Aussi avancée que soit l’agriculture, il reste un besoin urgent de moyens non destructeurs pour « voir » le sol. Le ministère américain de l'Énergie Agence des projets de recherche avancée - Énergie (ARPA-E) a accordé 4.6 millions de dollars au Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) pour deux projets visant à combler cette lacune, en fournissant aux agriculteurs des informations importantes pour augmenter les rendements des cultures tout en favorisant le stockage du carbone dans le sol.
Un projet vise à utiliser le courant électrique pour imager le système racinaire, ce qui accélérera la sélection de cultures dont les racines sont adaptées à des conditions spécifiques (telles que la sécheresse). L'autre projet développera une nouvelle technique d'imagerie basée sur la diffusion des neutrons pour mesurer la répartition du carbone et d'autres éléments dans le sol.
Berkeley Lab a reçu ces prix compétitifs de l'ARPA-E Programme d'observation de la rhizosphère pour l'optimisation de la séquestration terrestre (ROOTS), qui vise à développer des cultures qui extraient le carbone de l’atmosphère et le stockent dans le sol – permettant une augmentation de 50 pour cent de la profondeur et de l’accumulation du carbone tout en réduisant les émissions d’oxyde d’azote de 50 pour cent et en augmentant la productivité de l’eau de 25 pour cent.
Les déficits de carbone des sols sont un phénomène mondial résultant de plusieurs décennies d’agriculture industrielle. Les sols ont la capacité de stocker des quantités importantes de carbone, réduisant ainsi les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone tout en améliorant leur fertilité et leur rétention d’eau.
Un EEG pour les plantes
Le développement de la technologie d'imagerie tomographique et électrique de la rhizosphère (TERI), qui a reçu 2.3 millions de dollars de l'ARPA-E, est dirigé par Yuxin Wu, géophysicien du Berkeley Lab, également dans la division des sciences du climat et des écosystèmes. "Vous pouvez y penser comme à l'imagerie cérébrale, ou EEG, où des électrodes attachées à votre tête peuvent enregistrer les schémas d'ondes cérébrales", a déclaré Wu. "La nouvelle technologie sera comme un EEG pour les plantes."
En envoyant un petit courant électrique dans la tige, qui se propagera ensuite à travers le système racinaire, TERI détectera la réponse électrique des racines et du sol et fournira des informations sur la masse racinaire, la surface, la profondeur et la répartition dans le sol, ainsi que des données sur la texture et la teneur en humidité du sol et sur la manière dont ces variables évoluent au fil du temps.
En revanche, l’approche courante pour étudier les propriétés des racines, connue sous le surnom de « Shovelomics », n’implique guère plus qu’une pelle et un seau d’eau avant l’analyse des racines en laboratoire. "C'est une méthode très laborieuse et à faible débit pour caractériser les racines", a déclaré Wu. « Et une fois que vous avez déterré la racine, vous avez terminé. Vous ne pouvez pas observer les changements au fil du temps.
Wu a commencé les premiers tests en laboratoire. Plus tard, il effectuera des essais sur le terrain avec des cultures de blé en collaboration avec La Fondation Samuel Roberts Noble. Basée à Ardmore, en Oklahoma, la Noble Foundation est le plus grand institut de recherche agricole indépendant des États-Unis, avec plus de 13,500 XNUMX acres de terres agricoles qui mènent des recherches pour permettre aux agriculteurs et aux éleveurs d'augmenter la productivité régionale et la gestion des terres.
Wu et son équipe s'associent également à Subsurface Insights, une petite entreprise spécialisée dans le développement de logiciels pour les applications géophysiques.
L'objectif du projet est de développer une technologie de phénotypage des racines de nouvelle génération intégrée à la modélisation des écosystèmes pour accélérer la sélection de cultivars axés sur les racines présentant certains caractères ; par exemple, une meilleure résilience climatique et une meilleure tolérance aux conditions de faibles niveaux d’eau et d’engrais. À terme, cet outil pourrait contribuer à augmenter les rendements tout en augmentant l’apport de carbone dans le sol.
Des neutrons aux rayons gamma en passant par la détection du carbone
Dans le deuxième projet, également doté de 2.3 millions de dollars, les physiciens du Berkeley Lab dirigés par Arun Persaud du Division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) construira un instrument pour analyser la chimie du sol, sans le perturber, au moyen de la diffusion inélastique des neutrons. "Le générateur enverra des neutrons dans le sol", a déclaré Persaud. « Chaque neutron peut réagir avec les atomes du sol et générer un rayon gamma, que nous pouvons détecter en surface avec un détecteur gamma. Ensuite, nous mesurons l’énergie du gamma, et à partir de là, vous pouvez déterminer de quel type d’atome il s’agit ; carbone, fer ou aluminium, par exemple.
Une technologie similaire est actuellement utilisée dans les applications de sécurité intérieure, telles que la détection d'explosifs et d'autres matériaux dans les marchandises, et constitue un domaine de recherche de longue date au Berkeley Lab.
"Cette technologie sera capable non seulement de mesurer la quantité de carbone présente dans le sol, mais également de le faire avec une résolution spatiale de quelques centimètres", a déclaré Wim Leemans, directeur de l'ATAP.
Ersaud a déclaré que contrairement aux technologies actuelles d'analyse des propriétés du sol, cette technique peut être utilisée sur le terrain et peut mesurer les changements dans l'espace et dans le temps sans perturber le sol. Les méthodes standard impliquent désormais de forer des carottes de sol et d’effectuer des analyses chimiques sur celles-ci en laboratoire, ce qui ne permet pas de mesurer de manière répétée le même sol et n’est pas pratique sur de grandes surfaces.
En collaboration avec Bernhard Ludewigt, physicien de l'ATAP, Persaud travaillera avec Adelphi Technology Inc. pour développer le générateur de neutrons. Le système résultant pourrait éventuellement prendre la forme d'un instrument mobile prenant des mesures in situ dans le champ d'un agriculteur.
- Julie Chao, Université de Californie
Source : Université de Californie