研究提供了一种思考农业及其对农业的潜在好处的激进方式

随着对粮食安全的担忧日益加剧，专家们在问：我们将如何养活每个人?气候变化、自然资源枯竭、土壤侵蚀和农业中的化石燃料使用使这项任务更具挑战性。我们需要做一些不同的事情，但是呢?

南加州大学维特比分校计算机科学副教授Barath Raghavan正在通过开发计算工具帮助农民设计、开发和管理可持续农业方法，重新思考传统农业实践。Raghavan是加州稀有水果种植者组织的成员，目前在他的院子里种植了150多种不同的可食用植物。十年前，他开始结合自己的兴趣，研究计算如何使农业更具可持续性。

Raghavan将这一新的研究领域称为“计算农业生态学”，将技术和农业专业知识结合起来，开发基于自然生态系统的多样化农业景观。从作物选择到种植再到灌溉，该方法允许农民探索数千种不同的潜在设计，以优化食品生产，而无需化石燃料衍生的杀虫剂。

“我们如何设计一个像天然森林一样富有成效和可持续的生态系统，但它不是为野生动物生产食物，而是为人类生产食物?”Raghavan说。

“这是一个非常困难的问题，因为设计一个生态系统是一个超级复杂、动态、自然的系统。我们正在努力构建能够弄清楚生态系统如何运作的计算工具，这样我们就可以丰富和可持续地种植食物。

“思考农业的全新方式”

在16月<>日发表在PNAS Nexus上的一篇新论文中，Raghavan和他的同事提出了“一种全新的方法来思考农业及其对研究和农业的好处，”Raghavan说。

在这项研究中，研究人员将农业重新定义为通过“状态空间”的搜索，它代表了系统的所有可能配置——在这种情况下，农业用地。

为了更好地理解状态空间的概念，想象一盒块：每个块可以是红色、蓝色或黄色。状态空间将包含排列这些块的所有可能方式，例如所有红色、蓝色或绿色，或三种颜色的组合。

同样，农业系统的状态空间可能包含系统可以采用的所有可能变量，例如作物或土壤类型、天气条件、灌溉、施肥或害虫控制。

这使农业研究人员和农民能够探索可用的不同路径和策略——采用不同的“块”或变量并将它们放在一起，看看什么有效;从本质上讲，这是一个农业“沙盒”，用于确定最佳配置，以提高作物产量，提高可持续性，并发现一起生长良好的全新作物组合。

例如，该框架支持分析和机器学习，使研究人员能够分析作物产量和土壤含水量之间的模式，或模拟将不同类型的作物一起种植以获得生物多样性。

“一旦我们可以以这种方式构思一个农场，我们就可以重新构建许多研究问题和农业规划问题，作为对农场可能最终可能进入的所有可能状态的空间的搜索，某些州比其他州更受欢迎，”Raghavan说。

“这使我们能够比较和对比不同的农业方法，探索和组合技术，然后在模拟中搜索状态空间，寻找以前从未尝试过的新农业技术，在现实世界中进行反复试验将过于昂贵和耗时。

“与大自然下棋”

例如，在南加州，农民最近发现高质量的咖啡可以在鳄梨树之间大量生长。但是，找出正确的方法来做到这一点，甚至可能添加另外几种可以很好地协同工作的作物，是特定于地点的。

“每个农民多年来都没有时间或能力进行反复试验，以找出在他们的土地上种植六种作物的正确方法，”Raghavan说。

“相反，通过国家空间的概念框架和最终的软件框架，农民可以阐明一个目标 - 例如特定土地的高产量和可能的高利润的多样化收获 - 并让系统探索状态空间并生产可能的植物混合物，放置和管理技术符合农民的标准。

Raghavan将这个过程比作“与自然下棋，但既有竞争又有协作”。

“你在棋盘上采取行动，这是你的土地，大自然也在采取行动。害虫会吃掉一种庄稼;洪水将损害另一个洪水。我们正在构建的是一个计算框架，允许您探索与自然“玩”这种国际象棋游戏的所有不同方式，以便我们可以为您的土地提出最好的游戏。

该团队现在正在与研究人员和农民一起研究可能的用例，以纳入特定的用例，并开发可以轻松模拟和探索状态空间的软件。