Boeren hebben al genoeg zorgen - tussen slecht weer, stijgende kosten, en veranderende markteisen, zonder de nadruk te hoeven leggen op de CO2-voetafdruk van hun activiteiten. Maar nu een nieuwe reeks projecten van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), waaronder wetenschappers van het Joint BioEnergy Institute (JBEI), zou de landbouw zowel duurzamer als winstgevender kunnen maken.

De drie projecten, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), gebruik maken van de sterke punten van Berkeley Lab op het gebied van kunstmatige intelligentie, sensoren, en ecologische biologie. Ze hebben tot doel de koolstofintensiteit van de landbouw te kwantificeren en te verminderen, met inbegrip van de landbouw van grondstoffen voor biobrandstoffen zoals maïs, soja, en sorgho, terwijl ook de opbrengst toeneemt.

Biobrandstoffen op basis van gewassen hebben het potentieel om tot ongeveer 5% van de Amerikaanse energievraag te voorzien, volgens de DOE. Twee van de nieuwe projecten maken deel uit van het SMARTFARM-programma van DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). Dit initiatief streeft ernaar de toeleveringsketen van biobrandstoffen CO2-negatief te maken - wat inhoudt dat het meer koolstof verwijdert of vastlegt dan het uitstoot - wat de voordelen van biobrandstof voor de bredere economie en het milieu aanzienlijk zou verbeteren. Wetenschappers hopen ook dat de verhoogde productiviteit zal leiden tot lagere kosten en een hoger inkomen van de boeren.

"Hoe kunnen we deze aarde laten werken voor 7 miljard mensen?" zei Michael Schuppenhauer, die een van de projecten leidt voor een industriepartner, Arva Intelligentie, een startup gevestigd in Park City, Utah. "Als we een weg kunnen ontwikkelen voor boeren om een ​​beter resultaat te behalen en het milieu te helpen, daar wint iedereen."

Grote hoeveelheden gegevens verzamelen

Bij het eerste project onderzoekers onder leiding van Blake Simmons, directeur van de Biological &Systems Engineering (BSE) Division van Berkeley Lab, werken met projectleider, Arva Intelligentie, zal toezicht houden op vijf commerciële boerderijen in Californië en Arkansas die maïs en gewassen voor stro verbouwen. De boerderijen zullen worden uitgerust met ultramoderne sensoren om kunstmest te beoordelen, water, energieverbruik, en gewasopbrengst, terwijl meettorens die zijn geregistreerd bij het AmeriFlux-netwerk van DOE de uitstoot van kooldioxide meten, lachgas, en methaan met een resolutie van minder dan een seconde.

De milieu- en emissie-effecten van de productie van biobrandstoffen - een van de grootste consumenten van graangewassen in de VS - zijn goed begrepen, maar emissies en mogelijkheden voor verbeteringen op veldniveau blijven onduidelijk. Het Arva/Berkeley Lab-team is een van de vier die door ARPA-E zijn geselecteerd om validatiesites op te zetten voor 'ground truth'-oplossingen voor emissiemonitoring, met een verscheidenheid aan gewassoorten in de teams.

Het Berkeley Lab-team overweegt anaerobe vergisting van gewasresten, wat zijn de delen van de planten die op het veld achterblijven nadat het voedselgewas is geoogst, naar biogas als een levensvatbare route voor boeren. "Gewasresten zijn eigenlijk de grootste voorraad direct beschikbare duurzame biomassa die je efficiënt kunt omzetten in biobrandstoffen en bioproducten, "Zei Simmons. "We kunnen dat als grondstof gebruiken. Dus, u produceert voedsel en brandstof en vezels uit hetzelfde veld en maximaliseert de koolstofconversie-efficiëntie per hectare. Dat is de reden waarom, uiteindelijk, we geloven dat deze route een veel betere eco- en koolstofbalans heeft dan andere routes."

Als onderdeel van het project, Berkeley Lab-wetenschappers zullen atmosferische detectie van broeikasgassen uitvoeren, genomische analyses om het bodemmicrobioom te karakteriseren, en levenscyclusanalyse om de verhouding tussen koolstofinput en -output te bepalen. De veldexperimenten zullen enorme hoeveelheden data opleveren. Arva zal de gegevens gebruiken om wiskundige modellen te bouwen en algoritmen voor precisielandbouw te verbeteren om landbouwbedrijven te helpen CO2-neutraal of zelfs CO2-negatief te worden.

"De eindproducten kijken niet alleen naar de uitstoot van broeikasgassen, zei Schuppenhauer, de projectleider voor Arva, die ook een BSE-filiaalwetenschapper is. "De eindproducten zijn zaken als:Hoeveel kunstmest hebben we echt nodig? Als we het gebruik van kunstmest met de helft of een kwart kunnen verminderen, dat gevolgen heeft voor het gebruik van fossiele brandstoffen, zoals het wordt gebruikt bij de productie van kunstmest."