L'informatica può aiutare gli agricoltori a esplorare colture alternative e metodi agricoli sostenibili

Gli esseri umani si sono riconfigurati fisicamente metà del territorio mondiale coltivare solo otto colture di base:mais (mais), soia, grano, riso, manioca, sorgo, patate dolci e patate.Rappresentano la stragrande maggioranza delle calorie consumate dalle persone in tutto il mondo.Con l’aumento della popolazione globale, c’è pressione per farlo espandere ulteriormente la produzione.

Molti esperti sostengono che l’ulteriore espansione della moderna agricoltura industrializzata – che fa molto affidamento su fertilizzanti sintetici, pesticidi chimici e sementi ad alto rendimento – non è la strada giusta A nutrire una popolazione mondiale in crescita.A loro avviso, questo approccio non è sostenibile né ecologicamente né economicamente, così come agricoltori e scienziati sentirsi intrappolato all'interno di questo sistema.

Come possono le società sviluppare un sistema alimentare che soddisfi i loro bisogni e che sia anche più sano e diversificato?Si è rivelato difficile diffondere metodi alternativi, come l’agricoltura biologica, così come l’agricoltura industriale in generale.

In uno studio recente, abbiamo considerato questo problema dal nostro punto di vista come a informatico e un scienziato delle colture.Noi e i nostri colleghi Bryan Runck, Adam Streed, Diana R.Wang E Patrizio M.Ewing proposto un modo per ripensare come i sistemi agricoli sono progettati e implementati, utilizzando un'idea centrale dell'informatica - l'astrazione - che riassume dati e concetti e li organizza computazionalmente, in modo che possiamo analizzarli e agire su di essi senza dover esaminare costantemente i loro dettagli interni.

Grandi risultati, grandi impatti

L’agricoltura moderna si è intensificata in pochi decenni a metà del XX secolo: un batter d’occhio nella storia umana. Miglioramenti tecnologici ha aperto la strada, compreso lo sviluppo di fertilizzante sintetico e metodi statistici che hanno migliorato la selezione delle piante.

Questi progressi hanno consentito alle aziende agricole di produrre quantità molto maggiori di cibo, ma a scapito dell’ambiente.L’agricoltura su larga scala ha contribuito a guidare il cambiamento climatico, laghi e baie inquinate con deflusso dei nutrienti E Perdite accelerate di specie trasformando i paesaggi naturali in campi coltivati ​​a monocoltura.

Molti Stati Unitigli agricoltori e i ricercatori agricoli vorrebbero coltivare una gamma più ampia di colture e utilizzare metodi agricoli più sostenibili.Ma è difficile per loro capire quali nuovi sistemi potrebbero funzionare bene, soprattutto in un clima che cambia.I sistemi agricoli a basso impatto spesso richiedono una profonda conoscenza locale, oltre a una comprensione enciclopedica delle piante, della modellazione meteorologica e climatica, della geologia e altro ancora.

È qui che entra in gioco il nostro nuovo approccio.

Le fattorie come spazi statali

Quando gli informatici pensano a problemi complessi, spesso usano un concetto chiamato a spazio statale.Questo approccio rappresenta matematicamente tutti i possibili modi in cui un sistema può essere configurato.Muoversi nello spazio implica fare delle scelte, e quelle scelte cambiano lo stato del sistema, nel bene e nel male.

Ad esempio, consideriamo una partita a scacchi con una scacchiera e due giocatori.Ogni configurazione del tabellone in un dato momento rappresenta un singolo stato del gioco.Quando un giocatore fa una mossa, sposta il gioco in un altro stato.

L’intero gioco può essere descritto dal suo “spazio degli stati” – tutti i possibili stati in cui il gioco potrebbe trovarsi attraverso le mosse valide effettuate dai giocatori.Durante il gioco, ogni giocatore cerca gli stati migliori per lui.

Possiamo pensare a un sistema agricolo come a uno spazio statale in un particolare ecosistema.Una fattoria e la sua disposizione delle specie vegetali in qualsiasi momento nel tempo rappresentano uno stato in quello spazio statale.L’agricoltore è alla ricerca di stati migliori e cerca di evitare quelli cattivi.

Sia gli esseri umani che la natura spostano la fattoria da uno stato all’altro.In un dato giorno, l’agricoltore potrebbe fare una dozzina di cose diverse sulla terra, come arare, piantare, diserbo, raccogliere o aggiungere fertilizzante.La natura provoca transizioni di stato minori, come la crescita delle piante e la caduta della pioggia, e transizioni di stato molto più drammatiche durante i disastri naturali come inondazioni o incendi.

Trovare sinergie

Considerare un sistema agricolo come uno spazio statale rende possibile ampliare le scelte per gli agricoltori oltre le opzioni limitate offerte dai sistemi agricoli odierni.

I singoli agricoltori non hanno il tempo o la capacità di fare tentativi ed errori per anni sulla loro terra.Ma un sistema informatico può attingere alla conoscenza agricola di molti ambienti e scuole di pensiero diversi per giocare una partita a scacchi metaforica con la natura che aiuta gli agricoltori a identificare le migliori opzioni per la loro terra.

L’agricoltura convenzionale limita gli agricoltori a poche scelte di specie vegetali, metodi di coltivazione e input.Il nostro quadro consente di prendere in considerazione strategie di livello superiore, come la coltivazione di più colture insieme o l’individuazione di tecniche di gestione più adatte a un particolare appezzamento di terreno.Gli utenti possono effettuare ricerche nello spazio statale per considerare quale mix di metodi, specie e luoghi potrebbe raggiungere tali obiettivi.

Ad esempio, se uno scienziato vuole testare cinque rotazioni colturali – aumentando sequenze pianificate di colture sugli stessi campi – che durano ciascuna quattro anni, coltivando sette specie di piante, ciò rappresenta 721 potenziali rotazioni.Il nostro approccio potrebbe utilizzare informazioni da ricerca ecologica a lungo termine per aiutare a trovare i migliori sistemi potenziali da testare.

Un’area in cui vediamo un grande potenziale è consociazione – coltivare piante diverse in una miscela o vicine insieme.È noto da tempo che molte combinazioni di piante specifiche crescono bene insieme, poiché ciascuna pianta aiuta le altre in qualche modo.

L’esempio più familiare sono le “tre sorelle” – mais, zucca e fagioli – sviluppate da Agricoltori indigeni delle Americhe.Gli steli di mais fungono da tralicci per arrampicarsi sulle viti di fagioli, mentre le foglie di zucca ombreggiano il terreno, mantenendolo umido e impedendo la germogliazione delle erbacce.I batteri presenti sulle radici delle piante di fagioli forniscono azoto, un nutriente essenziale, a tutte e tre le piante.

Le culture nel corso della storia umana hanno avuto i propri sistemi di consociazione preferiti con sinergie simili, come ad esempio curcuma e mango O miglio, fagiolo dall'occhio e ziziphus, comunemente noto come dattero rosso.E nuovo lavoro su agrivoltaico dimostra che la combinazione di pannelli solari e agricoltura può funzionare sorprendentemente bene:I pannelli ombreggiano parzialmente le colture che crescono sotto di essi e gli agricoltori guadagnano un reddito extra producendo energia rinnovabile sulla loro terra.

Modellazione di strategie agricole alternative

Stiamo lavorando per trasformare la nostra struttura in un software che le persone possano utilizzare per modellare l’agricoltura come spazi statali.L’obiettivo è consentire agli utenti di prendere in considerazione progetti alternativi in ​​base al proprio intuito, riducendo al minimo i costosi tentativi ed errori ora necessari per testare nuove idee in agricoltura.

Gli approcci odierni modellano e perseguono in gran parte l’ottimizzazione dei sistemi agricoli esistenti, spesso insostenibili.La nostra struttura consente la scoperta di nuovi sistemi di agricoltura e quindi l'ottimizzazione all'interno di tali nuovi sistemi.

Gli utenti saranno anche in grado di specificare i propri obiettivi a un agente basato sull'intelligenza artificiale che può eseguire una ricerca nello spazio degli stati della fattoria, proprio come potrebbe cercare nello spazio degli stati di una scacchiera per scegliere le mosse vincenti.

Le società moderne hanno accesso a molte più specie vegetali e a molte più informazioni su come interagiscono specie e ambienti diversi rispetto a un secolo fa.A nostro avviso, i sistemi agricoli non stanno facendo abbastanza per sfruttare tutta questa conoscenza.Combinarlo a livello computazionale potrebbe contribuire a rendere l’agricoltura più produttiva, sana e sostenibile in un mondo in rapido cambiamento.