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原型使用光来衡量底土的成分和密度

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在表面上,它类似于不锈钢长矛,长约6英尺,直径为银美元,终止于30度。

但是,这一点-恰当地命名为渗渗仪的整个点-都是在地表以下进行钻探,在那里它可以对表土下面的土壤的农业和环境至关重要的特性发出一些可见的近红外光。

内布拉斯加州大学林肯分校的工程师Yufeng Ge和Nuwan Wijewardane通过对地下土壤进行实时表征,相信该原型可以成为一种节省时间和成本的工具,为精确的灌溉和肥料施用提供信息。他们预想它将使更多的农民参与到一个新兴的,对气候友好的市场中,从而激励农民在其土壤中捕获碳。

这种潜力源于一个简单的原理:所有物质,包括土壤中存在的有机物和矿物质,对光的反射都不同。更重要的是,每种物质都会反射不同波长的光,包括电磁波谱的可见光和近红外区。

知道了这一点,Ge,Wijewardane及其同事将原型嵌入了一个宽光谱的卤素灯中,该卤素灯穿过石英孔径,然后将其嵌套在抛物面反射镜和收集任何波长反弹的光缆下方。

连接到渗透仪的另一个设备然后测量可见光谱和近红外光谱中大约2,100个不同波长的强度。该光谱特征中某些波长的强度与某些物质和土壤类型的存在相关。例如,富含碳和氮的有机物会导致较暗的土壤反射相对较少的可见波长。相比之下,有机质较少或铁含量较高的土壤通常会反射出黄色或红色。

在将水力压入给定的土壤中几英尺后,原型可以从位于原型尖端与土壤表面之间的每1英寸横截面中获取光谱读数。只需五到八分钟的过程,就无需挖掘土壤坑或提取土壤核心,而传统上,这需要将其发送到实验室进行昂贵的分析,而分析可能需要数周的时间,而对横截面的检查却要少得多。

葛说,原型机也代表了对大多数便携式土壤传感技术的改进,该技术通常读取的深度不超过6英寸。

生物系统工程副教授葛说:“没关系,因为表土是最重要的。” “但是,如果您看玉米生产系统之类的东西,其根部就会深深。对于某些特性,例如农作物对水分的吸收或对养分的吸收,土壤表层只是其中的一部分。您真的想考虑整个根区域。”

包括土壤健康研究所的Cristine Morgan,普渡大学的Jason Ackerson和德克萨斯AM大学的Sarah Hetrick在内的团队对仅估算地下土壤的成分并不满意。研究人员希望他们的原型也能测量土壤的紧实度,以此来识别土壤保水和与农作物共享的程度。因此,他们在原型的尖端附近安装了一个测力称重传感器,以及一个超声波传感器,该传感器测量原型的挖掘深度,以估算土壤的密度。

葛说:“质地确实决定了保水能力。” “如果土壤太沙质,它会很快穿过根部区域。但是如果土壤太黏土(如泥土),它将非常紧紧地握住水,并且根部无法完全提取水分。”

建立了原型后,研究人员试图将其光谱特征与美国农业部从全国土壤样品中收集的大约20,000个特征库进行比较。由于USDA还报告了这些样品中碳和某些矿物质的实际浓度,因此将新特征与USDA进行比较可以使团队更好地校准用于估计其自身样品中浓度的模型。

自然,只有一个问题。在实验室干燥土壤样品后,USDA已收集了其光谱特征,这意味着它们几乎不包含所有田间样品所具有的水分。考虑到水与光的相互作用,实验室干燥严重改变了这些特征。

幸运的是,现有的算法可以帮助研究人员最大程度地减少被水鼓起的统计噪声,将他们的光谱特征转化为更接近USDA的形式。为了测试其更正,该团队从内布拉斯加州,伊利诺伊州,爱荷华州和南达科他州的11个领域获取了读数。正如预期的那样,研究小组发现,使用该算法后,原型的碳和氮含量估算值比以前更加接近实际水平。

团队原型产??生的光谱特征读数,该光谱特征收集了从土壤反射回来的可见和近红外波长。图片来源:Greg Nathan | 大学交流

指路明灯

尽管他承认该原型的精度可以提高,而且他希望它能提高,但他说,即使是当前版本,也可以帮助希望更策略性地使用灌溉和肥料的农民。

葛说,大多数形式的精确农业都涉及将一块田地分成网格,并从一定数量的细胞中取样土壤。他说,基于实验室的测量的相对费用可能会限制该数量,因此,在一个假设的160英亩农场中,对地下土壤成分的现场估算是一个吸引人的选择。

“可以说,您有足够的资源去收集五个非常准确的测量值,”葛说。“取平均值,就得到了标准偏差,然后你会认为,'好吧,那是该领域土壤样品的均值和方差。'

“我不同意这种心态,因为我认为(五个)是不够的。无论您多么小心地放置这五个位置,都无法捕捉到整个领域的景象。我的论点是是:您确实必须做很多次。即使您的测量结果可能不如基于实验室的测量结果准确,但您仍然可以获得非常好的估计,并且可能比第一种情况有用。”

Ge表示了同样的热情,即该原型的应用不太明显但很有希望,即碳封存,最终可以帮助农民分散收入来源,同时解决全球变暖的主要原因。即使在过去三百万年中,大气中的二氧化碳达到了前所未有的水平,世界上的土壤所藏碳量仍是目前大气中碳的三倍以上。

2019年,一家名为Indigo Agriculture的农业技术初创公司发起了一项计划,旨在向从事种植(覆盖作物,轮作作物,限制耕种)实践的农民提供资金,这些行为鼓励土壤捕获和储存作物根部和叶片开始时残留的碳。腐烂。

葛说:“这是农业经济的额外收入。” “我认为我们还没有弄清楚所有事情,因为您必须验证您是否确实在农场中隔离了碳。这就是为什么测量变得非常重要的原因。”

尽管该团队首先需要提高其原型碳估算的准确性,但Ge表示,他认为该设计是帮助农民验证这些封存工作是否成功的一种经济有效的方式。

通用电气提出了一些最初的兴趣,他说:“我真的认为这项技术可以在那个碳市场上立足。” “我们已经讨论了很长时间。我希望在几年内,它可以扩展到更大的规模—达到为农场提供更多收入的目的—人们可以意识到能够以能够储存碳的方式来管理土壤。”

同时,Ge和Wijewardane正在研究是否可以缩小其原型的直径,这将使用户更容易放弃水力学,并手动将渗透计插入地下。

葛说,在目前的直径下,将原型嵌入到较硬的土壤中可能需要300到400磅的力。但是,以几乎相同的方式将光聚焦到较小的点会增加其强度,即使施加相同的力,减小两个表面之间的接触面积也会增加压力。

戈说:“进一步减小直径意味着(用于仪器的)工作空间更小。” “因此,我们肯定会面临许多工程挑战。但是,这些挑战是我们作为工程师必须面对的挑战。”

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