数据技术AIDS寻求节省表土

人类和气候变化以惊人的速度耗尽了地球的表土。科学家说，这不是猜测 - 这是一个可衡量的事实。如果世界继续以当前的农业技术的发展，世界上的农场将因未来50至100年的侵蚀而失去表土。到2050年，人类有望增长到90亿人口，农业产出需要几乎翻一番才能养活所有人。

最重要的是，土壤正在耗尽植物所需的营养。传统的施肥模型是不健康土壤的临时修复，并且是不可持续的。此外，当土壤被侵蚀时，它会失去使其对干旱和洪水等极端天气事件有弹性的结构。

但是，科学界正在进行一场革命，并拥有传感器，人工智能和云计算等信息技术的进步。这些数据技术已成为了解如何使土壤健康以及如何可持续保持这种方式的必要工具。

正如医学研究人员发现了我们肠道中细菌健康的深远影响一样，有些人称其为我们的第二个大脑一样，土壤微生物组研究人员正在获得对健康土壤构成的新深刻见解，在这里，细菌 - 数十亿茶匙土壤中- 控制植物健康的重要过程。

“我们对土壤微生物组非常感兴趣，”华盛顿州里奇兰（Richland）太平洋西北国家实验室的微生物组计算科学家瑞安·麦克卢尔（Ryan McClure）说。

“这就是所有这些微生物物种的集合，它们存在于土壤中，因为它具有许多真正关键的生态系统功能，例如碳，氮和促进植物生长的循环。”

人类种植了数千年的农作物不仅仅是污垢。几个世纪以来，有些古老的群体，例如玛雅人，祖尼或毛利人，有一个迹象，它的土壤不仅仅是遇到眼睛，而且实践了可持续农业的形式。

但是，大多数人类农业活动都依赖于当今仍在使用的原始技术，例如清理和耕作以及当今的基于化学的单一培养。最近科学领先精确农业借助物联网，机器人技术，AI，云和遥感技术等工具，开始转向全球可持续粮食生产。

通过研究，土壤微生物组科学将与生长食物不太相关的研究将其精确置于前所未有的水平。不久前的科学发现，细菌和真菌在植物健康中的作用比以前想象的要重要得多。它们是有助于植物从土壤中吸收营养和水的生物。麦克卢尔发现调查令人兴奋。他说，土壤不仅仅是我们添加诸如植物吃的肥料之类的投入的媒介。

麦克卢尔（McClure）在技术晴雨表播客访谈（下图）中说：“对其现场的原生和自然土壤的直接分析非常困难。”“很难收集数据。很难解释该数据。”

他的团队将土壤带入实验室，并在液体培养基中进行了分析。目的不一定是要发现存在哪些微生物，而是它们如何相互作用。这是通过将土壤样品进行66种不同的培养条件来完成的。McClure使用多种营养素，应激条件，氧气水平，抗生素和许多其他投入，在出现时见证了各种微生物物种的不同功能。

“现在，我们可以更深入地看待谁在其中，他们在做什么以及它们如何相互关系，以便我们可以更好地了解这66个独特的单个零件中的每个零件如何结合在一起整个土壤微生物组。”

进行此类研究需要捕获和分析大量数据。

“我们收集了metatranscriptomic数据，该数据告诉您表达哪些基因。然后，我们使用基于上下文，关联性的可能性的网络推理工具 - 因此，从本质上讲，在整个社区的背景下，相关性是如何相关的。”

他说：“了解土壤微生物学直接导致农产品的增长。”这些是进入像大脑或黑洞一样神秘的世界的第一步。尽管麦克卢尔（McClure）表明需要更多的研究 - 他说，每个问题都会产生两个问题 - 这种询问的实际结果可能更有效地利用了应用于土壤的细菌。

细菌产品已经在市场上，可以增强土壤的健康，这是超市在超市中获得培养基酸奶的方式，该方式可以通过有益的细菌填充我们的肠道。同样，将现成的细菌应用于土壤并不是一门精确的科学。McClure目前的研究可能导致高度特定的处方，这些处方与已知的微生物群落修复土壤。

他说：“我认为这可以通过太平洋西北国家实验室所做的一些工作来改进和完善。”

随着麦克卢尔（McClure）深入研究土壤微生物组的微小世界，爱荷华州立大学的科学家布拉德利·米勒（Bradley Miller）领导着地理空间实验室的土壤信息学实验室，使用地理空间技术来研究从地面20,000英尺的20,000英尺处的大面积土地上土壤的表土。

“技术正在为我们打开门，”米勒在技术晴雨表播客采访中说。“我们能够获取更多数据，查看更多，分析更多。”

他的专业是地貌学，是关于景观如何发展的研究。

米勒说：“通过了解地貌过程，我们能够开发模型，我们可以开始询问有关土壤景观将来将如何改变的问题。”

而且它正在快速变化。世界上的表土每年以每公顷13.5吨的速度侵蚀。将其描述为每年从一块农田上拖着面土的六辆全尺寸皮卡车，涉及国际橄榄球场的大小。

爱荷华州拥有世界上一些最有生产力的土壤。它也以全球平均速度降解，有些景点每公顷损失多达55吨。但是，爱荷华州正处于渴望解锁可持续侵蚀方法的土壤科学家的关注之下。

有多种方法来衡量土壤损失：物理比较田间上较高点和下点之间的样本核心，使用由该方法进行建模水侵蚀预测项目，测量河流或卫星跟踪中的沉积物负荷。

但是米勒的团队正在制作一种方法，该方法可以提供更详细，更全面的表土运动。使用LIDAR（光检测和射程），科学家希望从表面上检测到爱荷华州任何点的土壤运动。与当前模型相比，它成为一个基准，从而显着提高了准确性。如果他正在开发的过程有效，那么它可能是我们了解管理选择影响的能力的主要工具。

LIDAR是在自动驾驶汽车中用于检测物体的技术。当在飞机中用于映射地形时，揭示的是惊人的高程数据。从本质上讲，米勒可以使用前所未有的细节和测试土壤运动模型来衡量海拔的变化。

该州先前在十年前与LiDar绘制了映射，从而评估了变革。

他说：“我们将能够检查山坡侵蚀模型，然后尝试改进它们，以便我们实际上有信心预测真正的未来。”

“如果我们正确理解系统，我们应该能够使用适当的模型来真正预测景观将如何改变世界任何地方。”

米勒说，不仅来自激光雷尔，而且是通过模型对随着时间的流逝进行不同景观变化的预测，还有大量的数据处理。他的地理空间实验室使用各种技术（例如GIS）来分析空间数据和AI用于模式识别，并在本地数据中心运行，以使用云备份运行模型。

农业信息技术的世界充满了植物遗传学，室内种植，机器人现场维护，例如杂草控制，物联网叶子监测，肥料和农药的精确投入，土壤微生物组的发现和侵蚀研究，这是漫长列表中的一些例子。研究人员，农民，技术人员，AG公司和风险资本家敏锐地意识到要找到解决土壤降解问题的解决方案。

在各自的实验室中，麦克卢尔（McClure）和米勒（Miller）为使农业更具可持续性并有效地养活世界所需的解决方案做出了重要的增量贡献。

米勒说：“在科学方面，我们经常有这样的想法，即您在黑暗的房间里举起蜡烛，这就是您所看到的世界。”“但是，随着您提高那蜡烛的亮度，世界变得更大。对于我们正在探索的许多事情，无论是黑洞还是人脑甚至土壤，这都是一个类似的故事。当我们获得新工具时，我们有了新的方法来研究它，并更深入地挖掘了它。”

杰森·洛佩兹（Jason Lopez）是技术晴雨表的执行制片人，技术晴雨表是预测的播客渠道。他是互联社交媒体的创始人。以前，他曾是Podtech的执行制片人，也是NPR的记者。

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