人类已经重新配置了世界上一半的土地，只种植八种主要作物:玉米(玉米)、大豆、小麦、水稻、木薯、高粱、红薯和土豆。它们占世界上人们消耗的卡路里的绝大部分。随着全球人口的增长，有进一步扩大生产的压力。

许多专家认为，进一步扩大现代工业化农业——严重依赖合成肥料、化学农药和高产种子——并不是养活不断增长的世界人口的正确方式。在他们看来，这种方法在生态和经济上都是不可持续的，农民和科学家都觉得自己被这个系统困住了。

社会如何才能发展一种既能满足自身需求，又更加健康和多样化的粮食系统?事实证明，要像工业化农业那样广泛推广有机农业等替代方法是很困难的。

在最近的一项研究中，我们从计算机科学家和作物科学家的角度考虑了这个问题。我们和我们的同事Bryan Runck, Adam Streed, Diane R. Wang和Patrick M. Ewing提出了一种重新思考农业系统是如何设计和实施的方法，使用计算机科学的一个核心思想——抽象——总结数据和概念并以计算方式组织它们，这样我们就可以分析它们并采取行动，而不必经常检查它们的内部细节。

现代农业在20世纪中期的短短几十年里得到了加强，这在人类历史上只是一眨眼的功夫。技术进步引领了这条道路，包括合成肥料的发展和改善植物育种的统计方法。

这些进步使农场能够生产更多的食物，但代价是破坏环境。大规模农业推动了气候变化，污染了湖泊和海湾，使营养物流失，并通过将自然景观变成单一作物田而加速了物种损失。

许多美国农民和农业研究人员希望种植更广泛的作物，并使用更可持续的耕作方法。但他们很难弄清楚哪些新系统可以表现良好，尤其是在气候变化的情况下。低影响的农业系统通常需要深入的当地知识，以及对植物、天气和气候模型、地质等的百科全书式理解。

这就是我们的新方法的用武之地。

当计算机科学家思考复杂问题时，他们经常使用一个称为状态空间的概念。这种方法在数学上表示了可以配置系统的所有可能方法。在空间中移动需要做出选择，而这些选择会改变系统的状态，或好或坏。

举个例子，考虑一个棋盘和两个玩家的国际象棋游戏。在某一时刻，棋盘的每一种配置都是游戏的一种状态。当玩家采取行动时，游戏便会进入另一种状态。

整个游戏可以用它的“状态空间”来描述——通过玩家的有效移动，游戏可能处于的所有可能状态。在游戏过程中，每个玩家都在寻找对自己更有利的状态。

我们可以把农业系统看作是一个特定生态系统中的一个状态空间。一个农场和它在任何时刻的植物种类布局都代表了该状态空间中的一种状态。农民正在寻找更好的状态，并试图避免坏的状态。

人类和自然都会把农场从一个状态转移到另一个状态。在任何一天，农民都可能在土地上做十几件不同的事情，比如耕作、种植、除草、收割或施肥。自然会导致轻微的状态转变，比如植物生长和降雨，而在洪水或野火等自然灾害期间，则会导致更剧烈的状态转变。

将农业系统视为国家空间，使农民有可能在当今农业系统提供的有限选择之外扩大选择。

个别农民没有时间或能力在他们的土地上进行多年的试验和错误。但是，计算系统可以从许多不同的环境和思想流派中汲取农业知识，与自然下一盘比喻性的国际象棋，帮助农民确定他们土地的最佳选择。

传统农业将农民限制在几种植物品种、耕作方法和投入物的选择范围之内。我们的框架使考虑更高层次的策略成为可能，例如一起种植多种作物或寻找最适合特定土地的管理技术。用户可以搜索状态空间来考虑哪种方法、物种和区域的组合可以实现这些目标。

例如，如果一位科学家想要测试五种作物轮作——在同一块土地上种植计划好的作物序列——每四年种植七种植物，那就代表了721种潜在的轮作。我们的方法可以利用长期生态研究的信息来帮助找到最佳的潜在系统进行测试。

间作是我们看到巨大潜力的一个领域——将不同的植物混合种植或紧密种植。人们早就知道，许多特定植物的组合可以很好地生长在一起，每种植物都以某种方式帮助其他植物。

最熟悉的例子是美洲土著农民培育的“三姐妹”——玉米、南瓜和豆类。玉米秸秆为攀缘的豆藤提供了棚架，而南瓜叶为地面遮荫，保持地面湿润，防止杂草发芽。豆类植物根部的细菌为这三种植物提供氮，这是一种必需的营养物质。

人类历史上的文化都有自己喜欢的具有类似协同效应的间作系统，比如姜黄和芒果，或者小米，豇豆和红枣。关于农业发电的新研究表明，将太阳能电池板和农业结合起来可以取得惊人的好效果:太阳能电池板部分地为下面生长的作物遮阳，农民通过在自己的土地上生产可再生能源获得额外收入。

我们正在努力将我们的框架转化为软件，人们可以用它来将农业建模为状态空间。其目标是使用户能够根据自己的直觉考虑替代设计，最大限度地减少现在在农业中测试新想法所需的昂贵的试验和错误。

今天的方法主要是模拟和追求现有的，往往是不可持续的农业系统的优化。我们的框架能够发现新的农业系统，然后在这些新系统中进行优化。

用户还可以向基于人工智能的代理指定他们的目标，该代理可以搜索农场状态空间，就像它可能搜索棋盘的状态空间以选择获胜的动作一样。

与一个世纪前相比，现代社会可以接触到更多的植物物种，也可以获得更多关于不同物种和环境如何相互作用的信息。在我们看来，农业系统在利用所有这些知识方面做得还不够。在快速变化的世界中，将其计算结合起来可以帮助提高农业的生产力、健康程度和可持续性。

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