Op het oppervlak, het lijkt op een roestvrijstalen speer, ongeveer 6 voet lang met een diameter van een zilveren dollar die eindigt in een punt van 30 graden.

Maar dat punt - het hele punt van de toepasselijk genaamde penetrometer - gaat over het graven onder de oppervlakte, waar het wat zichtbaar en nabij-infrarood licht kan schijnen op de voor landbouw en milieu vitale eigenschappen van de ondergrond die onder de bovengrond ligt.

Door die ondergrond on the fly en in het veld te karakteriseren, Ingenieurs van de Universiteit van Nebraska-Lincoln, Yufeng Ge en Nuwan Wijewardane, geloven dat het prototype kan ontstaan ​​als een tijd- en kostenbesparend hulpmiddel voor nauwkeurige irrigatie en bemesting. En ze stellen zich voor dat meer boeren kunnen deelnemen aan een ontluikende, klimaatvriendelijke markt die boeren stimuleert om koolstof in hun bodem op te vangen.

Dat potentieel komt voort uit een eenvoudig principe:alle stoffen, inclusief de organische stof en mineralen die in de bodem aanwezig zijn, licht anders weerkaatsen. Beter gezegd, elke stof weerkaatst verschillende golflengten van licht, inclusief de zichtbare en nabij-infrarode gebieden van het elektromagnetische spectrum.

Wetende dat, jeetje, Wijewardane en hun collega's hebben het prototype ingebed met een breedspectrum halogeenlicht dat door een kwartsopening stroomt, genesteld onder een parabolische spiegel en glasvezelkabel die alle golflengten verzamelen die terugkaatsen.

Een ander apparaat, aangesloten op de penetrometer, meet vervolgens de intensiteit van ongeveer 2, 100 verschillende golflengten over de zichtbare en nabij-infraroodspectra. De intensiteiten van bepaalde golflengten in die spectrale signatuur correleren met de aanwezigheid van bepaalde stoffen en grondsoorten. Koolstof- en stikstofrijke organische stof, bijvoorbeeld, draagt ​​bij aan donkere bodems die relatief weinig zichtbare golflengten reflecteren. Bodems met minder organische stof of veel ijzer, daarentegen, zal vaak geel of rood weerspiegelen.

Nadat hij enkele meters hydraulisch in een bepaald stuk grond was gedompeld, het prototype kan spectrale metingen uitvoeren van elke 1-inch doorsnede die zich tussen de punt van het prototype en het grondoppervlak bevindt. Het proces van vijf tot acht minuten elimineert de noodzaak om grondputten te graven of grondkernen te extraheren, die traditioneel naar het laboratorium worden gestuurd voor kostbare analyses die weken kunnen duren en toch veel minder dwarsdoorsneden onderzoeken.

Ge zei dat het prototype ook een verbetering is ten opzichte van de meeste draagbare bodemdetectietechnologieën, die doorgaans niet meer dan 6 inch diep zijn.

"Dat is geen probleem, omdat die bovengrond de belangrijkste is, " zei Ge, universitair hoofddocent biologische systeemtechniek. "Maar als je kijkt naar zoiets als het maïsproductiesysteem, de wortels gaan diep. Voor sommige panden is zoals wateropname of opname van voedingsstoffen door een gewas, het oppervlakteniveau van de bodem is slechts een deel van het verhaal. Je wilt echt de hele wortelzone in ogenschouw nemen."

Het team, waaronder Cristine Morgan van het Soil Health Institute, Jason Ackerson van Purdue University en Sarah Hetrick van Texas A&M University, was niet tevreden met het schatten van alleen de samenstelling van de ondergrond. De onderzoekers wilden met hun prototype meten hoe dicht de grond opeengepakt is, te, als een middel om te onderscheiden hoe goed die grond water zou kunnen vasthouden en delen met gewassen. Dus ze hadden een krachtmeetcel bij de punt van het prototype, samen met een ultrasone sensor die meet hoe diep het prototype is gegraven, om de dichtheid van de bodem te schatten.

"De textuur bepaalt echt het waterhoudend vermogen, " zei Ge. "Als je te zanderige grond hebt, het beweegt zich gewoon heel snel door de wortelzone. Maar als je een te klei(achtige) grond hebt, het zal het water heel stevig vasthouden, en de wortels kunnen het niet volledig extraheren."

Met het prototype gebouwd, de onderzoekers probeerden de spectrale handtekeningen te vergelijken met een bibliotheek van ongeveer 20, 000 handtekeningen die het Amerikaanse ministerie van landbouw verzamelde uit bodemmonsters in het hele land. Omdat de USDA ook de werkelijke concentraties van koolstof en bepaalde mineralen in die monsters rapporteerde, door de nieuwe handtekeningen te vergelijken met die van de USDA, zou het team het model dat het gebruikte om de concentraties in zijn eigen monsters te schatten, beter kunnen kalibreren.

Er was, van nature, slechts één probleem. De USDA had zijn spectrale handtekeningen verzameld na het drogen van zijn grondmonsters in het laboratorium, wat betekent dat ze geen van het vocht bevatten dat vrijwel alle veldmonsters bevatten. En aangezien water in wisselwerking staat met licht, het drogen in het laboratorium heeft die handtekeningen ernstig veranderd.

Gelukkig, een bestaand algoritme hielp de onderzoekers de statistische ruis te minimaliseren die door het water wordt opgedronken, het transformeren van hun spectrale handtekeningen in een vorm die de USDA's meer benaderde. Om de correcties te testen, het team nam metingen van 11 totale velden in Nebraska, Illinois, Iowa en Zuid-Dakota. Zoals verwacht, het team ontdekte dat de schattingen van het prototype van koolstof- en stikstofniveaus dichter bij de werkelijke niveaus kwamen na toepassing van het algoritme dan voorheen.

Begeleidend licht

Hoewel hij toegeeft dat de nauwkeurigheid van het prototype zou kunnen verbeteren - en dat verwacht hij ook - zei Ge dat zelfs de huidige versie boeren zou kunnen helpen die irrigatie en kunstmest strategischer willen gebruiken.

De meeste vormen van precisielandbouw, Ge zei, omvatten het verdelen van een veld in een raster en het bemonsteren van de grond uit een bepaald aantal cellen. De relatieve kosten van laboratoriumgebaseerde metingen kunnen dat aantal beperken, hij zei, het maken van in-the-field schattingen van de samenstelling van de ondergrond een aantrekkelijk alternatief op een hypothetisch bedrijf van 160 acres.

"Laten we zeggen dat je de middelen hebt om uit te gaan en vijf zeer nauwkeurige metingen te verzamelen, " zei Ge. "Je neemt het gemiddelde, en je krijgt de standaarddeviatie, en jij denkt, 'We zullen, dat is het gemiddelde en de variantie voor het bodemmonster in dat veld.'

"Ik zou het niet eens zijn met dat soort mentaliteit, omdat ik zou beweren dat (dat) vijf niet genoeg is. Hoe zorgvuldig je die vijf locaties ook plaatst, je gaat niet het hele zicht op het veld vastleggen. Mijn argument zou zijn:je moet dit echt vaak doen. Ook al zijn uw metingen misschien niet zo nauwkeurig als een laboratoriummeting, je kunt nog steeds een heel goede schatting krijgen en mogelijk nuttiger zijn dan het eerste scenario."

Ge sprak net zo veel enthousiasme uit voor een minder voor de hand liggende maar veelbelovende toepassing van het prototype - koolstofvastlegging - die boeren uiteindelijk zou kunnen helpen hun inkomstenstromen te diversifiëren en tegelijkertijd de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde aan te pakken. De bodems van de wereld bevatten meer dan drie keer de hoeveelheid koolstof die momenteel in de atmosfeer aanwezig is, zelfs als atmosferische kooldioxide niveaus heeft bereikt die in de afgelopen 3 miljoen jaar ongezien zijn.

in 2019, een startup voor landbouwtechnologie genaamd Indigo Agriculture lanceerde een initiatief dat geld biedt aan boeren die zich bezighouden met praktijken - het planten van bodembedekkers, roterende gewassen, het beperken van grondbewerking - die de bodem aanmoedigt om de koolstof die overblijft op te vangen en op te slaan wanneer de wortels en bladeren van het gewas beginnen te rotten.

"Dat is extra inkomen voor de landbouweconomie, " zei Ge. "Ik denk niet dat we alles al hebben uitgevogeld, omdat je moet verifiëren dat je die koolstof daadwerkelijk hebt vastgelegd op de boerderij. En daarom wordt meten echt belangrijk."

Hoewel het team eerst de nauwkeurigheid van de koolstofschattingen van zijn prototype zou moeten verbeteren, Ge zei dat hij het ontwerp ziet als een kosteneffectieve manier om boeren te helpen het succes van die sekwestratie-inspanningen te verifiëren.

"Ik denk echt dat deze technologie voet aan de grond kan krijgen in die koolstofmarkt, " zei Ge, die enige aanvankelijke interesse van General Mills aanhaalde. "We praten hier al lang over. Ik hoop dat, in een paar jaar, this can expand to a much larger scale—to the point of providing additional income for a farm—and people can realize the importance of being able to manage soil in a way that it can store this carbon."

Ondertussen, Ge and Wijewardane are examining whether it's possible to shrink the diameter of their prototype, which could make it more feasible for users to ditch the hydraulics and manually plunge the penetrometer into subsoils.

At its current diameter, embedding the prototype into harder soils can require 300 to 400 pounds of force, Ge said. But in much the same way that focusing light to a smaller point increases its intensity, reducing the contact area between two surfaces will increase pressure even when the same force is applied.

"Further reducing that diameter means having an even smaller space to work with (for the instrumentation), " Ge said. "So we are facing a lot of engineering challenges, for sure. But challenges are what we, as engineers, live to address."