南加州大学维特比分校的副教授巴拉特·拉加万(Barath Raghavan)是“计算农业生态学”的先驱，这是一种利用计算工具设计多样化、最佳农业生态系统的可持续农业新方法。研究人员将农业概念化为通过“状态空间”的搜索，其中包括一个系统的所有可能配置，例如农场，使农民和研究人员能够探索，模拟和找到各种因素的最佳组合，如作物选择，土壤类型，天气条件，灌溉和病虫害防治，可能彻底改变农业规划和技术。
2022年11月15日，世界人口达到了惊人的80亿。随着这个数字继续上升，迫在眉睫的问题是:我们如何确保每个人都有足够的食物?气候变化、自然资源枯竭、土壤退化以及依赖化石燃料的农业对环境的影响等问题进一步放大了这一挑战。我们迫切需要改变，但问题是，这种改变应该采取什么形式?
对此，南加州大学维特比分校计算机科学副教授巴拉特·拉加万(Barath Raghavan)正在颠覆传统的农业实践。他是计算工具的先锋，这些工具可能会彻底改变农民构思、实施和管理可持续农业方法的方式。
园艺爱好者和计算机科学家巴拉特·拉格哈万正在重新思考传统的耕作方式。来源:Noe Montes
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，研究计算机如何使农业更具可持续性。
Raghavan将这个新的研究领域称为“计算农业生态学”，将技术和农业专业知识结合起来，以自然生态系统为基础开发多样化的农业景观。从作物选择到种植再到灌溉，这种方法允许农民探索数千种不同的潜在设计，以优化粮食生产，而不使用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多产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?”拉加万说。
“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、动态的自然系统。我们正在尝试建立计算工具，可以弄清楚生态系统是如何运作的，这样我们就可以丰富和可持续地种植食物。”
“一种全新的思考方式布特农业”
在最近发表在PNAS Nexus上的一篇新论文中，Raghavan和他的同事提出了“一种全新的方式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“状态空间”的搜索，它代表了一个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，可以想象一个块的盒子:每个块可以是红色、蓝色或黄色的。状态空间将由排列这些块的所有可能方式组成，例如全部为红色、蓝色或绿色，或三种颜色的组合。
以同样的方式，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、施肥或虫害控制。
这使得农业研究人员和农民可以探索不同的路径和策略——采取不同的“块”或变量，并将它们放在一起，看看哪个有效。
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，并发现全新的作物组合，使其生长良好。
例如，该框架支持分析和机器学习，可以让研究人员分析作物产量和土壤水分含量之间的模式，或者模拟种植不同类型的作物以实现生物多样性。
Raghavan说:“一旦我们能够以这种方式构想一个农场，我们就可以重新构建许多研究问题和农业规划问题，通过对农场可能最终处于的所有可能状态的空间进行搜索，其中某些状态比其他状态更可取。”
“这使我们能够比较和对比不同的农业方法，探索和结合技术，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，而在现实世界中进行反复试验将过于昂贵和耗时。”
“与自然对弈”
例如，在南加州，农民们最近发现，高品质的咖啡可以在牛油果树之间大量生长。但要找到正确的方法，甚至可能再增加一些能很好地协同工作的作物，这是根据具体情况而定的。
拉加万说:“每个农民都没有时间或能力多年来反复试验，找出在自己的土地上种植六种作物的正确方法。”
“相反，通过状态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——比如在一块特定的土地上获得高产和可能的高利润的多样化收获——并让系统探索状态空间，并产生可能的植物混合、放置和管理技术，以满足农民的标准。”
Raghavan将这一过程比作“与自然下国际象棋，但这是一个既竞争又合作的过程。”
“你在棋盘上移动，这是你的土地，大自然也在移动。害虫会吃掉一种作物;一场洪水会破坏另一场洪水。我们正在构建的是一个计算框架，它可以让你探索所有不同的方式，你可以和大自然‘下棋’，这样我们就可以为你的土地想出最好的办法。”
包括Raghavan在内的这个小组最近获得了美国农业部国家食品和农业研究所的资助，用于他们在这一领域的研究。现在，该团队正在与研究人员和农民一起研究可能的用例，以合并特定的用例，并开发可以轻松模拟和探索状态空间的软件。
参考文献:Bryan Runck, Adam Streed, Diane R Wang, Patrick M Ewing, Michael B Kantar Barath Raghavan，“农业的状态空间:一个元系统设计自动化框架”，2023年3月16日，PNAS Nexus。DOI: 10.1093 / pnasnexus / pgad084
