AR1K Smart Farm. Ферма завтрашнего дня
В США в штате Арканзас находится фермерское хозяйство AR1K Smart Farm, которое может считаться самым передовым в мире. И хотя выращиваются там традиционные культуры - соевые бобы, кукуруза и рис, все стадии сельскохозяйственного производства проводятся с применением новейших научных и технических достижений. Почву обрабатывают в специальных машинах, которые заполняют ее нужными микроорганизмами, дроны летают над посадками, делая гиперспектральные снимки растений, а суперкомпьютеры будут обрабатывать огромные объемы собранных данных.
Ученые из Лаборатории Беркли (Berkeley Lab), работающие совместно с университетом Арканзаса надеются, что этот проект, объединяющий молекулярную биологию, биогеохимию, технологии экологического зондирования и машинное обучение, произведет революцию в сельском хозяйстве и создаст новые устойчивые методы растениеводства, которые приносят пользу как окружающей среде, так и человеку. В случае успеха проекта, уменьшится потребность в химических удобрениях и повысится поглощение почвой углерода, тем самым увеличится долгосрочная урожайность на возделываемой территории.
Основной частью исследования является анализ роли микроорганизмов в жизни почвы. Они являются важнейшим компонентом здоровья и производительности грунта, и если понять принципы их работы, то можно в конечном итоге создать сообщества микроорганизмов для повышения продуктивности почвы - “удобрять” нужно будет не химическими веществами, а приготовленными культурами микробов. Исследования Лаборатории Беркли показывают, что здоровые почвы более устойчивы к системным негативным факторам, таким как изменение климата, засуха и нашествие вредителей.
Ключевой задачей для достижения этих целей стало признание значительной пространственной изменчивости свойств грунта не только между разными участками, но и в пределах одного поля посадок. Проект «AR1K Smart Farm» собрал целый ряд ученых разных направлений, которые экспериментируют в хозяйстве площадью 1000 акров (около 400 гектар) в штате Арканзас, используя его в качестве гигантского испытательного стенда. Проект возглавляет Харуко Уэйнрайт (Haruko Wainwright), специалист в области экологического мониторинга и методологии оценки Земли и окружающей среды, а также Бен Браун (Ben Brown), эксперт в области машинного обучения и микробиологического анализа.
По прогнозам Организации Объединенных Наций мировое население вырастет к 2050 году до 9,8 миллиардов человек. Это потребуют повышения производства продуктов питания более чем на 70 процентов по отношению к сегодняшним показателям. Однако экстенсивные промышленно развитые методы ведения сельского хозяйства истощили большинство сельскохозяйственных угодий страны, экосистема грунта с естественными микроорганизмами и активным углеродом подавлена. Это характеризуется количеством органических вещества в почве, доля которых в большинстве современных сельскохозяйственных земель составляет лишь 1-2 процента, по сравнению с прежними историческими показателями в районе 10 процентов.
Наши современные хозяйства зависят очень сильно от генетически модифицированных семян, большого количества удобрений, химических гербицидов и пестицидов. Только с применением этого набора получается получить прибыль при посадках культурных растений. Для фермера эта зависимость повышает количество оборотных средств и значительно увеличивает экономический риск, оставшись без урожая из-за климатических катаклизмов, можно обанкротиться. Для землевладельцев истощенные почвы и методы химической обработки земли представляют собой опасность как экономической, так и экологической устойчивости.
Основываясь на предыдущих разработках, ученые проекта AR1K Smart Farm стремятся сделать безопасные добавки, как они сами называют “пробиотики для почвы”, которые призваны восполнить потерю углерода, фосфора и других питательных веществ. Неоднократное использование удобрений и химикатов, насыпаемых сверху на грунт в течение многих лет - истощает почвы и вызывает другие экологические повреждения. По сути создается порочный круг, когда без новых химикатов ничего не растет. Это делает текущую модель промышленного сельского хозяйства потенциально неустойчивой и все более дорогостоящей, поскольку каждый год требуется все больший объем удобрений для восполнения запасов нужных элементов.
Более того, мировые запасы фосфора ограничены, это значит, что удобрения будут стоить все дороже. Однако хорошая новость заключается в том, что есть множество микроорганизмов, которые имеют в своем составе ферменты - фитазы, способные к гидролизу фитиновой кислоты, содержащей фосфор. Это делает его легкодоступным для растений, а значит требуется меньший объем удобрений.
Браун рассказал, что концепция микробных добавок не нова, существуют и коммерческие продукты, но пока нет обширных исследований и полного понимания механизмов работы микроорганизмов в почве. В кубическом сантиметре грунта миллионы видов, но для растений полезными являются только десятки из них. Сами растения по сути занимаются возделыванием полезных для себя микробов, они выделяют противомикробные вещества для выборочного уничтожения нежелательных видов, и питательные элементы для стимулирования нужных. Этот симбиоз - чрезвычайно сложное взаимодействие, в котором ученые пока ничего толком не знают и только начинают разбираться.
Задача исследователей заключаться в выяснении причинно-следственных связей между микробными добавками и ростом, урожайностью растений. Нужно попытаться связать процессы, происходящие на молекулярном уровне в почве с жизнью растений в течение шестимесячного вегетационного периода. Это очень сложные нетривиальные вычисления, что-то вроде 18-мерного пространства. Именно поэтому к работе привлечены специалисты по машинному обучению.
Гиперспектральные датчики на беспилотных летательных аппаратах обнаруживают светоотражение от растений и анализируют сотни разных спектров от видимого до инфракрасного диапазона. В отличие от человеческого глаза, которые может лишь определить, выглядит лист желтым или зеленым, дроны позволяют измерять с большого расстояния содержание углерода и азота, эта информация может многое рассказать о состоянии посадок, болезнях растений и химических процессах, влияющих на будущую урожайность.
Кроме того, поверхностные геофизические методы используются для измерения электростатических свойств почвы, что является показателем микробной деятельности внутри грунта.
Все данные пытаются соединить вместе в одной самообучающейся системе. Конечная цель ученых - создать эффективную работающую схему по наблюдению за возделываемыми землями и по эффективной их обработке, внесению только необходимых и безопасных для экосистемы удобрений.
Несмотря на присутствие в продаже удобрений с микроорганизмами, нет достоверных данных о том, как они работают, нет долгосрочных наблюдений. Производители коммерческих продуктов не готовы делиться своей информацией, а значит проверку и выводы должны сделать исследователи. Перед ними стоит задача огромной сложности, но они уверены, что справятся с этим. Тело человека не может прожить без населяющих его микроорганизмов, оказывается и почва зависит от них не меньше. Понимание происходящих там процессов позволит совершить качественный прорыв в сельском хозяйстве, и над этим работают в AR1K Smart Farm.
