基于LoRa物联网的智慧农业助力实现碳达峰、碳中和的探索及研究

郭天一，靳继红，刘淑芝

焦作师范高等专科学校，河南焦作，454000

0 引言

电力、工业、交通等是我国碳排放的主要来源和重点关注行业，但是农业所造成的碳排放同样不容忽视。农业是全球碳排放的主要贡献者之一[1-2]，联合国气候变化框架公约的数据显示，农业领域碳排放量占全球碳排放总量的比重约为13%。同时，农业具有强大的碳汇功能，能够中和大量的二氧化碳以及其他温室气体。因此，农业领域对于我国实现“双碳”目标意义重大。

1 农业在“双碳”目标中的地位及困境

1.1 农业在“双碳”目标中的地位

（1）农业碳排放量不容小觑

我国历来是农业大国，农业是国民经济的基石，正所谓“强国必先强农，农强方能国强”。而气候变化给农业生产、粮食保障以及食品安全都带来了极大的挑战[3]。农业领域的碳排放主要来源是农业投入品使用、农业能源消耗以及农业废弃物处理等[4]。

（2）农业碳汇潜力巨大

农业自身具有生态作用，在其运转过程中，利用光合作用等能够抵消80%因农业活动产生的温室气体排放量，实现了系统内部的自我循环[5]。因此，农业很有可能成为唯一实现“零碳排放”，从而可为其他高碳领域提供碳中和价值[6]。

根据碳交易的规则和模式，农业碳汇将成为碳配额的重要因素[7]，这对于“双碳”目标的如期实现具有重大意义。

1.2 农业领域碳减排面临的困境

我国农业领域碳减排量居高不下，分析其原因主要有以下三点。

（1）农业生产要素投入过量和能源消耗过度，尤其是过量施用化肥以及高度消耗农场能源[8]。

（2）农业资源利用率低。化肥有效利用率仅40%左右。世界银行的数据显示，全球超过70%的淡水用于农业灌溉[9]，而我国的农田灌溉系数较低，造成了大量的水资源浪费。这种低下的农业资源利用水平，不仅严重浪费了资源，而且增加了农业碳排放量[10]。

（3）农业活动影响的不确定性以及农业减排路径的不确定性。究其本质在于农业碳排放信息不对称、数据不充分以及精准监测和预测能力不足。

2 农业领域减排增汇的思路

农业领域实现碳达峰、碳中和可以从降低碳排放量以及增加农业碳汇两方面同步推进。

经合组织开展的调查显示，近年来发达国家出台的一系列农业减排政策措施的共同点之一就是重视利用数字技术，实施精准技术，提升对农业温室气体排放源的实时监控和分析，从而从源头上控制农业温室气体的排放，达到减排与高产的双重成效[10]。

2020年，全球气候行动峰会发布的《指数气候行动路线图》指出，数字技术在能源、制造业、农业和交通等领域的解决方案，已经帮助全球减少15%的碳排放[11]。智慧农业正是数字技术在农业领域的应用之一。

智慧农业是现代农业发展的高级阶段，利用智能感知、分析和控制等数字技术，精准服务农业生产经营主体的决策行为，减少化学品投入、降低能耗、减少资源浪费等，进而实现碳减排的效果[11]。同时，智慧农业通过精准投放生产要素、智能调控作物生长环境等方式还可以改善土壤性质结构，提升土壤的固碳能力，增加农业碳汇潜力。因此，利用物联网和大数据等数字技术赋能智慧农业，是农业领域减排增汇的必然趋势和重要途径。

3 物联网技术赋能智慧农业减排增汇的应用

基于物联网的系统架构，结合LoRa、区块链、人工智能和大数据等技术，设计集信息采集、传输、处理和应用为一体的智慧农业助力碳达峰、碳中和系统框架，包括数据基础设施、数据处理中心和智慧应用三大模块。

数据基础设施由碳监测设备、执行设备和网络设备组成，利用传感器、摄像头等监测设备采集作物种植生长相关环境信息以及碳足迹信息，并基于LoRaWAN协议将监测信息汇集于LoRa网关，通过外接5G网络传输至数据处理中心的云平台和服务器。

在数据处理中心对接收到的信息进行处理分析，并存储于相关数据库中，如碳排放数据库等；同时，将作物种植、加工和流通信息上传至区块链系统，为碳交易市场提供翔实的数据信息。

在智慧应用模块中，利用云平台或服务器中的有关数据信息可以实现多种应用，如：环境监测、远程控制、碳足迹监测等；另外还可以利用可视化技术在手机、计算机、平板、大屏等终端上显示“双碳”相关数据信息，如：碳交易统计等。

基于LoRa物联网的智慧农业助力碳达峰、碳中和的系统框架设计如图1所示。

图1 基于LoRa 物联网的智慧农业助力碳达峰、碳中和系统框架图

基于以上分析，物联网助力智慧农业减排增汇的应用包括以下六个方面。

（1）物联网助力监测智慧农业碳排放

监测农业温室气体排放量，构建农业碳排放系统监测体系[12]，是实现农业碳中和的前提。2022年生态环境部出台的《“十四五”生态环境监测规划》提出要提升大数据监测水平，要运用区块链和物联网技术实现监测全过程信息封闭式采集、存储和追溯，要建设智慧监测平台。基于物联网的智慧农业可以利用各类农业传感器实时采集农业环境以及土壤相关信息，同时实现自动核算和推送的功能，因此，智慧农业不仅可以实现实时监测和远程控制等相关功能，而且能够披露农业相关的碳足迹信息以及预测农业碳排放量，最终达到农业碳排放泛在感知效果[13]。

（2）物联网助力构建农业碳交易市场

碳交易市场以市场化的方式倒逼经营主体主动减少碳排放量，从而可以将多余的碳排放配额放到市场上交易以获取部分收益。碳交易的关键前提是碳信息的有效性和可披露性，如果这些数据完全由经营主体进行上报，那么将很难保证数据的完整性和准确性；另外，农业经营主体之间以及相关管理部门之间存在“数据孤岛”的现象，而基于物联网技术的实时监测，以及区块链技术的“数据可溯源、不可篡改、共同维护”等技术特性，可以构建公平可信的碳交易市场，打破数据壁垒，进而助力碳中和目标的实现。其次，在智慧农业系统中，二氧化碳传感器可以检测周围环境中的二氧化碳浓度，不仅可以估算出二氧化碳排放量，而且还可以将二氧化碳浓度值根据相关规则转化为碳货币，在碳交易市场进行流通，从而达到控制碳排放量、助力碳中和的效果[14]。

（3）物联网助力制定合适的农业碳减排方案

物联网技术提供的农业碳足迹信息可以帮助经营主体了解碳排放的分布趋势、碳减排的切入点等，结合人工智能技术的AIoT技术还可以预测碳排放总量，同时帮助经营主体制定合适的减排目标和减排方案，达到经济发展和碳减排之间的平衡。

（4）物联网技术助力农业碳排放数据可视化显示

利用物联网传感器采集的各项碳足迹信息，智能计算分析农业碳排放数据，同时将相关数据信息以可视化的形式在大屏、手机、计算机等终端界面进行显示，可以使管理者摸清碳排放家底，同时对碳排放量较多的环节或者区域进行预警，还可以对比显示一段时间内的减排数据，助力分析农业减排成效。

（5）物联网助力增强农业碳汇潜力

降低农业碳源排放量、挖掘农业碳汇潜力是实现农业碳中和目标的重要手段。基于物联网技术的智慧农业可以通过精准施肥以及科学管理来改善土壤性质、提升土壤固碳储碳能力，从而进一步提升农业在碳中和进程中的能效水平[8]。

（6）物联网助力搭建农业“双碳”数据库

通过物联网的传感器等终端设备实时采集作物生长的碳足迹数据，对数据进行清洗处理之后，利用区块链技术将其上链，同时将作物的加工、运输、销售等环节的碳足迹数据也进行上链，保证农业全产业链数据全程可追溯。这样不仅能够帮助农业管理者了解农业全产业链的碳足迹信息，为下一步的精准减排提供数据支撑和决策依据，而且结合大数据、人工智能等技术可以搭建各类农业“双碳”相关数据库，比如：碳足迹数据库、碳核算数据库等。

4 物联网助力智慧农业碳达峰、碳中和的建议

目前，我国智慧农业发展势头良好，在减排增汇方面取得了一定的成效，但是远远达不到实现碳中和目标的减排要求。基于此，笔者提出以下几点建议。

（1）加强顶层设计

智慧农业具有明显的正外部性，但我国小农户数量众多，他们实施智慧农业的成本过高，而且由于短期内难以取得收益而往往实施智慧农业的积极性不高。因此，发展智慧农业，不仅需要土地集中，而且需要政府牵头在农业领域实施数字技术发展智慧农业。其次，各地区农业发展以及资源禀赋各有特色，实现“双碳”目标要立足地方实情，因地制宜制定农业减排政策；同时，在农业减排的进程中，需要兼顾正常的经济发展和人民生活需求，不能单纯地以减排数据为导向，而是要实现减排和发展之间的平衡。

（2）加快农业产业数字化升级

利用新一代信息技术对农业的全产业链进行改造，将物联网等技术渗透在种植、加工、流通以及销售各个环节，实现对碳排放数据的智能采集、分析、核算和应用的全生命周期管理，从而加快传统农业的数字化和智慧化转型升级，从源头上降低农业碳排放量。

（3）构建农业碳交易市场

基于物联网和区块链技术构建农业碳交易市场，增强碳排放配额分配的透明度，完善碳交易市场信息披露制度[15]，理清碳汇交易管理措施，以市场机制来调控碳交易，提升农业碳市场的交易能力，从而进一步促进碳减排。

（4）增强农业碳汇功能

科学的农业管理和农业利用可以提升土壤养分含量，改善土壤性质结构，增强土壤碳库能力，提高土壤储碳量，从而转变为农业碳汇功能[8]。

（5）深化产学研结合

加快农业减排和农业碳汇的相关研究成果的转化速度，消除产学研三者之间的转化障碍，降低转化成本，促进技术的应用推广[16]。

5 结语

农业是我国实现“双碳”目标的重要领域之一，农业既是温室气体排放源，同时也是巨大的碳汇系统，农业的双重属性使其在实现“双碳”目标进程中的作用不容小觑。目前农业碳减排方面的研究比较重视发展规划而忽视基础支撑数据，本文将物联网技术应用于农业领域发展智慧农业，实现从源头上掌握碳排放和碳汇的具体情况，不仅可以降低农业领域碳排放量，而且可以增强农业碳汇能力，还可以为农业领域“双碳”目标的实现提供数据支撑，进而助力我国如期实现碳达峰、碳中和目标。