L'informatique peut aider les agriculteurs à explorer des cultures alternatives et des méthodes agricoles durables

Les humains se sont physiquement reconfigurés la moitié des terres du monde pour cultiver seulement huit cultures de base :maïs (maïs), soja, blé, riz, manioc, sorgho, patate douce et pomme de terre.Ils représentent la grande majorité des calories consommées dans le monde entier.À mesure que la population mondiale augmente, des pressions s’exercent pour augmenter encore la production.

De nombreux experts affirment que l’expansion de l’agriculture industrialisée moderne – qui dépend fortement des engrais synthétiques, des pesticides chimiques et des semences à haut rendement – ce n'est pas la bonne façon à nourrir une population mondiale croissante.Selon eux, cette approche n’est pas durable sur le plan écologique ou économique, et les agriculteurs et les scientifiques se sentir piégé au sein de ce système.

Comment les sociétés peuvent-elles développer un système alimentaire qui réponde à leurs besoins et qui soit également plus sain et plus diversifié ?Il s’est avéré difficile de généraliser des méthodes alternatives, telles que l’agriculture biologique, ainsi que l’agriculture industrielle.

Dans une étude récente, nous avons considéré ce problème de notre point de vue comme un informaticien et un scientifique des cultures.Nous et nos collègues Bryan Runck, Adam Streed, Diane R.Wang et Patrick M.Ewing proposé une façon de repenser comment les systèmes agricoles sont conçus et mis en œuvre, en utilisant une idée centrale de l'informatique - l'abstraction - qui résume les données et les concepts et les organise de manière informatique, afin que nous puissions les analyser et agir sur eux sans avoir à examiner constamment leurs détails internes.

Gros résultat, gros impacts

L’agriculture moderne s’est intensifiée en seulement quelques décennies au milieu du XXe siècle – un clin d’œil dans l’histoire de l’humanité. Améliorations technologiques a ouvert la voie, notamment en développant engrais synthétique et des méthodes statistiques qui ont amélioré la sélection végétale.

Ces progrès ont permis aux fermes de produire des quantités beaucoup plus importantes de nourriture, mais au détriment de l’environnement.L'agriculture à grande échelle a a contribué au changement climatique, lacs et baies pollués avec ruissellement de nutriments et pertes accélérées d’espèces en transformant les paysages naturels en champs de monoculture.

De nombreux États-Unisles agriculteurs et les chercheurs agricoles souhaiteraient cultiver une plus large gamme de cultures et utiliser des méthodes agricoles plus durables.Mais il leur est difficile de déterminer quels nouveaux systèmes pourraient être efficaces, en particulier dans un climat en évolution.Les systèmes agricoles à faible impact nécessitent souvent des connaissances locales approfondies, ainsi qu’une compréhension encyclopédique des plantes, de la modélisation météorologique et climatique, de la géologie et bien plus encore.

C’est là qu’intervient notre nouvelle approche.

Les fermes comme espaces d’État

Lorsque les informaticiens réfléchissent à des problèmes complexes, ils utilisent souvent un concept appelé espace d'état.Cette approche représente mathématiquement toutes les manières possibles de configurer un système.Se déplacer dans l’espace implique de faire des choix, et ces choix changent l’état du système, pour le meilleur ou pour le pire.

À titre d’exemple, considérons une partie d’échecs avec un échiquier et deux joueurs.Chaque configuration du plateau à un moment donné constitue un état unique du jeu.Lorsqu'un joueur effectue un mouvement, le jeu passe dans un autre état.

Le jeu dans son ensemble peut être décrit par son « espace d’états » – tous les états possibles dans lesquels le jeu pourrait se trouver grâce aux mouvements valides effectués par les joueurs.Pendant le jeu, chaque joueur recherche les états qui lui conviennent le mieux.

Nous pouvons considérer un système agricole comme un espace d’état dans un écosystème particulier.Une ferme et sa disposition en espèces végétales représentent à tout moment un état dans cet espace d’état.L’agriculteur recherche des états meilleurs et essaie d’éviter les mauvais.

Les humains et la nature déplacent la ferme d’un état à un autre.Chaque jour, l'agriculteur peut faire une douzaine de choses différentes sur la terre, comme labourer, planter, désherber, récolter ou ajouter des engrais.La nature provoque des transitions d’état mineures, telles que la croissance des plantes et la chute de la pluie, et des transitions d’état beaucoup plus dramatiques lors de catastrophes naturelles telles que des inondations ou des incendies de forêt.

Trouver des synergies

Considérer un système agricole comme un espace étatique permet d’élargir les choix des agriculteurs au-delà des options limitées qu’offrent les systèmes agricoles actuels.

Les agriculteurs individuels n’ont ni le temps ni la capacité de faire des essais et des erreurs pendant des années sur leurs terres.Mais un système informatique peut s’appuyer sur les connaissances agricoles de nombreux environnements et écoles de pensée différents pour jouer un jeu d’échecs métaphorique avec la nature qui aide les agriculteurs à identifier les meilleures options pour leurs terres.

L'agriculture conventionnelle limite les agriculteurs à quelques choix d'espèces végétales, de méthodes agricoles et d'intrants.Notre cadre permet d'envisager des stratégies de niveau supérieur, telles que la culture simultanée de plusieurs cultures ou la recherche des techniques de gestion les mieux adaptées à une parcelle de terre particulière.Les utilisateurs peuvent effectuer des recherches dans l'espace d'état pour déterminer quelle combinaison de méthodes, d'espèces et de lieux pourrait atteindre ces objectifs.

Par exemple, si un scientifique souhaite tester cinq rotations de cultures – en effectuant des séquences de cultures planifiées sur les mêmes champs – qui durent chacune quatre ans, cultivant sept espèces végétales, cela représente 721 rotations potentielles.Notre approche pourrait utiliser des informations provenant de recherche écologique à long terme pour aider à trouver les meilleurs systèmes potentiels à tester.

Un domaine dans lequel nous voyons un grand potentiel est culture intercalaire – cultiver différentes plantes en mélange ou rapprochées.On sait depuis longtemps que de nombreuses combinaisons de plantes spécifiques poussent bien ensemble, chaque plante aidant les autres d’une manière ou d’une autre.

L’exemple le plus connu est celui des « trois sœurs » – maïs, courge et haricot – développées par Agriculteurs autochtones des Amériques.Les tiges de maïs servent de treillis pour grimper les vignes de haricots, tandis que les feuilles de courge ombragent le sol, le gardant humide et empêchant les mauvaises herbes de germer.Les bactéries présentes sur les racines des plants de haricots fournissent de l’azote, un nutriment essentiel, aux trois plantes.

Tout au long de l'histoire de l'humanité, les cultures ont eu leurs propres systèmes de cultures intercalaires privilégiés avec des synergies similaires, comme curcuma et mangue ou millet, niébé et ziziphus, communément appelé datte rouge.Et de nouveaux travaux sur agrivoltaïque montre que combiner panneaux solaires et agriculture peut fonctionner étonnamment bien :Les panneaux ombragent partiellement les cultures qui poussent en dessous, et les agriculteurs gagnent un revenu supplémentaire en produisant de l'énergie renouvelable sur leurs terres.

Modélisation de stratégies agricoles alternatives

Nous travaillons à transformer notre cadre en logiciel que les gens peuvent utiliser pour modéliser l'agriculture en tant qu'espaces d'État.L’objectif est de permettre aux utilisateurs d’envisager des conceptions alternatives basées sur leur intuition, en minimisant les essais et erreurs coûteux qui sont désormais nécessaires pour tester de nouvelles idées en agriculture.

Les approches actuelles modélisent et recherchent en grande partie l’optimisation des systèmes agricoles existants, souvent non durables.Notre cadre permet la découverte de nouveaux systèmes agricoles, puis l'optimisation au sein de ces nouveaux systèmes.

Les utilisateurs pourront également spécifier leurs objectifs à un agent basé sur l'intelligence artificielle qui pourra effectuer une recherche dans l'espace d'état de la ferme, tout comme il pourrait rechercher l'espace d'état d'un échiquier pour choisir les coups gagnants.

Les sociétés modernes ont accès à beaucoup plus d’espèces végétales et à beaucoup plus d’informations sur la manière dont les différentes espèces et environnements interagissent qu’il y a un siècle.À notre avis, les systèmes agricoles n’en font pas assez pour exploiter toutes ces connaissances.Leur combinaison informatique pourrait contribuer à rendre l’agriculture plus productive, plus saine et plus durable dans un monde en évolution rapide.