Per quanto l’agricoltura sia diventata avanzata, rimane un bisogno urgente di metodi non distruttivi per “vedere” nel suolo. Del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Agenzia per i progetti di ricerca avanzata-Energia (ARPA-E) ha assegnato 4.6 milioni di dollari al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) per due progetti volti a colmare questa lacuna, fornendo agli agricoltori informazioni importanti per aumentare i raccolti e promuovendo allo stesso tempo lo stoccaggio del carbonio nel suolo.
Un progetto mira a utilizzare la corrente elettrica per visualizzare il sistema radicale, cosa che accelererà la riproduzione di colture con radici adatte a condizioni specifiche (come la siccità). L'altro progetto svilupperà una nuova tecnica di imaging basata sulla diffusione dei neutroni per misurare la distribuzione del carbonio e di altri elementi nel suolo.
Berkeley Lab ha ricevuto questi premi competitivi da ARPA-E Programma ROOTS (Osservazioni della rizosfera per l'ottimizzazione del sequestro terrestre)., che mira a sviluppare colture in grado di prelevare il carbonio dall’atmosfera e immagazzinarlo nel suolo, consentendo un aumento del 50% della profondità di deposizione e dell’accumulo di carbonio, riducendo allo stesso tempo le emissioni di protossido di azoto del 50% e aumentando la produttività dell’acqua del 25%.
I deficit di carbonio nel suolo sono un fenomeno globale derivante da molti decenni di agricoltura industriale. I suoli hanno la capacità di immagazzinare quantità significative di carbonio, riducendo le concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica e migliorando allo stesso tempo la fertilità del suolo e la ritenzione idrica.
Un EEG per le piante
Lo sviluppo della tecnologia Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), che ha ricevuto 2.3 milioni di dollari dall'ARPA-E, è guidato dal geofisico del Berkeley Lab Yuxin Wu, anche lui nella divisione Scienze del clima e dell'ecosistema. "Puoi pensarlo come l'imaging cerebrale, o EEG, in cui gli elettrodi attaccati alla testa possono registrare i modelli delle onde cerebrali", ha detto Wu. “La nuova tecnologia sarà come un EEG per le piante”.
Inviando una piccola corrente elettrica nello stelo, che viaggerà poi attraverso tutto il sistema radicale, TERI percepirà la risposta elettrica sia delle radici che del terreno e fornirà informazioni sulla massa radicale, area superficiale, profondità e distribuzione nel terreno, insieme a dati sulla struttura del suolo e sul contenuto di umidità e su come queste variabili cambiano nel tempo.
Al contrario, l’approccio comune allo studio delle proprietà delle radici, noto con il soprannome di “shovelomics”, non prevede molto più di una pala e un secchio d’acqua prima dell’analisi delle radici in laboratorio. "È un metodo molto laborioso e poco produttivo per caratterizzare le radici", ha detto Wu. “E una volta che hai estratto la radice, il gioco è fatto. Non puoi guardare i cambiamenti nel tempo.
Wu ha iniziato i primi test in laboratorio. Successivamente effettuerà prove sul campo con colture di grano in collaborazione con La Fondazione Nobile Samuel Roberts. Con sede ad Ardmore, Oklahoma, la Noble Foundation è il più grande istituto di ricerca agricola indipendente negli Stati Uniti con oltre 13,500 acri di terreni agricoli che svolgono ricerche per consentire ad agricoltori e allevatori di aumentare la produttività regionale e la gestione della terra.
Wu e il suo team stanno anche collaborando con Subsurface Insights, una piccola impresa focalizzata sullo sviluppo di software per applicazioni geofisiche.
L'obiettivo del progetto è sviluppare una tecnologia di fenotipizzazione delle radici di prossima generazione integrata con la modellazione dell'ecosistema per accelerare la selezione di cultivar focalizzate sulle radici con determinati tratti; ad esempio, una migliore resilienza climatica e una migliore tolleranza alle condizioni di scarsità d’acqua e di fertilizzanti. In definitiva, lo strumento potrebbe contribuire ad aumentare i rendimenti aumentando al tempo stesso l’apporto di carbonio nel suolo.
Dai neutroni ai raggi gamma alla rilevazione del carbonio
Nel secondo progetto, anch’esso premiato con 2.3 milioni di dollari, i fisici del Berkeley Lab guidati da Arun Persaud del Divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata (ATAP). costruirà uno strumento per analizzare la chimica del suolo, senza disturbarlo, mediante diffusione anelastica di neutroni. "Il generatore invierà neutroni nel suolo", ha detto Persaud. “Ogni neutrone può reagire con gli atomi nel terreno e generare un raggio gamma, che possiamo rilevare in superficie con un rilevatore gamma. Poi misuriamo l'energia gamma, e da quella puoi capire che tipo di atomo è; carbonio, ferro o alluminio, per esempio”.
Una tecnologia simile è attualmente utilizzata nelle applicazioni di sicurezza nazionale, come il rilevamento di esplosivi e altri materiali nel carico, ed è un'area di ricerca di lunga data presso il Berkeley Lab.
"Questa tecnologia sarà in grado non solo di misurare la quantità di carbonio presente nel suolo, ma anche di farlo con una risoluzione spaziale di pochi centimetri", ha affermato Wim Leemans, direttore dell'ATAP.
Ersaud ha affermato che, a differenza delle attuali tecnologie per l'analisi delle proprietà del suolo, questa tecnica può essere impiegata sul campo e può misurare i cambiamenti nello spazio e nel tempo senza disturbare il suolo. I metodi standard ora prevedono la perforazione di carote di terreno e l’esecuzione di analisi chimiche su di esse in laboratorio, il che non consente misurazioni ripetute dello stesso terreno e non è pratico su vaste aree.
Insieme al fisico dell'ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud lavorerà con Adelphi Technology Inc. per sviluppare il generatore di neutroni. Il sistema risultante potrebbe infine assumere la forma di uno strumento mobile in grado di effettuare misurazioni in situ nel campo di un agricoltore.
- Julie Chao, Università della California
Fonte: Università della California