Информатика может помочь фермерам изучить альтернативные культуры и методы устойчивого ведения сельского хозяйства.

Человечество физически перестроилось половина земной суши выращивать всего восемь основных культур:кукуруза (кукуруза), соя, пшеница, рис, маниока, сорго, сладкий картофель и картофель.На их долю приходится подавляющее большинство калорий, которые потребляют люди во всем мире.По мере роста численности населения мира возникает необходимость расширять производство еще больше.

Многие эксперты утверждают, что дальнейшее расширение современного индустриального сельского хозяйства, которое в значительной степени зависит от синтетических удобрений, химических пестицидов и высокоурожайных семян, – это не правильный путь к прокормить растущее население мира.По их мнению, такой подход не является устойчивым ни с экологической, ни с экономической точки зрения, и фермеры, и ученые чувствовать себя в ловушке внутри этой системы.

Как общество может разработать продовольственную систему, отвечающую его потребностям, а также более здоровую и разнообразную?Распространение альтернативных методов, таких как органическое земледелие, в широком смысле, как промышленное сельское хозяйство, оказалось трудным.

В недавнем исследовании мы рассмотрели эту проблему с нашей точки зрения как ученый-компьютерщик и учёный, занимающийся растениеводством.Мы и наши коллеги Брайан Ранк, Адам Стрид, Дайан Р.Ван и Патрик М.Юинг предложил способ переосмыслить как разрабатываются и реализуются сельскохозяйственные системы, используя центральную идею информатики — абстракцию, которая обобщает данные и концепции и организует их вычислительно, чтобы мы могли анализировать их и действовать на их основании без необходимости постоянно изучать их внутренние детали.

Большой результат, большие результаты

Современное сельское хозяйство интенсифицировалось всего за несколько десятилетий в середине 20-го века – мгновение в истории человечества. Технологические улучшения лидировал, в том числе в разработке синтетическое удобрение и статистические методы, которые улучшили селекцию растений.

Эти достижения позволили фермам производить гораздо больше продуктов питания, но за счет окружающей среды.Крупное сельское хозяйство имеет помог стимулировать изменение климата, загрязненные озера и заливы с сток питательных веществ и ускоренная потеря видов превращая природные ландшафты в поля монокультурных культур.

Многие СШАфермеры и исследователи сельского хозяйства хотели бы выращивать более широкий спектр сельскохозяйственных культур и использовать более устойчивые методы ведения сельского хозяйства.Но им трудно понять, какие новые системы могут работать хорошо, особенно в меняющемся климате.Системы земледелия с меньшим воздействием часто требуют глубоких знаний местных условий, а также энциклопедических знаний о растениях, моделировании погоды и климата, геологии и многом другом.

Вот здесь и пригодится наш новый подход.

Фермы как государственные пространства

Когда ученые-компьютерщики думают о сложных проблемах, они часто используют концепцию, называемую государственное пространство.Этот подход математически представляет все возможные способы настройки системы.Перемещение в пространстве влечет за собой выбор, и этот выбор меняет состояние системы в лучшую или худшую сторону.

В качестве примера рассмотрим игру в шахматы с доской и двумя игроками.Каждая конфигурация доски в определенный момент времени представляет собой отдельное состояние игры.Когда игрок делает ход, игра переходит в другое состояние.

Всю игру можно описать «пространством состояний» — всеми возможными состояниями, в которых может находиться игра благодаря правильным ходам, которые делают игроки.В ходе игры каждый игрок ищет состояния, более выгодные для него.

Мы можем думать о сельскохозяйственной системе как о пространстве состояний в конкретной экосистеме.Ферма и расположение видов растений на ней в любой момент времени представляют одно состояние в этом пространстве состояний.Фермер ищет лучшие состояния и старается избегать плохих.

И люди, и природа переводят ферму из одного состояния в другое.В любой день фермер может делать на земле дюжину разных дел, таких как вспашка, посадка, прополка, сбор урожая или внесение удобрений.Природа вызывает незначительные переходы состояний, такие как рост растений и выпадение дождя, а также гораздо более драматические переходы состояний во время стихийных бедствий, таких как наводнения или лесные пожары.

Поиск синергии

Рассмотрение сельскохозяйственной системы как пространства государства позволяет фермерам расширить выбор за пределы ограниченных возможностей, которые предлагают сегодняшние сельскохозяйственные системы.

У отдельных фермеров нет времени или возможности годами работать методом проб и ошибок на своей земле.Но компьютерная система может использовать сельскохозяйственные знания из самых разных сред и школ мысли, чтобы сыграть с природой метафорическую шахматную игру, которая помогает фермерам определить лучшие варианты для своей земли.

Традиционное сельское хозяйство ограничивает фермеров несколькими видами растений, методами ведения сельского хозяйства и ресурсами.Наша система позволяет рассматривать стратегии более высокого уровня, такие как совместное выращивание нескольких культур или поиск методов управления, которые лучше всего подходят для конкретного участка земли.Пользователи могут осуществлять поиск в пространстве состояний, чтобы определить, какое сочетание методов, видов и локалей может помочь достичь этих целей.

Например, если учёный хочет протестировать пять севооборотов (выращивание запланированных последовательностей культур на одних и тех же полях) каждый из которых длится четыре года и выращивает семь видов растений, это представляет собой 721 потенциальный севооборот.Наш подход может использовать информацию из долгосрочные экологические исследования чтобы помочь найти лучшие потенциальные системы для тестирования.

Одной из областей, в которой мы видим большой потенциал, является совмещение культур – выращивание разных растений в смеси или рядом друг с другом.Давно известно, что многие комбинации конкретных растений хорошо растут вместе, причем каждое растение каким-то образом помогает другим.

Самый известный пример – «три сестры» – кукуруза, тыква и фасоль – разработанные Коренные фермеры Америки.Стебли кукурузы служат решетками для вьющихся лоз бобов, а листья тыквы затеняют землю, сохраняя ее влажной и предотвращая прорастание сорняков.Бактерии на корнях бобовых обеспечивают азот, необходимое питательное вещество, всем трем растениям.

На протяжении всей истории человечества в культурах существовали свои излюбленные системы совмещения культур со схожим синергическим эффектом, такие как куркума и манго или просо, вигна и зизифус, широко известный как красный финик.И новая работа над агривольтаика показывает, что сочетание солнечных батарей и сельского хозяйства может работать на удивление хорошо:Панели частично затеняют растущие под ними культуры, а фермеры получают дополнительный доход, производя возобновляемую энергию на своей земле.

Моделирование альтернативных стратегий фермы

Мы работаем над тем, чтобы превратить нашу структуру в программное обеспечение, которое люди смогут использовать для моделирования сельского хозяйства как пространства государства.Цель состоит в том, чтобы дать пользователям возможность рассматривать альтернативные конструкции на основе своей интуиции, сводя к минимуму дорогостоящие методы проб и ошибок, которые сейчас необходимы для проверки новых идей в сельском хозяйстве.

Сегодняшние подходы в основном моделируют и направлены на оптимизацию существующих, зачастую неустойчивых систем сельского хозяйства.Наша структура позволяет открывать новые системы сельского хозяйства, а затем оптимизировать их.

Пользователи также смогут указать свои цели агенту на основе искусственного интеллекта, который сможет выполнять поиск в пространстве состояний фермы так же, как он может искать в пространстве состояний шахматной доски, чтобы выбирать выигрышные ходы.

Современное общество имеет доступ к гораздо большему количеству видов растений и гораздо большему количеству информации о взаимодействии различных видов и окружающей среды, чем столетие назад.По нашему мнению, сельскохозяйственные системы делают недостаточно для использования всех этих знаний.Их вычислительное объединение может помочь сделать сельское хозяйство более продуктивным, здоровым и устойчивым в быстро меняющемся мире.