, um diese Lücke zu schließen und den Landwirten wichtige Informationen zur Steigerung der Ernteerträge zu geben und gleichzeitig die Speicherung von Kohlenstoff im Boden zu fördern.
Ein Projekt zielt darauf ab, mithilfe von elektrischem Strom das Wurzelsystem abzubilden, was die Züchtung von Pflanzen mit Wurzeln beschleunigen wird, die auf bestimmte Bedingungen (z. B. Trockenheit) zugeschnitten sind. Das andere Projekt wird eine neue bildgebende Technik basierend auf Neutronenstreuung entwickeln, um die Verteilung von Kohlenstoff und anderen Elementen im Boden zu messen.
Berkeley Lab erhielt diese wettbewerbsfähigen Auszeichnungen von ARPA-E's Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS)-Programm, das darauf abzielt, Pflanzen zu entwickeln, die Kohlenstoff aus der Atmosphäre entnehmen und im Boden speichern – was eine 50-prozentige Erhöhung der Kohlenstoffablagerungstiefe und -akkumulation ermöglicht und gleichzeitig die Stickoxidemissionen um 50 Prozent reduziert und die Wasserproduktivität um 25 Prozent erhöht.
Bodenkohlenstoffdefizite sind ein globales Phänomen, das aus vielen Jahrzehnten industrieller Landwirtschaft resultiert. Böden haben die Fähigkeit, erhebliche Mengen an Kohlenstoff zu speichern, wodurch die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration reduziert und gleichzeitig die Bodenfruchtbarkeit und Wasserretention verbessert wird.
Ein EEG für Pflanzen
Die Entwicklung der Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI)-Technologie, die von ARPA-E mit 2.3 Millionen US-Dollar ausgezeichnet wurde, wird vom Berkeley Lab-Geophysiker Yuxin Wu geleitet, der ebenfalls in der Abteilung für Klima- und Ökosystemwissenschaften tätig ist. „Man kann es sich wie eine Bildgebung des Gehirns oder EEG vorstellen, bei der Elektroden, die an Ihrem Kopf angebracht sind, Gehirnwellenmuster aufzeichnen können“, sagte Wu. „Die neue Technologie wird wie ein EEG für Pflanzen sein.“
Durch das Senden eines kleinen elektrischen Stroms in den Stamm, der dann durch das Wurzelsystem fließt, wird TERI die elektrische Reaktion von Wurzeln und Boden erfassen und Informationen über Wurzelmasse, Oberfläche, Tiefe und Verteilung im Boden zusammen mit liefern Daten über Bodentextur und Feuchtigkeitsgehalt und wie sich diese Variablen im Laufe der Zeit verändern.
Der gängige Ansatz zur Untersuchung von Wurzeleigenschaften, der unter dem Spitznamen „Shovelomics“ bekannt ist, umfasst dagegen nicht viel mehr als eine Schaufel und einen Eimer Wasser vor der Wurzelanalyse im Labor. „Es ist eine sehr arbeitsintensive Methode mit geringem Durchsatz, um Wurzeln zu charakterisieren“, sagte Wu. „Und sobald du die Wurzel ausgegraben hast, bist du fertig. Sie können die Veränderungen im Laufe der Zeit nicht betrachten.“
Wu hat mit ersten Tests im Labor begonnen. Später wird er in Zusammenarbeit mit Feldversuche mit Weizenkulturen durchführen Die Samuel Roberts Noble Foundation. Die Noble Foundation mit Sitz in Ardmore, Oklahoma, ist das größte unabhängige landwirtschaftliche Forschungsinstitut in den USA mit mehr als 13,500 Morgen Ackerland, das Forschungen durchführt, um Landwirten und Viehzüchtern zu ermöglichen, die regionale Produktivität und Landbewirtschaftung zu steigern.
Wu und sein Team arbeiten auch mit Subsurface Insights zusammen, einem kleinen Unternehmen, das sich auf die Softwareentwicklung für geophysikalische Anwendungen konzentriert.
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Wurzelphänotypisierungstechnologie der nächsten Generation, die in die Ökosystemmodellierung integriert ist, um die Züchtung von wurzelfokussierten Sorten mit bestimmten Merkmalen zu beschleunigen; zum Beispiel bessere Klimaresilienz und bessere Toleranz gegenüber niedrigen Wasser- und Düngebedingungen. Letztendlich könnte das Tool dazu beitragen, die Erträge zu steigern und gleichzeitig den Kohlenstoffeintrag in den Boden zu erhöhen.
Von Neutronen über Gammastrahlen bis hin zur Kohlenstoffdetektion
Beim zweiten Projekt, das ebenfalls mit 2.3 Millionen US-Dollar ausgezeichnet wurde, arbeiteten Physiker des Berkeley Lab unter der Leitung von Arun Persaud von der Beschleunigertechnologie & Angewandte Physik (ATAP) Abteilung wird ein Instrument bauen, um die Bodenchemie mittels inelastischer Neutronenstreuung zu analysieren, ohne sie zu stören. „Der Generator wird Neutronen in den Boden schicken“, sagte Persaud. „Jedes Neutron kann mit Atomen im Boden reagieren und eine Gammastrahlung erzeugen, die wir oberirdisch mit einem Gammadetektor nachweisen können. Dann messen wir die Energie des Gammas, und daraus können Sie erkennen, um was für ein Atom es sich handelt; Kohlenstoff oder Eisen oder Aluminium zum Beispiel.“
Eine ähnliche Technologie wird derzeit in Anwendungen des Heimatschutzes eingesetzt, wie z. B. bei der Erkennung von Sprengstoffen und anderen Materialien in Fracht, und ist ein langjähriges Forschungsgebiet des Berkeley Lab.
„Diese Technologie wird nicht nur messen können, wie viel Kohlenstoff im Boden ist, sondern auch mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Zentimetern“, sagte Wim Leemans, Direktor von ATAP.
Ersaud sagte, dass diese Technik im Gegensatz zu aktuellen Technologien zur Analyse von Bodeneigenschaften im Feld eingesetzt werden kann und Veränderungen über Raum und Zeit messen kann, ohne den Boden zu stören. Zu den Standardmethoden gehören jetzt das Bohren von Bodenkernen und deren chemische Analysen im Labor, was keine wiederholten Messungen desselben Bodens zulässt und auf großen Flächen nicht praktikabel ist.
Zusammen mit dem ATAP-Physiker Bernhard Ludewigt wird Persaud mit Adelphi Technology Inc. zusammenarbeiten, um den Neutronengenerator zu entwickeln. Das resultierende System könnte schließlich die Form eines mobilen Instruments annehmen, das vor Ort Messungen auf dem Feld eines Landwirts vornimmt.
- Julia Chao, Universität von Kalifornien
Quelle: Universität von Kalifornien