人类的身体重新配置世界上一半的土地主粮作物生长只有8:玉米(玉米)、大豆、小麦、大米、木薯、高粱、甘薯和马铃薯。他们占绝大多数的卡路里消耗,世界各地的人们。随着全球人口的增加,压力进一步扩大生产。

许多专家认为,进一步扩大现代工业化农业——这在很大程度上依赖于合成肥料、化学杀虫剂和高产种子-不是正确的方式来满足不断增长的世界人口。在他们看来,这个方法不是可持续的生态和经济,农民和科学家感觉困在这个系统。

玉米的转型为一个全球大宗商品显示了如何改变了农业工业化农业。

社会如何开发一个食物系统,满足他们的需求,也更健康和多样化呢?事实证明很难扩大替代方法,有机农业等广泛的工业化农业。

在最近的一项研究中,从我们的角度为我们考虑这个问题计算机科学家和一个农作物科学家。我们和我们的同事布莱恩Runck,亚当压力,黛安·r·王和帕特里克·m·尤因提出了一种反思农业系统是如何设计和实现吗,用一个中心思想从计算机科学——抽象总结数据和概念,并计算、所以我们可以分析并进行操作而无需经常检查他们的内部细节。

大输出,大影响

现代农业加强在短短几十年里在20世纪中期,一个人类历史上眨眼。技术改进领导的方式,包括发展的人工合成的肥料和统计方法,改善了植物育种。

这些进步使农场生产了大量的食物,但以牺牲环境。大规模的农业推动气候变化、被污染的湖泊和海湾养分径流和加速物种损失通过将自然景观转变为单一作物领域。

许多美国农民和农业研究人员想要种植更多的作物和使用更可持续的耕作方法。但对他们来说很难找出新系统可以表现良好,尤其是在气候变化。Lower-impact农业系统往往需要当地知识深,加上一个百科全书式的理解植物、天气和气候建模、地质和更多。

这就是我们的新方法。

农场为状态空间

当计算机科学家思考复杂的问题,他们经常用一个概念叫做状态空间。这种方法在数学上代表所有可能的系统可以配置的方法。穿过空间需要做出选择,这些选择改变系统的状态,无论是好是坏。

作为一个例子,考虑一个国际象棋的游戏板和两名球员。每个板的配置在一个时刻是一个游戏的状态。当一个玩家,游戏转移到另一个状态。

整个游戏可以被描述的所有可能状态“状态空间”——游戏可以通过有效的举措在球员。在比赛中,每个球员都是寻找国家更好。

我们可以把一个农业系统状态空间在一个特定的生态系统。一个农场及其布局的植物物种在任何时刻状态空间表示一个状态。农夫正在寻找更好的状态和尽量避免坏的。

人类和自然农场从一个状态转移到另一个。在任何一天,农夫会一打不同的东西在地上,如耕作、播种、除草、收获或添加肥料。自然导致较小的状态转换,如植物和雨下降,更戏剧性的状态转换在自然灾害如洪水或大火。

气候变化正在改变的区域可以种植玉米和小麦等主要农作物,减少收益率在某些情况下,增加他们在其他人。

发现协同效应

查看一个农业系统状态空间可以拓宽农民选择超越今天的农业系统提供有限的选项。

农民没有时间和能力去做尝试和错误多年来在他们的土地。但是一个计算系统可以利用农业知识外,还可以从许多不同的环境和学校的思想发挥隐喻与自然的棋类游戏,帮助农民识别他们的土地的最佳选项。

传统农业限制农民几选择植物种类,种植方法和输入。我们的框架可以考虑更高层次的策略,如一起种植多种作物或发现管理技术,最适合一个特定的块土地。用户可以搜索状态空间考虑混合的方法,什么物种和地区可以实现这些目标。

例如,如果一个科学家想要测试5作物轮作——提高计划序列的作物在同一领域,每一个四年,七个植物物种,代表721潜在的旋转。我们的方法可以使用的信息长期生态研究帮助找到最好的潜在的系统测试。

一个领域,我们看到了巨大的潜力间作——种植不同的植物在一个混合或接近。许多组合特定的植物一直在一起长得好,与每个工厂在某种程度上帮助别人。

最熟悉的例子是“三姐妹”——玉米、南瓜和豆类——开发的美洲土著农民。玉米秸秆作为爬棚豆藤,而南瓜叶子遮挡地面,保持湿润,防止杂草发芽。植物的根bean上的细菌提供氮、不可或缺的养分,所有三种植物。

文化在人类历史上有自己的偏爱间作系统类似的协同效应,例如姜黄和芒果或小米、豇豆和ziziphus,俗称红枣。和新工作agrivoltaics表明,太阳能电池板和农业相结合可以工作得非常好:下面的板部分阴影作物生长,和农民得到额外收入通过生产可再生能源。

建模另类农场策略

我们正在将我们的框架变成软件,人们可以使用农业作为状态空间模型。我们的目标是让用户考虑替代设计基于他们的直觉,最小化所需的昂贵的试验和错误,现在测试新想法在农业。

今天的主要方法和追求优化现有的模型,通常不可持续的农业系统。我们的框架允许新发现的农业系统,然后在这些新系统优化。

用户还可以指定目标的基于人工智能的代理可以执行一个搜索状态空间的农场,正如它可能搜索棋盘的状态空间赢得移动。

现代社会获得更多的植物物种和更多的信息关于不同物种和环境互动比一个世纪前。在我们看来,农业系统没有做足够的利用所有的知识。结合计算可以帮助使农业生产率提高,健康和可持续的在一个快速变化的世界。

Barath Raghavan副教授,计算机科学和电子与计算机工程,南加州大学和迈克尔·坎塔尔热带植物和土壤科学副教授,夏威夷大学

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