Шахматы с природой: игра, в которой фермеры используют алгоритмы для победы над климатом

Исследование в области компьютерных наук предлагает принципиально новый подход к изучению сельского хозяйства и его потенциальных преимуществ для фермерских хозяйств.

15 ноября 2022 года население Земли достигло ошеломляющей отметки в 8 миллиардов человек. Поскольку эта цифра продолжает расти, возникает закономерный вопрос: как сделать так, чтобы у каждого было достаточно еды? Проблема усугубляется такими факторами, как изменение климата, истощение природных ресурсов, деградация почв и негативное воздействие на окружающую среду сельского хозяйства, зависящего от ископаемого топлива. Назрела необходимость перемен, но вопрос в том, какой должна быть эта перемена?

В ответ на это Барат Рагхаван, доцент кафедры компьютерных наук в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, переворачивает традиционные методы ведения сельского хозяйства с ног на голову. Он возглавляет работу по созданию вычислительных инструментов, которые потенциально могут кардинально изменить подход фермеров к разработке, внедрению и управлению устойчивыми методами ведения сельского хозяйства. Рагхаван, член калифорнийской организации Rare Fruit Growers, в настоящее время выращивает у себя во дворе более 150 различных съедобных растений. Десять лет назад он начал объединять свои интересы, изучая, как компьютерные технологии могут сделать сельское хозяйство более экологичным.

Рагхаван называет эту новую область исследований "вычислительной агроэкологией". Она объединяет технологии и опыт в области сельского хозяйства для создания разнообразных сельскохозяйственных ландшафтов на основе природных экосистем. Этот метод позволяет фермерам исследовать тысячи различных вариантов оптимизации производства продуктов питания без использования пестицидов, получаемых из ископаемого топлива — от выбора культур до посадки и орошения.

"Как нам создать экосистему, которая будет такой же продуктивной и устойчивой, как естественный лес, но при этом будет производить пищу не для диких животных, а для людей?", — задаётся вопросом Рагхаван.

Совершенно новый взгляд на сельское хозяйство

В статье, опубликованной в PNAS Nexus, Рагхаван и его коллеги предлагают "совершенно новый подход к изучению сельского хозяйства и его преимуществ для исследований и фермерства". В этом исследовании учёные переосмысливают сельское хозяйство как поиск в "пространстве состояний", которое представляет собой все возможные конфигурации системы — в данном контексте сельскохозяйственных земель.

Чтобы лучше понять концепцию пространства состояний, представьте себе коробку с кубиками: каждый кубик может быть красным, синим или жёлтым. Пространство состояний будет состоять из всех возможных вариантов расположения этих кубиков, например, все красные, синие или зелёные кубики или комбинация трёх цветов.

Точно так же пространство состояний сельскохозяйственной системы может состоять из всех возможных переменных, которые может принимать система, например тип культуры или почвы, погодные условия, орошение, внесение удобрений или борьба с вредителями.

Это позволяет исследователям в области сельского хозяйства и фермерам изучать различные пути и стратегии, которые можно использовать, комбинируя разные "блоки" или переменные, чтобы понять, что работает.

"Как только мы научимся представлять себе ферму таким образом, мы сможем переосмыслить многие исследовательские и фермерские вопросы с точки зрения поиска во всём пространстве возможных состояний, в которых может оказаться ферма", — сказал Рагхаван.

Игра в шахматы с природой

Исследователи моделируют оптимальные конфигурации, которые позволяют фермерам выбирать лучшие комбинации культур и управлять ими для достижения более устойчивых и высокопродуктивных сельскохозяйственных систем. Примером может служить Южная Калифорния, где фермеры недавно обнаружили, что между деревьями авокадо можно выращивать высококачественный кофе. Но чтобы понять, как это сделать правильно и, возможно, добавить ещё пару культур, которые хорошо сочетаются, нужно учитывать особенности участка.

"У каждого фермера нет ни времени, ни возможности годами экспериментировать, чтобы найти правильный способ выращивания полудюжины культур на своей земле", — сказал Рагхаван.

Он объясняет, что используя концептуальную основу и программную модель для моделирования состояний, фермер может сформулировать цель — например, получить разнообразный урожай с высокой доходностью на конкретном участке земли, и попросить систему исследовать пространство состояний, предложив возможные комбинации растений и методы управления.

"Мы создаём вычислительную систему, которая позволит вам изучить все возможные варианты "игры" в шахматы с природой, чтобы мы могли выбрать наилучший для вашей земли", — пояснил Рагхаван.

Советы для внедрения вычислительной агроэкологии

1. Использование технологии моделирования состояний для оптимизации сельского хозяйства и повышения устойчивости экосистем.

2. Применение машинного обучения и аналитики для поиска новых комбинаций культур и методов управления, которые помогут фермерам повысить урожайность и экологическую устойчивость.

3. Разработка программного обеспечения для упрощения моделирования сельскохозяйственных систем, что позволит фермерам быстрее находить наилучшие подходы к ведению хозяйства.

Мифы и правда о вычислительной агроэкологии

Миф 1: Использование технологий в сельском хозяйстве приведёт к ухудшению качества продукции.

Правда: Вычислительная агроэкология позволяет улучшить устойчивость и продуктивность сельского хозяйства, одновременно повышая экологическую эффективность.

Миф 2: Это слишком сложные технологии для обычных фермеров.

Правда: Современные вычислительные инструменты упрощают процесс принятия решений и могут быть адаптированы для фермеров всех уровней.

Миф 3: Вычислительная агроэкология — это только для больших ферм.

Правда: Эта технология подходит как для крупных сельскохозяйственных предприятий, так и для малых ферм, помогая оптимизировать процессы независимо от масштаба.

Исторический контекст

1. В последние десятилетия сельское хозяйство активно развивалось с использованием химических удобрений и пестицидов, что приводило к ухудшению экосистем.

2. Инновационные подходы в области агроэкологии и новых технологий начинают менять способы ведения сельского хозяйства, ориентируясь на устойчивое развитие.

3. В вычислительной агроэкологии используются методы моделирования и аналитики, которые помогают фермерам эффективно решать проблемы с управлением ресурсами.

3 интересных факта

1. Вычислительная агроэкология использует модель "пространства состояний", что позволяет найти оптимальные варианты для сельского хозяйства.

2. Использование машинного обучения позволяет значительно повысить экологическую устойчивость сельскохозяйственных систем.

3. В Южной Калифорнии фермеры начали выращивать кофе между деревьями авокадо, и это стало результатом применения вычислительных технологий для агроэкологии.

Таблица: плюсы и минусы вычислительной агроэкологии

Таблица: сравнение традиционных методов и вычислительной агроэкологии

FAQ

1. Как вычислительная агроэкология помогает в сельском хозяйстве?

Она использует моделирование и машинное обучение для оптимизации сельского хозяйства, улучшая устойчивость и продуктивность.

2. Могут ли малые фермеры использовать вычислительную агроэкологию?

Да, эти технологии можно адаптировать для фермеров всех уровней, включая малые фермерские хозяйства.

3. Как эта технология помогает справляться с изменением климата?

Вычислительная агроэкология позволяет эффективно управлять ресурсами, адаптироваться к климатическим изменениям и улучшать экологическую устойчивость.

Вычислительная агроэкология, объединяя технологии и сельское хозяйство, предлагает новый подход к устойчивому земледелию. Использование компьютерных технологий и моделей пространства состояний позволяет фермерам искать оптимальные решения для повышения урожайности и сохранения экосистем, что помогает адаптироваться к изменению климата и обеспечивать продовольственную безопасность.