基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和的探索及研究

郭天一，靳繼紅，劉淑芝

焦作師范高等?？茖W校，河南焦作，454000

0 引言

電力、工業(yè)、交通等是我國碳排放的主要來源和重點關(guān)注行業(yè)，但是農(nóng)業(yè)所造成的碳排放同樣不容忽視。農(nóng)業(yè)是全球碳排放的主要貢獻者之一[1-2]，聯(lián)合國氣候變化框架公約的數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳排放量占全球碳排放總量的比重約為13%。同時，農(nóng)業(yè)具有強大的碳匯功能，能夠中和大量的二氧化碳以及其他溫室氣體。因此，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谖覈鴮崿F(xiàn)“雙碳”目標意義重大。

1 農(nóng)業(yè)在“雙碳”目標中的地位及困境

1.1 農(nóng)業(yè)在“雙碳”目標中的地位

（1）農(nóng)業(yè)碳排放量不容小覷

我國歷來是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基石，正所謂“強國必先強農(nóng)，農(nóng)強方能國強”。而氣候變化給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食保障以及食品安全都帶來了極大的挑戰(zhàn)[3]。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的碳排放主要來源是農(nóng)業(yè)投入品使用、農(nóng)業(yè)能源消耗以及農(nóng)業(yè)廢棄物處理等[4]。

（2）農(nóng)業(yè)碳匯潛力巨大

農(nóng)業(yè)自身具有生態(tài)作用，在其運轉(zhuǎn)過程中，利用光合作用等能夠抵消80%因農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的溫室氣體排放量，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部的自我循環(huán)[5]。因此，農(nóng)業(yè)很有可能成為唯一實現(xiàn)“零碳排放”，從而可為其他高碳領(lǐng)域提供碳中和價值[6]。

根據(jù)碳交易的規(guī)則和模式，農(nóng)業(yè)碳匯將成為碳配額的重要因素[7]，這對于“雙碳”目標的如期實現(xiàn)具有重大意義。

1.2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳減排面臨的困境

我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳減排量居高不下，分析其原因主要有以下三點。

（1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素投入過量和能源消耗過度，尤其是過量施用化肥以及高度消耗農(nóng)場能源[8]。

（2）農(nóng)業(yè)資源利用率低?；视行Ю寐蕛H40%左右。世界銀行的數(shù)據(jù)顯示，全球超過70%的淡水用于農(nóng)業(yè)灌溉[9]，而我國的農(nóng)田灌溉系數(shù)較低，造成了大量的水資源浪費。這種低下的農(nóng)業(yè)資源利用水平，不僅嚴重浪費了資源，而且增加了農(nóng)業(yè)碳排放量[10]。

（3）農(nóng)業(yè)活動影響的不確定性以及農(nóng)業(yè)減排路徑的不確定性。究其本質(zhì)在于農(nóng)業(yè)碳排放信息不對稱、數(shù)據(jù)不充分以及精準監(jiān)測和預(yù)測能力不足。

2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域減排增匯的思路

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達峰、碳中和可以從降低碳排放量以及增加農(nóng)業(yè)碳匯兩方面同步推進。

經(jīng)合組織開展的調(diào)查顯示，近年來發(fā)達國家出臺的一系列農(nóng)業(yè)減排政策措施的共同點之一就是重視利用數(shù)字技術(shù)，實施精準技術(shù)，提升對農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源的實時監(jiān)控和分析，從而從源頭上控制農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放，達到減排與高產(chǎn)的雙重成效[10]。

2020年，全球氣候行動峰會發(fā)布的《指數(shù)氣候行動路線圖》指出，數(shù)字技術(shù)在能源、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等領(lǐng)域的解決方案，已經(jīng)幫助全球減少15%的碳排放[11]。智慧農(nóng)業(yè)正是數(shù)字技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用之一。

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，利用智能感知、分析和控制等數(shù)字技術(shù)，精準服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體的決策行為，減少化學品投入、降低能耗、減少資源浪費等，進而實現(xiàn)碳減排的效果[11]。同時，智慧農(nóng)業(yè)通過精準投放生產(chǎn)要素、智能調(diào)控作物生長環(huán)境等方式還可以改善土壤性質(zhì)結(jié)構(gòu)，提升土壤的固碳能力，增加農(nóng)業(yè)碳匯潛力。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等數(shù)字技術(shù)賦能智慧農(nóng)業(yè)，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域減排增匯的必然趨勢和重要途徑。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦能智慧農(nóng)業(yè)減排增匯的應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合LoRa、區(qū)塊鏈、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計集信息采集、傳輸、處理和應(yīng)用為一體的智慧農(nóng)業(yè)助力碳達峰、碳中和系統(tǒng)框架，包括數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)處理中心和智慧應(yīng)用三大模塊。

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施由碳監(jiān)測設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，利用傳感器、攝像頭等監(jiān)測設(shè)備采集作物種植生長相關(guān)環(huán)境信息以及碳足跡信息，并基于LoRaWAN協(xié)議將監(jiān)測信息匯集于LoRa網(wǎng)關(guān)，通過外接5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心的云平臺和服務(wù)器。

在數(shù)據(jù)處理中心對接收到的信息進行處理分析，并存儲于相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，如碳排放數(shù)據(jù)庫等；同時，將作物種植、加工和流通信息上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng)，為碳交易市場提供翔實的數(shù)據(jù)信息。

在智慧應(yīng)用模塊中，利用云平臺或服務(wù)器中的有關(guān)數(shù)據(jù)信息可以實現(xiàn)多種應(yīng)用，如：環(huán)境監(jiān)測、遠程控制、碳足跡監(jiān)測等；另外還可以利用可視化技術(shù)在手機、計算機、平板、大屏等終端上顯示“雙碳”相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如：碳交易統(tǒng)計等。

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)助力碳達峰、碳中和的系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于LoRa 物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)助力碳達峰、碳中和系統(tǒng)框架圖

基于以上分析，物聯(lián)網(wǎng)助力智慧農(nóng)業(yè)減排增匯的應(yīng)用包括以下六個方面。

（1）物聯(lián)網(wǎng)助力監(jiān)測智慧農(nóng)業(yè)碳排放

監(jiān)測農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量，構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放系統(tǒng)監(jiān)測體系[12]，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和的前提。2022年生態(tài)環(huán)境部出臺的《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》提出要提升大數(shù)據(jù)監(jiān)測水平，要運用區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測全過程信息封閉式采集、存儲和追溯，要建設(shè)智慧監(jiān)測平臺。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)可以利用各類農(nóng)業(yè)傳感器實時采集農(nóng)業(yè)環(huán)境以及土壤相關(guān)信息，同時實現(xiàn)自動核算和推送的功能，因此，智慧農(nóng)業(yè)不僅可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和遠程控制等相關(guān)功能，而且能夠披露農(nóng)業(yè)相關(guān)的碳足跡信息以及預(yù)測農(nóng)業(yè)碳排放量，最終達到農(nóng)業(yè)碳排放泛在感知效果[13]。

（2）物聯(lián)網(wǎng)助力構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳交易市場

碳交易市場以市場化的方式倒逼經(jīng)營主體主動減少碳排放量，從而可以將多余的碳排放配額放到市場上交易以獲取部分收益。碳交易的關(guān)鍵前提是碳信息的有效性和可披露性，如果這些數(shù)據(jù)完全由經(jīng)營主體進行上報，那么將很難保證數(shù)據(jù)的完整性和準確性；另外，農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體之間以及相關(guān)管理部門之間存在“數(shù)據(jù)孤島”的現(xiàn)象，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時監(jiān)測，以及區(qū)塊鏈技術(shù)的“數(shù)據(jù)可溯源、不可篡改、共同維護”等技術(shù)特性，可以構(gòu)建公平可信的碳交易市場，打破數(shù)據(jù)壁壘，進而助力碳中和目標的實現(xiàn)。其次，在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，二氧化碳傳感器可以檢測周圍環(huán)境中的二氧化碳濃度，不僅可以估算出二氧化碳排放量，而且還可以將二氧化碳濃度值根據(jù)相關(guān)規(guī)則轉(zhuǎn)化為碳貨幣，在碳交易市場進行流通，從而達到控制碳排放量、助力碳中和的效果[14]。

（3）物聯(lián)網(wǎng)助力制定合適的農(nóng)業(yè)碳減排方案

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的農(nóng)業(yè)碳足跡信息可以幫助經(jīng)營主體了解碳排放的分布趨勢、碳減排的切入點等，結(jié)合人工智能技術(shù)的AIoT技術(shù)還可以預(yù)測碳排放總量，同時幫助經(jīng)營主體制定合適的減排目標和減排方案，達到經(jīng)濟發(fā)展和碳減排之間的平衡。

（4）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力農(nóng)業(yè)碳排放數(shù)據(jù)可視化顯示

利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的各項碳足跡信息，智能計算分析農(nóng)業(yè)碳排放數(shù)據(jù)，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)信息以可視化的形式在大屏、手機、計算機等終端界面進行顯示，可以使管理者摸清碳排放家底，同時對碳排放量較多的環(huán)節(jié)或者區(qū)域進行預(yù)警，還可以對比顯示一段時間內(nèi)的減排數(shù)據(jù)，助力分析農(nóng)業(yè)減排成效。

（5）物聯(lián)網(wǎng)助力增強農(nóng)業(yè)碳匯潛力

降低農(nóng)業(yè)碳源排放量、挖掘農(nóng)業(yè)碳匯潛力是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和目標的重要手段。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)可以通過精準施肥以及科學管理來改善土壤性質(zhì)、提升土壤固碳儲碳能力，從而進一步提升農(nóng)業(yè)在碳中和進程中的能效水平[8]。

（6）物聯(lián)網(wǎng)助力搭建農(nóng)業(yè)“雙碳”數(shù)據(jù)庫

通過物聯(lián)網(wǎng)的傳感器等終端設(shè)備實時采集作物生長的碳足跡數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行清洗處理之后，利用區(qū)塊鏈技術(shù)將其上鏈，同時將作物的加工、運輸、銷售等環(huán)節(jié)的碳足跡數(shù)據(jù)也進行上鏈，保證農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)全程可追溯。這樣不僅能夠幫助農(nóng)業(yè)管理者了解農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的碳足跡信息，為下一步的精準減排提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)，而且結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)可以搭建各類農(nóng)業(yè)“雙碳”相關(guān)數(shù)據(jù)庫，比如：碳足跡數(shù)據(jù)庫、碳核算數(shù)據(jù)庫等。

4 物聯(lián)網(wǎng)助力智慧農(nóng)業(yè)碳達峰、碳中和的建議

目前，我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展勢頭良好，在減排增匯方面取得了一定的成效，但是遠遠達不到實現(xiàn)碳中和目標的減排要求?；诖耍P者提出以下幾點建議。

（1）加強頂層設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)具有明顯的正外部性，但我國小農(nóng)戶數(shù)量眾多，他們實施智慧農(nóng)業(yè)的成本過高，而且由于短期內(nèi)難以取得收益而往往實施智慧農(nóng)業(yè)的積極性不高。因此，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，不僅需要土地集中，而且需要政府牽頭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤?shù)字技術(shù)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)。其次，各地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及資源稟賦各有特色，實現(xiàn)“雙碳”目標要立足地方實情，因地制宜制定農(nóng)業(yè)減排政策；同時，在農(nóng)業(yè)減排的進程中，需要兼顧正常的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活需求，不能單純地以減排數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，而是要實現(xiàn)減排和發(fā)展之間的平衡。

（2）加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級

利用新一代信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈進行改造，將物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)滲透在種植、加工、流通以及銷售各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對碳排放數(shù)據(jù)的智能采集、分析、核算和應(yīng)用的全生命周期管理，從而加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的數(shù)字化和智慧化轉(zhuǎn)型升級，從源頭上降低農(nóng)業(yè)碳排放量。

（3）構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳交易市場

基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳交易市場，增強碳排放配額分配的透明度，完善碳交易市場信息披露制度[15]，理清碳匯交易管理措施，以市場機制來調(diào)控碳交易，提升農(nóng)業(yè)碳市場的交易能力，從而進一步促進碳減排。

（4）增強農(nóng)業(yè)碳匯功能

科學的農(nóng)業(yè)管理和農(nóng)業(yè)利用可以提升土壤養(yǎng)分含量，改善土壤性質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強土壤碳庫能力，提高土壤儲碳量，從而轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)碳匯功能[8]。

（5）深化產(chǎn)學研結(jié)合

加快農(nóng)業(yè)減排和農(nóng)業(yè)碳匯的相關(guān)研究成果的轉(zhuǎn)化速度，消除產(chǎn)學研三者之間的轉(zhuǎn)化障礙，降低轉(zhuǎn)化成本，促進技術(shù)的應(yīng)用推廣[16]。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要領(lǐng)域之一，農(nóng)業(yè)既是溫室氣體排放源，同時也是巨大的碳匯系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)的雙重屬性使其在實現(xiàn)“雙碳”目標進程中的作用不容小覷。目前農(nóng)業(yè)碳減排方面的研究比較重視發(fā)展規(guī)劃而忽視基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)從源頭上掌握碳排放和碳匯的具體情況，不僅可以降低農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳排放量，而且可以增強農(nóng)業(yè)碳匯能力，還可以為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域“雙碳”目標的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐，進而助力我國如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。