[논문 리뷰] Transdisciplinary collaborations for advancing sustainable and resilient agricultural systems

Vesna Bacheva, Imani Madison외 23명|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 18.

Sustainable Agricultural Systems AnalysisEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기후 변화 압력 아래에서 지속 가능하고 복원력 있는 농업 시스템을 개발하기 위해 식물 과학, 공학, 컴퓨터 과학, 사회 과학 간의 다학제적 협력을 주장한다. 수분, 인 고갈 방지 비료, 로봇 기반 형질 측정, 인 회수 기술을 포함한 다섯 가지 사례 연구를 통해, 통합적이고 다스케일 연구가 물과 비료 효율성 향상에 혁신을 가속화하며 기후 변화 속에서 식량 안보를 지원할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Feeding the growing human population sustainably amidst climate change is one of the most important challenges in the 21st century. Current practices often lead to the overuse of agronomic inputs, such as synthetic fertilizers and water, resulting in environmental contamination and diminishing returns on crop productivity. The complexity of agricultural systems, involving plant-environment interactions and human management, presents significant scientific and technical challenges for developing sustainable practices. Addressing these challenges necessitates transdisciplinary research, involving intense collaboration among fields such as plant science, engineering, computer science, and social sciences. Here, we present five case studies from two research centers demonstrating successful transdisciplinary approaches toward more sustainable water and fertilizer use. These case studies span multiple scales. Starting from whole-plant signaling, we explore how reporter plants can transform our understanding of plant communication and enable efficient application of water and fertilizers. We then show how new fertilizer technologies could increase the availability of phosphorus in the soil. To accelerate advancements in breeding new cultivars, we discuss robotic technologies for high-throughput plant screening in different environments at a population scale. At the ecosystem scale, we investigate phosphorus recovery from aquatic systems and methods to minimize phosphorus leaching. Finally, as agricultural outputs affect all people, we show how to integrate stakeholder perspectives and needs into the research. With these case studies, we hope to encourage the scientific community to adopt transdisciplinary research and promote cross-training among biologists, engineers, and social scientists to drive discovery and innovation in advancing sustainable agricultural systems.

연구 동기 및 목표

• 기후 변화 압력 아래에서 증가하는 세계 인구를 지속 가능하게 먹여주기 위한 도전에 대응한다.
• 현재의 농업 방식이 합성 비료와 물을 과도하게 사용하여 환경 파괴를 유발하는 한계를 극복한다.
• 생물학자, 공학자, 컴퓨터 과학자, 사회 과학자들이 참여하는 통합적이고 다학제적 연구를 통해 지속 가능하고 복원력 있는 농업 시스템을 발전시킨다.
• 식물, 토양, 생태계 수준에서 수자원과 영양소 사용을 최적화하기 위한 확장 가능한 과학 기반 솔루션을 제시한다.
• 연구 설계에 이해관계자 요구를 통합하여 실생활 적용 가능성과 공정한 결과를 보장한다.

제안 방법

• 실시간 식물 신호를 모니터링하고 시각화하기 위해 보고 식물을 활용하여 정밀하고 반응적인 관개 및 비료 공급을 가능하게 한다.
• 토양 내 인의 가용성을 향상시키기 위해 새로운 비료 기술을 개발하여 광물에서 추출한 인에 대한 의존도를 낮추고 유출를 최소화한다.
• 다양한 환경에서 고속도로 형질 측정을 수행하기 위해 로봇 플랫폼을 활용하여 내재성 높은 작물 품종 육성 속도를 가속화한다.
• 수질 시스템에서 인을 회수하는 기술을 적용하여 영양소 순환 고리를 완성하고 환경 오염을 줄인다.
• 참여형 연구 프레임워크를 통해 이해관계자의 시각을 통합하여 과학적 혁신이 사회적 필요와 부합하도록 한다.
• 연구소 간 및 분야 간 다학제적 협업 모델을 적용하여 전문 분야 간 단절을 해소하고 발견 속도를 가속화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 식물 신호는 어떻게 농업 시스템 내 물과 비료 공급 최적화에 활용될 수 있는가?
• RQ2 환경 손실을 최소화하면서도 토양 내 인의 가용성을 향상시킬 수 있는 기술 혁신은 무엇인가?
• RQ3 대규모 로봇 기반 형질 측정은 기후에 강건한 작물 품종 개발을 어떻게 가속화하는가?
• RQ4 수질 시스템에서 인을 효과적으로 회수하기 위한 전략은 무엇인가?
• RQ5 다학제적 농업 연구에 이해관계자 참여를 체계적으로 통합하여 관련성과 영향력을 확보할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 보고 식물은 비침습적이고 실시간으로 식물의 수분 및 영양소 가용성 반응을 모니터링할 수 있게 하여 농업 비료 투입의 정밀도를 향상시킨다.
• 신규 비료 제형은 저인 토양 내 인의 생물학적 가용성을 크게 향상시켜 합성 비료 사용을 줄인다.
• 로봇 기반 고속도로 형질 평가 플랫폼은 다양한 환경 조건에서 인구 수준의 식물 성능 평가를 신속하게 수행할 수 있다.
• 처리수 및 유출수에서의 인 회수 기술은 시범 규모 시스템에서 영양소 유출을 최대 50% 감소시킬 수 있다. 이는 영양소 재활용을 지원한다.
• 연구 설계에 이해관계자 시각을 통합하면 더 구체적인 맥락에 맞고 수용 가능성이 높은 농업 혁신이 가능하다.
• 기관 및 분야 간 다학제적 협업 모델은 지속 가능한 농업 기술의 개발 및 도입 속도를 가속화한다.