近日，南京農業(yè)大學資環(huán)學院農業(yè)資源環(huán)境遙感信息組在Water Research上發(fā)表了題為“Synchronous monitoring agricultural water qualities and greenhouse gas emissions based on low-cost Internet of Things and intelligent algorithms”的研究論文(DOI: 10.1016/j.watres.2024.122663)。

研究團隊開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能算法的水質和溫室氣體排放同步監(jiān)測系統(tǒng)(WG-IoT-MS)。該系統(tǒng)配備了低成本傳感器并集成了智能算法，能夠實時監(jiān)測溶解態(tài)氧化亞氮濃度。結合水-氣界面擴散理論，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對農業(yè)水體二氧化碳和氧化亞氮排放的有效監(jiān)測和模擬，并將監(jiān)測成本降低了約60%。研究成果為農業(yè)水環(huán)境和溫室氣體同步監(jiān)測提供了一種新思路和新技術。

農業(yè)水質和溫室氣體排放的同步監(jiān)測對于評估農業(yè)活動的環(huán)境影響至關重要。然而，傳統(tǒng)的水質和溫室氣體監(jiān)測方法存在成本高、便攜性差、人力需求大等問題。研究團隊開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能算法的水質和溫室氣體排放同步監(jiān)測系統(tǒng)（WG-IoT-MS）（圖1）。通過分析關鍵參數(shù)與溶解態(tài)氧化亞氮濃度的相關性，采用基于徑向基函數(shù)的支持向量回歸（SVR-rbf）建立溶解態(tài)氧化亞氮濃度預測模型。該系統(tǒng)采用Arduino Mega2560作為微控制器，通過GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并使用太陽能供電確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行（圖2）。

圖2 WG-IoT-MS：（a）系統(tǒng)電路連接圖，（b）系統(tǒng)內部圖，（c）池塘監(jiān)控展示

研究結果表明（圖3），該系統(tǒng)對二氧化碳和氧化亞氮排放通量的監(jiān)測結果與傳統(tǒng)浮箱法具有良好的一致性（R2> 0.7）。在不同時間點，兩個稻田監(jiān)測點二氧化碳和氧化亞氮排放通量模擬值與測量值的平均絕對誤差（MAE）的差分別為7.16 mg C/(m2·h)and 2.01g N/(m2·h)，實現(xiàn)了低成本、便攜式的二氧化碳和氧化亞氮排放通量監(jiān)測。

圖3二氧化碳和氧化亞氮排放通量觀測值與模擬值：稻田（B1和B2）為例

南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院為論文第一完成單位，博士生張華瞻為論文第一作者，高翔副教授為論文通訊作者，南京農業(yè)大學鄒建文教授、丁艷鋒教授、姜小三教授、熊正琴教授、王松寒教授、王金陽副教授、生態(tài)環(huán)境部遙感應用中心王雪蕾研究員、南京大學李文濤副教授等共同參與了該項研究。該研究依托南京農業(yè)大學農業(yè)農村部東南沿海農業(yè)綠色低碳重點實驗室和南京農業(yè)大學泰州研究院，受國家自然科學面上基金、江蘇省碳達峰碳中和科技創(chuàng)新專項、江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新項目、南京農業(yè)大學高層次人才引進啟動基金和江蘇省研究生科研實踐創(chuàng)新計劃資助。

論文鏈接:https://authors.elsevier.com/a/1j--M9pi-e2qC