Verdas største kartlegging av jord med CT-skannar

Jorda si evne til å halde på og transportere vatn er viktig for økosystema på jordkloden og difor også for livskvaliteten vår. Verdas matvaretryggleik er såleis avhengig av dei hydrologiske eigenskapane i jorda fordi planter som vert brukt til mat og fiberproduksjon, treng spesifikke vassforhold for å vekse optimalt. Alle andre organismar i jorda, frå bakteriar til meitemark, har også sine krav til vasshushaldet. Vassforholda har dessutan innverknad på omsetjing og transport av karbon, nitrogen og andre substansar som finst i eller oppå jorda, på faren for flaum, erosjon, avrenning av næringsemne og anna forureining i tillegg til utslepp av klimagassar. 

Dei hydrologiske jordeigenskapane kan målast, men det er kostbart og tidkrevjande og også forbunde med uvisse. Tradisjonelt har ein rekna ut dei aktuelle parameterane utifrå andre parameterar som er enklare å måle. Diverre inneheld desse datakjeldene vanlegvis ikkje god nok informasjon om jordstrukturen, eller meir spesifikt om det komplekse, tredimensjonale poresystemet der vasstraumen gjeng. Den manglande sikkerheita ved bruk av desse metodane er difor stor. Men teknologisk utvikling og nyvinning har opna for at det i framtida kan samlast inn meir detaljerte og avanserte data, slik at ein kan få betre estimat for dei hydrologiske jordeigenskapane. 

No skal ei internasjonal forskargruppe med deltakarar frå Norsk institutt for bioøkonomi (NIBIO) og NMBU i Ås, SLU i Sverige og Rutgers University i USA samle inn slike data gjennom omfattande jordanalysar der blant anna CT-skanning skal nyttast for å talfeste jordstrukturen i eit stort utval av  jordprøvar. Dette er ein del av FRIPRO-prosjektet Soil Space, finansiert gjennom Forskingsrådet.

Nyttar matematisk modellering

- I dag etterspør samfunnet stadig oftare ei meir konkretisert talfesting av dei utfordringane vi står ovanfor. Viktige spørsmål omfattar mellom anna korleis klimaendringane vil påverke planteproduksjon og matforsyning i Noreg og korleis vi kan førebu oss på dei utfordringane dette vil gi, seier prosjektmedarbeidar Sigrun Kværnø frå NIBIO. 

- Eit anna viktig spørsmål gjeld korleis effektive tiltak kan etablerast for å imøtekome problema med forureining frå avrenning av næringsemne i vatn og vassdag. Både nasjonale og internasjonale avtalar og regelverk krev dokumentasjon både om tilstanden og om kva som vert gjort for å nå resultatmåla, påpeikar ho. 

Men det er ikkje kostnadseffektivt og ofte heller ikkje mogleg å utføre så omfattande målingar at ein kan finne svar i alle samanhengar og på alle område. Difor blir ofte matematisk modellering nytta som verkty til å berekne i staden for å gjere målingar. 

- Modellering av vasstraumen i jorda er ein viktig komponent i desse modellane. Korleis jordeigenskapane er representerte i modellen har stor innverknad på resultatet, seier forskaren.

Er CT-skanning framtida?

CT-skanning er ein teknologi som vanlegvis er brukt til diagnostisering av sjukdom hos menneske, men kan også brukast til å lage bilde av den tredimensjonale poregeometrien.

- CT-skanning kombinert med tradisjonelle måleteknikkar vil gjere det mykje enklare å forstå og ikkje minst talfeste samanhengen mellom jordstrukturen og dei hydrologiske eigenskapane, seier Attila Nemes, seniorforskar ved NIBIO, som er leiar for prosjektet. 

CT-skanning er ein undersøkingsmetode som brukar røntgenstrålar til å lage snittbilde. Men bilda er meir detaljerte enn med vanlege røntgen. Bilda blir behandla digitalt for å kunne framstille strukturar i ulike plan eller tredimensjonalt.

- Den tredimensjonale organiseringa av porer og sprekker har stor innverknad på kor mykje vatn som infiltrerer og blir lagra i jorda, og kor mykje vatn som renn av på yta og gjennom jorda til drensrør og grunnvatn. Denne teknologien gjev oss betre høve til å undersøke og forstå jordstrukturen, påpeikar Sigrun Kværnø. 

- Jordstruktur er ein eigenskap som varierer mykje både over tid og over små avstandar, og som dessutan blir sterkt påverka av menneskeleg aktivitet, til dømes ved køyring med maskiner, jordarbeiding og liknande. 

Teknikken har vore nytta før i einskilde jordundersøkingar rundt om i verda, men berre på relativt få jordprøvar. Resultata av dei einskilde studiane er heller ikkje heilt samanliknbare grunna ulike metodar for jordprøvetaking, bildeanalyse osv. 

Nemes fortel at dei i Soilspace-prosjektet planlegg å samle inn 200-250 prøvar for analyse med CT-teknologi  - 150 av desse prøvane vil bli tekne frå lokalitetar rundt om i heile landet, medan 50-100 vil bli tekne frå jord i nærområdet til NIBIO i Follo.

- Dei same jordprøvane som blir skanna, skal også gjennom eit måleopplegg med ei rekkje tradisjonelle teknikkar for å bestemme dei hydrologsike eigenskapane til jorda. Vi forventar at dette kan bli den hittil mest omfattande jordundersøkinga i sitt slag, seier han. 

Ifølgje seniorforskaren har ikkje CT-skannar vore brukt i stor grad innanfor jordforsking, men dette trur han vil endre seg i framtida.

- I dag er teknologien svært kostbar, men går vi 5-10 år fram i tid, vil prisen mest sannsynleg ha gått ned og skanninga vere lettare tilgjengeleg.

Er laboratoriemålingar «gyldige» i den verkelege verda?

Ei anna problemstilling er at måledata frå laboratoriet ofte ikkje er heilt representative for dei hydrologiske eigenskapane i feltet. Det kan dels kome av at målingar i laboratoriet er usikre, men og av at det kan vere andre prosessar som dominerer i storskalanalyser enn når undersøkinga er gjort i ein mindre skala. 

- Difor utfører vi eit omfattande felteksperiment der hensikta er å finne nye moglegheiter for å oppskalere laboratoriemålingar for å forklare korleis hydrologien oppfører seg i felt. I dette eksperimentet kombinerer vi data frå spesialbygde geofysiske sensorar, jordfuktsensorar ‘tensiometre’ og tradisjonell jordprøveinnsamling, etterfølgd av CT-skanning og laboratorieanalysar. Vi nyttar også avanserte dataanalyseverkty som til dømes kunstig intelligens og mønstergjenkjenning  for å korrelere mikroskala jordeigenskapar og makroskala hydrologisk ‘oppførsel’, fortel Nemes. 

Når prosjektet er ferdig, venter forskarane å ha ei samling av nye, innovative data og kunnskap til bruk i modellar, som kan gje svar på mange av jordutfordringane i samband med klimaendringar og forureining.