À la surface, il ressemble à une lance en acier inoxydable, environ 6 pieds de long avec un diamètre en argent qui se termine par un point de 30 degrés.

Mais ce point - le point entier du pénétromètre qui porte bien son nom - consiste à creuser sous la surface, où il peut éclairer une lumière visible et proche infrarouge sur les propriétés vitales pour l'agriculture et l'environnement du sous-sol se trouvant sous la couche arable.

En caractérisant ce sous-sol à la volée et sur le terrain, Les ingénieurs de l'Université du Nebraska à Lincoln, Yufeng Ge et Nuwan Wijewardane, pensent que le prototype pourrait devenir un outil permettant de gagner du temps et de l'argent et d'informer avec précision sur l'irrigation et l'application d'engrais. Et ils envisagent de permettre à plus d'agriculteurs de participer à un marché respectueux du climat qui incite les agriculteurs à capturer le carbone dans leurs sols.

Ce potentiel découle d'un principe simple :toutes les substances, y compris la matière organique et les minéraux présents dans le sol, refléter la lumière différemment. Plus précisément, chaque substance reflète différentes longueurs d'onde de lumière, y compris les régions visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique.

Sachant que, Hé, Wijewardane et leurs collègues ont intégré le prototype avec une lumière halogène à large spectre qui se déverse à travers une ouverture en quartz, niché sous un miroir parabolique et un câble à fibre optique qui collectent toutes les longueurs d'onde qui rebondissent.

Un autre appareil, connecté au pénétromètre, mesure alors l'intensité d'environ 2, 100 longueurs d'onde différentes dans les spectres visible et proche infrarouge. Les intensités de certaines longueurs d'onde dans cette signature spectrale sont en corrélation avec la présence de certaines substances et types de sols. Matière organique riche en carbone et en azote, par exemple, contribue à des sols plus sombres qui reflètent relativement peu de longueurs d'onde visibles. Sols avec moins de matière organique ou beaucoup de fer, par contre, reflétera souvent des jaunes ou des rouges.

Après avoir été plongé hydrauliquement sur plusieurs pieds dans une parcelle de sol donnée, le prototype peut prendre des lectures spectrales de chaque section transversale de 1 pouce qui réside entre la pointe du prototype et la surface du sol. Le processus de cinq à huit minutes élimine le besoin de creuser des fosses ou d'extraire des carottes de sol, qui sont traditionnellement envoyés au laboratoire pour des analyses coûteuses qui peuvent prendre des semaines tout en examinant beaucoup moins de coupes transversales.

Ge a déclaré que le prototype représente également une amélioration par rapport à la plupart des technologies portables de détection du sol, qui prennent généralement des lectures ne dépassant pas 6 pouces de profondeur.

"C'est bon, parce que cette couche arable est la plus importante, " dit Gé, professeur agrégé de génie des systèmes biologiques. "Mais si vous regardez quelque chose comme le système de production de maïs, les racines sont profondes. Pour certaines propriétés, comme l'absorption d'eau ou l'absorption de nutriments par une culture, le niveau de surface du sol n'est qu'une partie de l'histoire. Vous voulez vraiment considérer toute la zone racine."

L'équipe, qui comprend Cristine Morgan du Soil Health Institute, Jason Ackerson de l'Université Purdue et Sarah Hetrick de l'Université Texas A&M, ne se contentait pas d'estimer uniquement la composition du sous-sol. Les chercheurs voulaient que leur prototype mesure à quel point le sol est compacté, trop, comme moyen de discerner dans quelle mesure ce sol peut retenir l'eau et la partager avec les cultures. Ils ont donc inclus une cellule de charge de mesure de force près de la pointe du prototype, avec un capteur à ultrasons qui mesure la profondeur de fouille du prototype, pour estimer la densité du sol.

"La texture détermine vraiment la capacité de rétention d'eau, " dit Ge. " Si vous avez un sol trop sablonneux, il se déplace juste à travers la zone racinaire très rapidement. Mais si vous avez un sol trop argileux, il va retenir l'eau très étroitement, et les racines ne peuvent pas l'extraire complètement."

Une fois le prototype construit, les chercheurs ont cherché à comparer ses signatures spectrales avec une bibliothèque d'environ 20, 000 signatures que le département américain de l'Agriculture a recueillies à partir d'échantillons de sol dans tout le pays. Étant donné que l'USDA a également signalé les concentrations réelles de carbone et de certains minéraux dans ces échantillons, comparer les nouvelles signatures à celles de l'USDA permettrait à l'équipe de mieux calibrer le modèle qu'elle utilisait pour estimer les concentrations dans ses propres échantillons.

Il y avait, naturellement, juste un problème. L'USDA avait collecté ses signatures spectrales après avoir séché ses échantillons de sol en laboratoire, ce qui signifie qu'ils ne contenaient pas l'humidité que pratiquement tous les échantillons de terrain contiennent. Et étant donné que l'eau interagit avec la lumière, le séchage en laboratoire a sérieusement altéré ces signatures.

Heureusement, un algorithme existant a aidé les chercheurs à minimiser le bruit statistique généré par l'eau, transformer leurs signatures spectrales en une forme plus proche de celle de l'USDA. Pour tester ses corrections, l'équipe a pris des lectures de 11 champs au total à travers le Nebraska, Illinois, Iowa et Dakota du Sud. Comme prévu, l'équipe a découvert que les estimations des niveaux de carbone et d'azote du prototype étaient plus proches des niveaux réels après l'application de l'algorithme qu'auparavant.

Lumière guidante

Tout en concédant que la précision du prototype pourrait s'améliorer - et qu'il s'y attend - Ge a déclaré que même la version actuelle pourrait aider les agriculteurs qui cherchent à utiliser l'irrigation et les engrais de manière plus stratégique.

La plupart des formes d'agriculture de précision, Ge a dit, impliquent de diviser un champ en grille et d'échantillonner le sol d'un certain nombre de ses cellules. Le coût relatif des mesures en laboratoire pourrait limiter ce nombre, il a dit, faire des estimations sur le terrain de la composition du sous-sol une alternative attrayante sur une ferme hypothétique de 160 acres.

"Disons que vous avez les ressources pour sortir et collecter cinq mesures très précises, " dit Ge. " Vous prenez la moyenne, et vous obtenez l'écart type, et vous pensez, 'Bien, c'est la moyenne et la variance pour l'échantillon de sols dans ce champ.'

"Je ne suis pas d'accord avec ce genre de mentalité, parce que je dirais (que) cinq ne suffisent pas. Peu importe avec quel soin vous placez ces cinq emplacements, vous n'allez pas capturer la vue entière du champ. Mon argument serait :vous devez vraiment le faire plusieurs fois. Même si vos mesures peuvent ne pas être aussi précises qu'une mesure en laboratoire, vous pouvez toujours obtenir une très bonne estimation et être potentiellement plus utile que le premier scénario."

Ge a exprimé tout autant d'enthousiasme pour une application moins évidente mais prometteuse du prototype - la séquestration du carbone - qui pourrait à terme aider les agriculteurs à diversifier leurs sources de revenus tout en s'attaquant à la principale cause du réchauffement climatique. Les sols du monde cachent plus de trois fois la quantité de carbone qui réside actuellement dans l'atmosphère, alors même que le dioxyde de carbone atmosphérique a atteint des niveaux jamais vus au cours des 3 derniers millions d'années.

En 2019, une startup de technologie agricole nommée Indigo Agriculture a lancé une initiative qui offre de l'argent aux agriculteurs qui s'engagent dans des pratiques - plantation de cultures de couverture, rotation des cultures, limitant le travail du sol – qui encouragent les sols à capturer et à stocker le carbone restant lorsque les racines et les feuilles des cultures commencent à se décomposer.

"C'est un revenu supplémentaire pour l'économie agricole, " dit Ge. " Je ne pense pas que nous ayons encore tout compris, parce que vous devez vérifier que vous avez effectivement séquestré ce carbone à la ferme. Et c'est pourquoi la mesure devient vraiment importante."

Bien que l'équipe ait d'abord besoin d'augmenter la précision des estimations de carbone de son prototype, Ge a déclaré qu'il considérait la conception comme un moyen rentable d'aider les agriculteurs à vérifier le succès de ces efforts de séquestration.

"Je pense vraiment que cette technologie peut prendre pied sur ce marché du carbone, " dit Gé, qui a cité un certain intérêt initial de General Mills. "Nous en parlons depuis longtemps. J'espère que, dans quelques années, 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."

En attendant, 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, avec certitude. But challenges are what we, as engineers, live to address."