Bönderna har tillräckligt med bekymmer – mellan dåligt väder, stigande kostnader, och förändrade marknadskrav – utan att behöva stressa över deras verksamhets koldioxidavtryck. Men nu en ny uppsättning projekt av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), inklusive forskare vid Joint BioEnergy Institute (JBEI), skulle kunna göra jordbruket både mer hållbart och mer lönsamt.

De tre projekten, finansierat av det amerikanska energidepartementet (DOE), utnyttja Berkeley Labs styrkor inom artificiell intelligens, sensorer, och ekologisk biologi. De syftar till att kvantifiera och minska kolintensiteten i jordbruket, inklusive odling av biobränsleråvaror såsom majs, soja, och sorghum, samtidigt som man ökar avkastningen.

Grödbaserade biobränslen har potential att tillgodose upp till cirka 5 % av USA:s energibehov, enligt DOE. Två av de nya projekten ingår i SMARTFARM-programmet för DOE:s Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). Detta initiativ strävar efter att göra biobränsleförsörjningskedjan kolnegativ – vilket innebär att den tar bort eller binder mer kol än den släpper ut – vilket avsevärt skulle förbättra biobränslets fördelar för den bredare ekonomin och miljön. Forskarna hoppas också att den ökade produktiviteten kommer att ha effekten att sänka kostnaderna och öka jordbrukarnas inkomster.

"Hur kan vi få den här jorden att fungera för 7 miljarder människor?" sa Michael Schuppenhauer, som leder ett av projekten för en branschpartner, Arva Intelligence, en uppstart baserad i Park City, Utah. "Om vi ​​kan utveckla en väg för jordbrukare att få en bättre slutresultat och hjälpa miljön, det är där alla vinner."

Samlar in massiva mängder data

I det första projektet, forskare ledda av Blake Simmons, direktör för Berkeley Labs Biological &Systems Engineering (BSE) Division, arbeta med projektledare, Arva Intelligence, kommer att övervaka fem kommersiella gårdar i Kalifornien och Arkansas som odlar majs och grödor för halm. Gårdarna kommer att vara utrustade med toppmoderna sensorer för att bedöma gödselmedel, vatten, energianvändning, och grödor, medan övervakningstorn registrerade hos DOE:s AmeriFlux-nätverk kommer att mäta utsläpp av koldioxid, lustgas, och metan vid sekundupplösning.

Miljö- och utsläppseffekterna av biobränsleproduktion - en av de största konsumenterna av spannmålsgrödor i USA - är väl förstått, men utsläpp och möjligheter till förbättringar på fältnivå är fortfarande oklara. Arva/Berkeley Lab-teamet är en av fyra utvalda av ARPA-E för att etablera valideringsplatser för att "grunda sannings" -lösningar för övervakning av utsläpp, med en mängd olika grödor inkluderade i teamen.

Berkeley Lab -teamet överväger anaerob nedbrytning av grödorester, vilka är de delar av växterna som finns kvar på fältet efter att matgrödan har skördats, till biogas som en gångbar väg för jordbrukare. "Skörderester är faktiskt den största poolen av lättillgänglig hållbar biomassa som du effektivt kan omvandla till biobränslen och bioprodukter, "Sade Simmons. "Vi kan använda det som råvara. Så, du producerar mat och bränsle och fiber från samma område och maximerar kolomvandlingseffektiviteten per hektar. Det är anledningen till att i sista hand, vi tror att den här vägen har en mycket bättre eko- och kolbalans än andra vägar."

Som en del av projektet, Berkeley Labs forskare kommer att utföra atmosfärisk avkänning av växthusgaser, genomiska analyser för att karakterisera markmikrobiomet, och livscykelanalys för att bestämma förhållandet mellan koltillförsel och produktion. Fältexperimenten kommer att generera enorma mängder data. Arva kommer att använda data för att bygga matematiska modeller och förbättra precision jordbruksalgoritmer för att hjälpa gårdar att bli koldioxidneutrala eller till och med koldioxidnegativa.

"Slutprodukterna tittar inte bara på utsläpp av växthusgaser, "sa Schuppenhauer, projektets ledning för Arva, som också är en BSE -ansluten forskare. "Slutprodukterna kommer att vara saker som:Hur mycket gödselmedel behöver vi egentligen? Om vi ​​kan minska mängden gödselanvändning med en halv eller en fjärdedel, som har konsekvenser för användningen av fossila bränslen, som det används vid gödselproduktion. "