Вычислительная агроэкология: новый подход к устойчивому сельскому хозяйству
Растущее население планеты, изменение климата, истощение ресурсов и эрозия почв ставят под вопрос будущую продовольственную безопасность. Барат Рагхаван, доцент компьютерных наук в USC Viterbi, предлагает радикально новый подход — вычислительную агроэкологию. Это направление объединяет технологии и агрономию для проектирования разнообразных сельскохозяйственных ландшафтов по аналогии с природными экосистемами.
Концепция «пространства состояний» для фермы
В статье, опубликованной в PNAS Nexus 16 марта, Рагхаван и его коллеги предлагают рассматривать сельское хозяйство как поиск в «пространстве состояний». Это пространство включает все возможные конфигурации системы — типы культур, почвы, погодные условия, методы орошения, удобрения и борьбы с вредителями.
«Как мы можем спроектировать экосистему, которая будет такой же продуктивной и устойчивой, как природный лес, но вместо пищи для диких животных будет производить пищу для людей?» — говорит Рагхаван.
Этот подход позволяет исследователям и фермерам изучать тысячи потенциальных дизайнов сельхозугодий в симуляции, оптимизируя производство без использования пестицидов на основе ископаемого топлива.
Практическое применение: от теории к «песочнице»
Концепция работает как сельскохозяйственная «песочница». Например, в Южной Калифорнии фермеры обнаружили, что качественный кофе можно успешно выращивать между деревьями авокадо. Однако подбор оптимального сочетания культур для конкретного участка методом проб и ошибок занимает годы.
«Каждый фермер не имеет времени или возможности годами экспериментировать, чтобы найти правильный способ выращивания полдюжины культур на своей земле», — отмечает Рагхаван.
В рамках новой концепции фермер может задать цель (например, диверсифицированный урожай с высокой yield и прибылью), а система исследует пространство состояний и предложит возможные комбинации растений, их размещение и методы управления.
«Игра в шахматы с природой»
Рагхаван сравнивает этот процесс с «игрой в шахматы с природой», которая является одновременно соревновательной и совместной.
«Вы делаете ходы на шахматной доске, которой является ваша земля, и природа тоже делает ходы. Вредители съедят одну культуру; наводнение повредит другую. Мы создаем вычислительную структуру, которая позволяет исследовать все различные способы "игры" в эти шахматы с природой, чтобы найти лучший для вашей земли».
В настоящее время команда работает над разработкой программного обеспечения, которое позволит легко моделировать и исследовать пространства состояний для конкретных задач фермеров и исследователей.