Drönare som övervakar fält för ogräs och robotar som riktar in sig på och behandlar växtsjukdomar kan låta som science fiction, men det händer faktiskt redan, åtminstone på vissa experimentgårdar. Forskare från PhenoRob Cluster of Excellence vid universitetet i Bonn arbetar med att driva framåt den smarta digitaliseringen av jordbruket och har nu publicerat en lista över de forskningsfrågor som kommer att behöva prioriteras i framtiden. Deras artikel visas i European Journal of Agronomy .
Att jorden föder över 8 miljarder människor nuförtiden är inte minst tack vare det moderna högpresterande jordbruket. Denna framgång kommer dock till en hög kostnad. De nuvarande odlingsmetoderna hotar den biologiska mångfalden, medan produktionen av syntetiska gödselmedel genererar växthusgaser, och jordbrukskemikalier förorenar vatten och miljö.
Många av dessa problem kan mildras genom att använda mer riktade metoder, t.ex. genom att endast applicera herbicider på de fläckar på ett fält där ogräs faktiskt blir ett problem snarare än att behandla hela området. Andra möjligheter är att behandla sjuka grödor individuellt och enbart sprida gödsel där det verkligen behövs. Ändå är strategier som dessa extremt komplicerade och praktiskt taget omöjliga att hantera i stor skala med konventionella metoder.
"Ett svar kan vara att använda smart digital teknik", förklarar Hugo Storm, medlem i PhenoRob Cluster of Excellence. Universitetet i Bonn har samarbetat med Forschungszentrum Jülich, Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing i Sankt Augustin, Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research i Müncheberg och Institutet för sockerbetsforskning i Göttingen i det storskaliga projektet inriktat på att göra jordbruk. effektivare och mer miljövänlig med hjälp av ny teknik och artificiell intelligens (AI).
Forskarna kommer från alla möjliga olika områden, inklusive ekologi, växtvetenskap, markvetenskap, datavetenskap, robotik, geodesi och jordbruksekonomi. I sitt nyligen publicerade positionsdokument anger de de steg som de anser måste prioriteras på kort sikt.
"Vi har identifierat några viktiga forskningsfrågor," säger Storm. En av dessa handlar om att övervaka jordbruksmark för att upptäcka eventuella näringsbrist, ogrästillväxt eller skadedjursangrepp i realtid. Satellitbilder ger en grov överblick, medan drönare eller robotar möjliggör mycket mer detaljerad övervakning. Den senare kan täcka ett helt fält systematiskt och till och med registrera tillståndet för enskilda växter i processen.
"En svårighet ligger i att koppla ihop alla dessa uppgifter", säger Storms kollega Sabine Seidel, som koordinerat publiceringen tillsammans med honom:"Till exempel, när räcker det med en låg upplösning? När behöver saker och ting bli mer detaljerade? Hur behöver drönare flyga för att uppnå maximal effektivitet när det gäller att se alla grödor, särskilt de som är i riskzonen?"
De inhämtade uppgifterna ger en bild av den aktuella situationen. Bönderna är dock främst intresserade av att väga upp olika potentiella strategier och deras möjliga konsekvenser:hur många ogräs tål min gröda och när behöver jag ingripa? Var behöver jag sprida gödsel och hur mycket ska jag lägga ner? Vad skulle hända om jag använde mindre bekämpningsmedel?
"För att svara på frågor som dessa måste du skapa digitala kopior av din jordbruksmark, så att säga," förklarar Seidel. "Det finns flera sätt att göra detta. Något som forskarna fortfarande behöver ta reda på är hur man kan kombinera de olika tillvägagångssätten för att få mer exakta modeller." Lämpliga metoder behöver också utvecklas för att utifrån dessa modeller formulera rekommendationer till åtgärder. Tekniker som lånats från maskininlärning och AI har en stor roll att spela inom båda dessa områden.
Om växtodlingen verkligen ska omfatta denna digitala revolution måste de människor som faktiskt kommer att omsätta den i handling – bönderna – också vara övertygade om dess fördelar. "Framöver kommer vi att behöva fokusera mer på frågan om vilka underliggande förutsättningar som behövs för att säkerställa denna acceptans", säger professor Heiner Kuhlmann, geodesist och en av Cluster of Excellences två talare vid sidan av chefen för dess robotikgrupp professor Cyrill Stachniss.
"Du kan erbjuda ekonomiska incitament eller sätta lagliga gränser för att använda gödningsmedel, till exempel." Effektiviteten av verktyg som dessa, antingen ensamma eller i kombination, kan också mätas nuförtiden med hjälp av datormodeller.
I sin uppsats använder forskarna från PhenoRob också exempel för att visa vad nuvarande teknologier redan kan göra. Till exempel kan en "digital tvilling" av områden under odling skapas och matas med en stadig ström av olika typer av data med hjälp av sensorer, t.ex. för att upptäcka rottillväxt eller frigöring av gasformiga kväveföreningar från marken.
"På medellång sikt kommer detta att möjliggöra att nivåerna av kvävegödselmedel som appliceras kan anpassas till grödornas behov i realtid beroende på hur näringsrik en viss plats är", tillägger professor Stachniss. På vissa håll är därför den digitala revolutionen inom jordbruket redan närmare än man kan tro.
Mer information: Hugo Storm et al, Forskningsprioriteringar för att utnyttja smart digital teknik för hållbar växtodling, European Journal of Agronomy (2024). DOI:10.1016/j.eja.2024.127178
Tillhandahålls av University of Bonn
