Prototype bruger lys til at måle sammensætning, tæthed af undergrunde

På overfladen, det ligner et spyd i rustfrit stål, omkring 6 fod lang med en sølv-dollar diameter, der ender i et 30-graders punkt.

Men det punkt - hele pointen med det passende navngivne penetrometer - handler om at dykke ned under overfladen, hvor den kan skinne noget synligt og nær-infrarødt lys på de landbrugsmæssigt og miljømæssigt vitale egenskaber ved den undergrund, der ligger under muldjorden.

Ved at karakterisere den undergrund i farten og i marken, University of Nebraska–Lincoln ingeniører Yufeng Ge og Nuwan Wijewardane mener, at prototypen kunne dukke op som et tids- og omkostningsbesparende værktøj, der informerer om præcis kunstvanding og gødningspåføring. Og de forestiller sig, at det giver flere landmænd mulighed for at deltage i en spirende, klimavenlig markedsplads, der tilskynder landmænd til at opfange kulstof i deres jord.

Det potentiale stammer fra et simpelt princip:Alle stoffer, herunder det organiske stof og de mineraler, der findes i jorden, reflektere lys anderledes. Mere til sagen, hvert stof reflekterer forskellige bølgelængder af lys, herunder de synlige og nær-infrarøde områder af det elektromagnetiske spektrum.

Ved det, Ge, Wijewardane og deres kolleger indlejrede prototypen med et bredspektret halogenlys, der strømmer gennem en kvartsåbning, placerer den under et parabolsk spejl og et fiberoptisk kabel, der samler de bølgelængder, der vender tilbage.

En anden enhed, tilsluttet penetrometeret, måler derefter intensiteten på ca. 2, 100 forskellige bølgelængder på tværs af de synlige og nær-infrarøde spektre. Intensiteterne af visse bølgelængder i den spektrale signatur korrelerer med tilstedeværelsen af ​​visse stoffer og jordtyper. Kulstof- og nitrogenrigt organisk stof, for eksempel, bidrager til mørkere jorde, der reflekterer relativt få synlige bølgelængder. Jord med mindre organisk materiale eller masser af jern, derimod vil ofte afspejle gule eller røde farver.

Efter at være blevet hydraulisk dykket adskillige fod ned i en given plet jord, prototypen kan tage spektrale aflæsninger fra hvert 1-tommers tværsnit, der ligger mellem prototypens spids og jordens overflade. Den fem til otte minutters proces eliminerer behovet for at grave jordgrave eller udvinde jordkerner, som traditionelt sendes til laboratoriet for dyre analyser, der kan tage uger, men alligevel undersøger langt færre tværsnit.

Ge sagde, at prototypen også repræsenterer en forbedring i forhold til de fleste bærbare jordfølende teknologier, som typisk ikke tager aflæsninger mere end 6 tommer dybt.

"Det er ok, fordi den muldjord er den vigtigste, " sagde Ge, lektor i biologisk systemteknik. "Men hvis man ser på noget som majsproduktionssystemet, rødderne går dybt. For nogle ejendomme, som vandoptagelse eller næringsstofoptagelse af en afgrøde, jordoverfladen er bare en del af historien. Du vil virkelig overveje hele rodzonen."

Holdet, som omfatter Cristine Morgan fra Soil Health Institute, Jason Ackerson fra Purdue University og Sarah Hetrick fra Texas A&M University, var ikke tilfreds med kun at estimere sammensætningen af ​​undergrunden. Forskerne ville have deres prototype til at måle, hvor tæt pakket jorden er, også, som et middel til at skelne, hvor godt den jord kan holde på vand og dele det med afgrøder. Så de inkluderede en kraftmålende vejecelle nær prototypens spids, sammen med en ultralydssensor, der måler, hvor dybt prototypen har dykket, at vurdere jordens tæthed.

"Teksturen bestemmer virkelig vandholdende kapacitet, " sagde Ge. "Hvis du har for sandet jord, den bevæger sig bare meget hurtigt igennem rodzonen. Men hvis du har en for leret (lignende) jord, det kommer til at holde vandet meget tæt, og rødderne kan ikke helt udvinde det."

Med prototypen bygget, forskerne søgte at sammenligne dens spektrale signaturer med et bibliotek på omkring 20, 000 underskrifter, som det amerikanske landbrugsministerium indsamlede fra jordprøver i hele landet. Fordi USDA også rapporterede de faktiske koncentrationer af kulstof og visse mineraler i disse prøver, at sammenligne de nye signaturer med USDA's ville gøre det muligt for holdet bedre at kalibrere den model, det brugte til at estimere koncentrationer i sine egne prøver.

Der var, naturligt, kun et problem. USDA havde indsamlet sine spektrale signaturer efter at have tørret sine jordprøver i laboratoriet, hvilket betyder, at de ikke indeholdt noget af den fugt, som stort set alle feltprøver gør. Og i betragtning af at vand interagerer med lys, laboratorietørringen ændrede alvorligt disse signaturer.

Heldigvis, en eksisterende algoritme hjalp forskerne med at minimere den statistiske støj, der tromles op af vandet, at omdanne deres spektrale signaturer til en form, der mere tilnærmede USDA's. For at teste dens rettelser, holdet tog aflæsninger fra i alt 11 felter på tværs af Nebraska, Illinois, Iowa og South Dakota. Som forventet, holdet fandt, at prototypens estimater af kulstof- og nitrogenniveauer kom tættere på de faktiske niveauer efter at have anvendt algoritmen, end de gjorde før.

Vejledende lys

Mens han indrømmede, at prototypens nøjagtighed kunne blive bedre - og at han forventer det - sagde Ge, at selv den nuværende version kan hjælpe landmænd, der ønsker at bruge kunstvanding og gødning mere strategisk.

De fleste former for præcisionslandbrug, Ge sagde, involverer opdeling af en mark i et gitter og prøvetagning af jorden fra et vist antal af dens celler. De relative omkostninger ved laboratoriebaserede målinger kan begrænse dette antal, han sagde, at gøre overslag i marken af ​​undergrundens sammensætning til et tiltalende alternativ på en hypotetisk gård på 160 acres.

"Lad os sige, at du har ressourcerne til at gå ud og indsamle fem meget nøjagtige målinger, " sagde Ge. "Du tager gennemsnittet, og du får standardafvigelsen, og du tænker, 'Godt, det er middelværdien og variansen for prøven af ​​jord i den mark.'

"Jeg vil være uenig i den slags mentalitet, fordi jeg vil hævde (at) fem ikke er nok. Uanset hvor omhyggeligt du placerer disse fem placeringer, du kommer ikke til at fange hele visningen af ​​feltet. Mit argument ville være:Du skal virkelig gøre dette mange gange. Selvom dine målinger måske ikke er så nøjagtige som en laboratoriebaseret måling, du kan stadig få et rigtig godt skøn og potentielt være mere nyttig end det første scenarie."

Ge udtrykte lige så stor entusiasme for en mindre indlysende, men lovende anvendelse af prototypen - kulstofbinding - som i sidste ende kunne hjælpe landmændene med at diversificere deres indtægtsstrømme, mens de adresserer den førende årsag til global opvarmning. Verdens jord gemmer mere end tre gange den mængde kulstof, der i øjeblikket findes i atmosfæren, selvom atmosfærisk kuldioxid har nået niveauer, der ikke er set i de sidste 3 millioner år.

I 2019, en landbrugsteknologistartup ved navn Indigo Agriculture lancerede et initiativ, der tilbyder penge til landmænd, der engagerer sig i praksis - plantning af dækafgrøder, roterende afgrøder, begrænsning af jordbearbejdning - der tilskynder jord til at opfange og opbevare det kulstof, der er tilbage, når afgrødens rødder og blade begynder at rådne.

"Det er en ekstra indkomst for landbrugsøkonomien, " sagde Ge. "Jeg tror ikke, at vi har fundet ud af alt endnu, fordi du skal verificere, at du rent faktisk har opsamlet det kulstof på gården. Og derfor bliver måling virkelig vigtig."

Selvom holdet først skulle øge nøjagtigheden af ​​sin prototypes kulstofestimater, Ge sagde, at han ser designet som en omkostningseffektiv måde at hjælpe landmænd med at verificere succesen af ​​disse sekvestreringsbestræbelser.

"Jeg tror virkelig, at denne teknologi kan få fodfæste på det kulstofmarked, " sagde Ge, som citerede en vis indledende interesse fra General Mills. "Vi har talt om det her i lang tid. Jeg håber, at om nogle år, dette kan udvides til en meget større skala – til det punkt, at det giver ekstra indkomst til en gård – og folk kan indse vigtigheden af ​​at være i stand til at håndtere jorden på en måde, så den kan lagre dette kulstof."

I mellemtiden, Ge og Wijewardane undersøger, om det er muligt at formindske diameteren på deres 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, som ingeniører, live to address."