يمكن أن تساعد علوم الكمبيوتر المزارعين على استكشاف المحاصيل البديلة وطرق الزراعة المستدامة

لقد أعاد البشر تشكيلهم جسديًا نصف أراضي العالم لزراعة ثمانية محاصيل أساسية فقط:الذرة (الذرة)، وفول الصويا، والقمح، والأرز، والكسافا، والذرة الرفيعة، والبطاطا الحلوة والبطاطس.فهي تمثل الغالبية العظمى من السعرات الحرارية التي يستهلكها الناس في جميع أنحاء العالم.مع ارتفاع عدد سكان العالم، هناك ضغوط من أجل ذلك توسيع الإنتاج إلى أبعد من ذلك.

ويرى العديد من الخبراء أن مواصلة التوسع في الزراعة الصناعية الحديثة - التي تعتمد بشكل كبير على الأسمدة الاصطناعية والمبيدات الحشرية الكيماوية والبذور عالية الإنتاجية - ليست الطريقة الصحيحة ل إطعام عدد متزايد من سكان العالم.في نظرهم هذا النهج ليست مستدامة بيئيا أو اقتصاديا, والمزارعين والعلماء على حد سواء يشعر المحاصرين داخل هذا النظام.

كيف يمكن للمجتمعات تطوير نظام غذائي يلبي احتياجاتها ويكون أيضًا أكثر صحة وتنوعًا؟لقد ثبت أنه من الصعب توسيع نطاق الأساليب البديلة، مثل الزراعة العضوية، على نطاق واسع مثل الزراعة الصناعية.

في دراسة حديثة، نظرنا في هذه المشكلة من وجهة نظرنا باعتبارها عالم الكمبيوتر و أ عالم المحاصيل.نحن وزملائنا بريان رانك, آدم ستريد, ديان ر.وانغ و باتريك م.يوينج اقترح طريقة لإعادة التفكير كيفية تصميم النظم الزراعية وتنفيذها, باستخدام فكرة مركزية من علوم الكمبيوتر - التجريد - التي تلخص البيانات والمفاهيم وتنظمها حسابيًا، حتى نتمكن من تحليلها والتصرف بناءً عليها دون الحاجة إلى فحص تفاصيلها الداخلية باستمرار.

مخرجات كبيرة وتأثيرات كبيرة

لقد تكثفت الزراعة الحديثة على مدى بضعة عقود فقط في منتصف القرن العشرين ــ غمضة عين في تاريخ البشرية. التحسينات التكنولوجية قاد الطريق، بما في ذلك تطوير الأسمدة الاصطناعية والأساليب الإحصائية التي حسنت تربية النباتات.

وقد مكنت هذه التطورات المزارع من إنتاج كميات أكبر من الغذاء، ولكن على حساب البيئة.الزراعة على نطاق واسع لديها ساعدت في دفع تغير المناخ, والبحيرات والخلجان الملوثة جريان المغذيات و تسارع فقدان الأنواع من خلال تحويل المناظر الطبيعية إلى حقول محاصيل أحادية الزراعة.

العديد من الولايات المتحدةيرغب المزارعون والباحثون الزراعيون في زراعة مجموعة واسعة من المحاصيل واستخدام أساليب زراعية أكثر استدامة.ولكن من الصعب عليهم معرفة الأنظمة الجديدة التي يمكن أن تؤدي أداءً جيدًا، خاصة في ظل المناخ المتغير.غالبًا ما تتطلب أنظمة الزراعة ذات التأثير المنخفض معرفة محلية عميقة، بالإضافة إلى فهم موسوعي للنباتات ونمذجة الطقس والمناخ والجيولوجيا والمزيد.

وهنا يأتي دور نهجنا الجديد.

المزارع كمساحات للدولة

عندما يفكر علماء الكمبيوتر في المشكلات المعقدة، فإنهم غالبًا ما يستخدمون مفهومًا يسمى أ مساحة الدولة.يمثل هذا النهج رياضيًا جميع الطرق الممكنة التي يمكن من خلالها تكوين النظام.يستلزم التحرك عبر الفضاء اتخاذ خيارات، وهذه الاختيارات تغير حالة النظام، للأفضل أو للأسوأ.

على سبيل المثال، فكر في لعبة الشطرنج مع لوحة واثنين من اللاعبين.كل تكوين للوحة في لحظة زمنية ما هو حالة واحدة من اللعبة.عندما يقوم اللاعب بالتحرك، فإنه ينقل اللعبة إلى حالة أخرى.

يمكن وصف اللعبة بأكملها من خلال "مساحة الحالة" الخاصة بها - جميع الحالات المحتملة التي يمكن أن تصل إليها اللعبة من خلال الحركات الصحيحة التي يقوم بها اللاعبون.أثناء اللعبة، يبحث كل لاعب عن الحالات الأفضل بالنسبة له.

يمكننا أن نفكر في النظام الزراعي باعتباره مساحة الدولة في نظام بيئي معين.تمثل المزرعة وتخطيطها لأنواع النباتات في أي لحظة من الزمن ولاية واحدة في مساحة تلك الولاية.يبحث المزارع عن حالات أفضل ويحاول تجنب الحالات السيئة.

ينقل كل من البشر والطبيعة المزرعة من دولة إلى أخرى.في أي يوم، قد يقوم المزارع بعشرات الأشياء المختلفة في الأرض، مثل الحراثة أو الزراعة أو إزالة الأعشاب الضارة أو الحصاد أو إضافة الأسمدة.تتسبب الطبيعة في تحولات طفيفة في الحالة، مثل نمو النباتات وتساقط الأمطار، وتحولات أكثر دراماتيكية في الحالة أثناء الكوارث الطبيعية مثل الفيضانات أو حرائق الغابات.

إيجاد أوجه التآزر

إن النظر إلى النظام الزراعي باعتباره مساحة تابعة للدولة يجعل من الممكن توسيع الخيارات أمام المزارعين بما يتجاوز الخيارات المحدودة التي توفرها أنظمة الزراعة اليوم.

ليس لدى المزارعين الأفراد الوقت أو القدرة على إجراء التجربة والخطأ لسنوات على أراضيهم.ولكن يمكن لنظام الحوسبة أن يعتمد على المعرفة الزراعية من العديد من البيئات والمدارس الفكرية المختلفة للعب لعبة شطرنج مجازية مع الطبيعة تساعد المزارعين على تحديد أفضل الخيارات لأراضيهم.

وتحد الزراعة التقليدية من المزارعين أمام عدد قليل من الخيارات لأنواع النباتات وطرق الزراعة والمدخلات.يتيح إطار عملنا إمكانية النظر في استراتيجيات عالية المستوى، مثل زراعة محاصيل متعددة معًا أو العثور على تقنيات الإدارة الأكثر ملاءمة لقطعة معينة من الأرض.يمكن للمستخدمين البحث في مساحة الولاية للنظر في مزيج الأساليب والأنواع والمواقع التي يمكن أن تحقق هذه الأهداف.

على سبيل المثال، إذا أراد أحد العلماء اختبار خمس دورات محاصيل - رفع التسلسل المخطط للمحاصيل في نفس الحقول - والتي تستغرق كل منها أربع سنوات، وزراعة سبعة أنواع من النباتات، فإن ذلك يمثل 721 دورة محتملة.نهجنا يمكن أن يستخدم المعلومات من البحوث البيئية طويلة الأجل للمساعدة في العثور على أفضل الأنظمة المحتملة للاختبار.

أحد المجالات التي نرى فيها إمكانات كبيرة هو زراعة المحاصيل - زراعة نباتات مختلفة في خليط أو متقاربة.من المعروف منذ زمن طويل أن العديد من مجموعات النباتات المحددة تنمو معًا بشكل جيد، حيث يساعد كل نبات الآخرين بطريقة ما.

المثال الأكثر شهرة هو "الأخوات الثلاث" - الذرة والقرع والفاصوليا - التي طورتها المزارعون الأصليون في الأمريكتين.تعمل سيقان الذرة كتعريشات لتسلق كروم الفاصوليا، بينما تقوم أوراق القرع بتظليل الأرض، مما يبقيها رطبة ويمنع نمو الأعشاب الضارة.توفر البكتيريا الموجودة على جذور نباتات الفاصوليا النيتروجين، وهو عنصر غذائي أساسي، لجميع النباتات الثلاثة.

كان للثقافات عبر تاريخ البشرية أنظمة زراعة متداخلة مفضلة خاصة بها مع أوجه تآزر مماثلة، مثل الكركم والمانجو أو الدخن واللوبيا والزيزفوس، المعروف باسم التمر الأحمر.والعمل الجديد عليه زراعية يظهر أن الجمع بين الألواح الشمسية والزراعة يمكن أن يعمل بشكل جيد بشكل مدهش:وتظل الألواح جزئيًا المحاصيل التي تنمو تحتها، ويكسب المزارعون دخلاً إضافيًا عن طريق إنتاج الطاقة المتجددة في أراضيهم.

نمذجة الاستراتيجيات الزراعية البديلة

نحن نعمل على تحويل إطار عملنا إلى برنامج يمكن للناس استخدامه لنمذجة الزراعة كمساحات حكومية.الهدف هو تمكين المستخدمين من التفكير في تصميمات بديلة بناءً على حدسهم، مما يقلل من تكلفة التجربة والخطأ المطلوبة الآن لاختبار أفكار جديدة في الزراعة.

وتمثل نُهج اليوم إلى حد كبير نموذجًا وتسعى إلى تحسين أنظمة الزراعة القائمة، والتي غالبًا ما تكون غير مستدامة.يتيح إطار عملنا اكتشاف أنظمة جديدة للزراعة ومن ثم تحسينها ضمن تلك الأنظمة الجديدة.

سيتمكن المستخدمون أيضًا من تحديد أهدافهم لعميل قائم على الذكاء الاصطناعي يمكنه إجراء بحث في مساحة حالة المزرعة، تمامًا كما قد يبحث في مساحة حالة رقعة الشطرنج لاختيار التحركات الفائزة.

تتمتع المجتمعات الحديثة بإمكانية الوصول إلى العديد من أنواع النباتات والمزيد من المعلومات حول كيفية تفاعل الأنواع والبيئات المختلفة عما كانت عليه قبل قرن من الزمان.ومن وجهة نظرنا، لا تقوم النظم الزراعية بما يكفي للاستفادة من كل هذه المعرفة.ومن الممكن أن يساعد دمجها حسابيًا في جعل الزراعة أكثر إنتاجية وصحية واستدامة في عالم سريع التغير.