近日，南京農業大學資環學院農業資源環境遙感信息組在Water Research上發表了題為“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)。

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

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

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

研究結果表明（圖3），該系統對二氧化碳和氧化亞氮排放通量的監測結果與傳統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)，實現了低成本、便攜式的二氧化碳和氧化亞氮排放通量監測。

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

南京農業大學資源與環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、生態環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大學農業農村部東南沿海農業綠色低碳重點實驗室和南京農業大學泰州研究院，受國家自然科學面上基金、江蘇省碳達峰碳中和科技創新專項、江蘇省農業科技自主創新項目、南京農業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新計劃資助。

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