Semaju kemajuan pertanian, masih ada kebutuhan mendesak akan cara-cara tak merusak untuk “melihat” ke dalam tanah. Departemen Energi AS Badan Proyek Penelitian Lanjutan-Energi (ARPA-E) telah memberikan $4.6 juta kepada Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) untuk dua proyek guna mengatasi kesenjangan ini, memberikan informasi penting kepada para petani untuk meningkatkan hasil panen sekaligus mempromosikan penyimpanan karbon dalam tanah.
Salah satu proyek bertujuan untuk menggunakan arus listrik untuk mencitrakan sistem akar, yang akan mempercepat pemuliaan tanaman dengan akar yang disesuaikan dengan kondisi tertentu (seperti kekeringan). Proyek lainnya akan mengembangkan teknik pencitraan baru berdasarkan hamburan neutron untuk mengukur distribusi karbon dan elemen lain di dalam tanah.
Berkeley Lab menerima penghargaan kompetitif ini dari ARPA-E's Program Pengoptimalan Terrestrial Sequestration (ROOTS) Observasi Rhizosfer, yang berupaya mengembangkan tanaman yang mengeluarkan karbon dari atmosfer dan menyimpannya di dalam tanah – memungkinkan peningkatan 50 persen dalam kedalaman dan akumulasi deposisi karbon sekaligus mengurangi emisi nitro oksida sebesar 50 persen dan meningkatkan produktivitas air sebesar 25 persen.
Defisit karbon tanah adalah fenomena global yang dihasilkan dari beberapa dekade pertanian industri. Tanah memiliki kapasitas untuk menyimpan sejumlah besar karbon, mengurangi konsentrasi karbon dioksida di atmosfer sekaligus meningkatkan kesuburan tanah dan retensi air.
EEG untuk tanaman
Pengembangan teknologi Tomographic Electrical Rhizosphere Imaging (TERI), yang diberikan $2.3 juta oleh ARPA-E, dipimpin oleh ahli geofisika Berkeley Lab Yuxin Wu, juga di Divisi Ilmu Iklim & Ekosistem. “Anda dapat menganggapnya seperti pencitraan otak, atau EEG, di mana elektroda yang dipasang di kepala Anda dapat merekam pola gelombang otak,” kata Wu. “Teknologi baru ini akan seperti EEG untuk tanaman.”
Dengan mengirimkan arus listrik kecil ke dalam batang, yang kemudian akan mengalir ke seluruh sistem akar, TERI akan merasakan respons listrik dari akar dan tanah dan memberikan informasi tentang massa akar, luas permukaan, kedalaman, dan distribusi di dalam tanah, bersama-sama dengan data tentang tekstur tanah dan kadar air dan bagaimana variabel-variabel ini berubah dari waktu ke waktu.
Sebaliknya, pendekatan umum untuk mempelajari sifat akar, yang disebut "shovelomics", melibatkan tidak lebih dari sekop dan seember air sebelum analisis akar di laboratorium. “Ini adalah metode yang sangat padat karya dan throughput rendah untuk mengkarakterisasi akar,” kata Wu. “Dan begitu Anda menggali akarnya, Anda selesai. Anda tidak dapat melihat perubahan dari waktu ke waktu.”
Wu telah memulai pengujian awal di laboratorium. Nanti dia akan melakukan uji lapangan dengan tanaman gandum bekerjasama dengan Yayasan Mulia Samuel Roberts. Berbasis di Ardmore, Oklahoma, Noble Foundation adalah lembaga penelitian pertanian independen terbesar di AS dengan lebih dari 13,500 hektar lahan pertanian yang melakukan penelitian untuk memungkinkan petani dan peternak meningkatkan produktivitas regional dan pengelolaan lahan.
Wu dan timnya juga bermitra dengan Subsurface Insights, sebuah bisnis kecil yang berfokus pada pengembangan perangkat lunak untuk aplikasi geofisika.
Tujuan proyek ini adalah untuk mengembangkan teknologi fenotip akar generasi berikutnya yang terintegrasi dengan pemodelan ekosistem untuk mempercepat pemuliaan kultivar yang berfokus pada akar dengan sifat-sifat tertentu; misalnya, ketahanan iklim yang lebih baik dan toleransi yang lebih baik untuk kondisi air yang rendah dan pupuk yang rendah. Pada akhirnya, alat ini dapat membantu meningkatkan hasil sambil meningkatkan masukan karbon ke tanah.
Dari neutron hingga sinar gamma hingga deteksi karbon
Dalam proyek kedua, juga diberikan $2.3 juta, fisikawan Berkeley Lab yang dipimpin oleh Arun Persaud dari Divisi Teknologi Akselerator & Fisika Terapan (ATAP) akan membangun sebuah instrumen untuk menganalisis kimia tanah, tanpa mengganggunya, melalui hamburan neutron inelastis. “Generator akan mengirimkan neutron ke dalam tanah,” kata Persaud. “Setiap neutron dapat bereaksi dengan atom di dalam tanah dan menghasilkan sinar gamma, yang dapat kita deteksi di atas permukaan tanah dengan detektor gamma. Kemudian kami mengukur energi gamma, dan dari situ Anda dapat mengetahui jenis atomnya; karbon atau besi atau aluminium, misalnya.”
Teknologi serupa saat ini digunakan dalam aplikasi keamanan dalam negeri, seperti mendeteksi bahan peledak dan bahan lain dalam kargo, dan merupakan bidang penelitian lama di Berkeley Lab.
“Teknologi ini tidak hanya dapat mengukur berapa banyak karbon yang ada di dalam tanah tetapi juga dengan resolusi spasial beberapa sentimeter,” kata Wim Leemans, direktur ATAP.
ersaud mengatakan bahwa tidak seperti teknologi saat ini untuk menganalisis sifat tanah, teknik ini dapat digunakan di lapangan dan dapat mengukur perubahan ruang dan waktu tanpa mengganggu tanah. Metode standar sekarang melibatkan pengeboran inti tanah dan melakukan analisis kimia di laboratorium, yang tidak memungkinkan pengukuran berulang pada tanah yang sama dan tidak praktis di area yang luas.
Bersama dengan fisikawan ATAP Bernhard Ludewigt, Persaud akan bekerja sama dengan Adelphi Technology Inc. untuk mengembangkan generator neutron. Sistem yang dihasilkan pada akhirnya dapat berbentuk instrumen bergerak yang melakukan pengukuran in situ di lahan petani.
- Juli Chao, Universitas California
Sumber: Universitas California