石墨烯農業科技創新的回顧與展望

□ 吳沛良

當今世界正經歷百年未有之大變局，全球科技創新進入空前密集活躍期，人類歷史上第六次科技革命正在到來，對新能源、新材料的需求日益強烈，而石墨烯作為21 世紀最具顛覆性的“新材料之王”，不但成為新材料、能源、電子、醫藥、環保等領域的研究熱點，而且在農業領域也具備廣闊的應用前景[1]。

一、石墨烯在農業領域的研究應用

國內外研究表明，石墨烯采暖作為一種全新采暖方式，不僅可用于房屋供暖，也可廣泛應用在蔬菜大棚、花卉栽培、農林育苗、糧食烘干、土壤保溫、雛雞孵化、特種水產養殖等產業上[2-4]；石墨烯納米材料適當添加到土壤中，有利于種子萌發及幼苗生長，有利于提高作物產量及品質[5]；適當添加到肥料中，能增加土壤的黏粒含量，改善土壤質地[6-7]；適當添加到農藥中，可以制備高效殺蟲劑和殺菌劑，提高農藥利用效率[8]。石墨烯納米材料對農業污染物吸附和凈化也有卓越的作用，特別是對污染水體中的農藥和重金屬吸附力強，在替代傳統的吸附劑方面展現出良好的應用前景[9]。另外，石墨烯農業傳感器、石墨烯蠶絲紡織物等產品也被研發出來，在作物長勢監測、動物疫病檢測以及大健康產業應用前景廣闊[10-11]。

近年來，國外石墨烯農業科技研究主要集中在石墨烯納米肥料制備及應用和石墨烯農業傳感器開發等方面。2015 年，澳大利亞阿德萊德大學化肥技術研究中心與世界上最大的磷酸鹽和鉀肥聯合生產商馬賽克公司達成了一項價值850 萬美元的五年合同，旨在研究石墨烯基材料在肥料中的應用，現已證明可以通過將必需的微量營養素鋅和銅加載到石墨烯氧化物片上生產出有效的緩釋肥料。此類釋放速度更慢更可控以及效率更高的肥料對環境的影響更小，且能減少農民對傳統肥料的支出，對農業和環境均有顯著的潛在益處[12]。美國愛荷華州立大學研究員帕特里克·施納貝爾等開發了一種在聚合物塊表面形成復雜的石墨烯圖案的工藝，先把石墨烯溶液涂在聚合物塊上以填充縮進圖案，再用膠帶剝離石墨烯圖案，在膠帶上形成傳感器。這種傳感器可精確測量植物的蒸騰速率，密切監測植物根部水的存在量，同時檢查水分是如何從根部輸送到較低的梯級葉片，一直到植物的頂層葉片，這是第一個“可穿戴”設備監測生長情況的實際例子[12]。印度開發了一種基于氧化石墨烯的電化學免疫傳感器，可用于快速檢測花生芽壞死病毒[13]。

我國則在石墨烯電熱膜溫室大棚采暖保溫和糧食烘干、石墨烯納米肥料、農藥、水體凈化劑制備研究等方面開展了相關研究,但總體上研究時間短、內容少、研究單位也較少，還處于剛剛起步階段。2020 年江蘇省農業農村廳在國內率先提出推動石墨烯農業科技創新應用工作，專門布置了石墨烯研究課題，組建了石墨烯農業科技推廣聯盟。2021 年江蘇省科技廳把石墨烯農業科技創新列入現代農業重點支持項目。南京國家農業科技創新中心聯合石墨烯企業、科研院校成立了中農創石墨烯研究院，并牽頭組織成立了石墨烯農業科技創新聯合體。江蘇農林職業技術學院正在開展石墨烯電熱膜設施種養殖精準控溫技術研究，農業農村部機械化研究所正在開展石墨烯電熱膜糧食烘干技術研究，安徽省宿州市農業科學院開展了石墨烯電熱膜在西瓜溫室育苗中的初步應用探討，浙江省農業科學院畜牧獸醫研究所開展了石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節能特性研究，臺灣地區在海蝦養殖上已廣泛使用遠紅外線石墨烯電熱膜。山西大同大學開展了石墨烯納米肥料在林業應用技術層面的基礎研究[14]。中國農科院開展了氧化石墨烯負載羥甲基咪唑制備納米農藥及其效果研究[15-16]。石墨烯還可用于畜禽養殖抗生素的檢測和催化降解，已將石墨烯作為吸附材料用于恩諾沙星、磺胺類等抗生素的檢測，以石墨烯作為添加劑制成的復合催化劑對諾氟沙星、環丙沙星等抗生素有很好的降解作用[17-18]。

二、江蘇率先探索，創新成效初顯

習近平總書記高度重視石墨烯新材料的研發與應用，明確指出在當前新一輪產業升級和科技革命大背景下，新材料產業必將成為未來高新技術產業發展的基石和先導，對全球經濟、科技、環境等各個領域發展產生深刻影響。

對于農業領域，到底能產生什么樣的影響，這需要農業部門提出需求。當前農業發展最大的痛點有兩個：一是設施農業特別是溫室大棚冬季采暖加溫，面臨環保的嚴格要求，普遍采取煤改電、煤改氣，引起采暖成本急劇上升，造成南方玻璃溫室、北方溫室大棚，不加溫凍死、加溫就虧死的局面，這需要研究開發新的采暖加溫技術。二是農業綠色發展的新要求，減少化肥農藥使用量成為農業發展的硬約束指標，但目前傳統科技難以實現，必須研發突破性科技，提高化肥農藥利用率。石墨烯納米材料，有望成為農藥化肥減量使用的“添加劑”。

2020 年江蘇省現代農業科技產業研究會在開展國內外文獻資料研究和省內外現場考察調研的基礎上，將上述觀點撰寫了一篇調研報告《以石墨烯為新能源推動“溫室大棚革命”》[19]，得到了農業農村部領導和江蘇省委、省政府領導的重要批示和大力支持。調研報告發表后，國內許多媒體予以轉載，得到了石墨烯產業界、農業龍頭企業、科研院校、金融資本等社會各界的關注?？傮w來說，江蘇石墨烯農業科技創新工作的進展可以概括為“五個一”。

一是組建一個推廣聯盟。江蘇是農業大省、科教資源大省，科研院所實力雄厚，農技推廣體系健全；江蘇也是石墨烯產業大省，集聚了大量的人才、資金、技術，優秀石墨烯研發企業不斷涌現，研發與產業化進程保持全國領先，開展石墨烯農業科技創新推廣具有得天獨厚的優勢。為了提高跨界融合的組織化程度，成立了江蘇省石墨烯農業科技推廣聯盟，吸納了百余家聯盟成員，把石墨烯研發生產企業、農業科研院校、推廣部門聯合起來，促進了跨行業、跨學科的產學研推有效對接。

二是開展一個課題研究項目。江蘇省農業農村廳組織實施了鄉村振興軟科學課題《加快石墨烯農業新科技產業化發展戰略與對策研究》，召開了由中國農科院副院長萬建民院士主持的、省內外專家參加的專家咨詢會，研究報告得到了與會代表的一致肯定。

三是舉辦一屆全國高峰論壇。江蘇省農業農村廳組織舉辦了全國“首屆石墨烯農業科技創新高峰論壇”，農業農村部、中國農業科學院、北京石墨烯研究院、江南石墨烯研究院的相關領導專家以及石墨烯企業、設施農業企業、農業推廣部門等一百多位代表參加，會議反響熱烈，成果豐富。

四是形成一批產學研協同創新研發課題。組織召開了石墨烯農業科技校企協同創新研究對接會，形成了一批校企協同創新的具體課題項目，江蘇省科技廳已將《石墨烯電熱膜設施種養殖精準智能控溫技術研究》和《石墨烯遠紅外糧食干燥技術與裝備研發》列入2021 年度省重點研發計劃（現代農業）予以支持。

五是出版一本圖書。組織行業專家編寫了《中國石墨烯農業科技創新與推廣》，該書由中科院院士、北京大學教授劉忠范作序，中國農業出版社出版。

三、集中優勢資源，打通跨界壁壘

當前，石墨烯農業科技創新工作進入關鍵時期，在形成了濃厚的研發氛圍、開展了初步的試驗研究、明確了具體研發方向的基礎上，需要集中研發資源、生產資源、推廣資源，打通跨界壁壘，加快石墨烯產業和現代農業的融合發展。全面開啟石墨烯農業科技的研發攻關、招商引才和試驗示范，促進政產學研優勢資源整合，加快推動石墨烯農業科技產業蓬勃發展。

（一）全面啟動石墨烯農業科技研發攻關項目——組建一個聯合體，設立九大研發創新團隊

跟蹤石墨烯產業發展動向和前沿技術，有效整合石墨烯產業科研力量與農業科研資源。石墨烯生產企業與農業龍頭企業組建石墨烯農業科技創新聯合體，在應用開發和示范推廣兩端同時發力，重點組織開展石墨烯電熱膜設施種植智能控溫系統、石墨烯電熱膜設施養殖智能控溫系統、石墨烯遠紅外糧食干燥技術與裝備、石墨烯高效納米肥料產品、石墨烯高效納米農藥產品、石墨烯功能性土壤改良劑、石墨烯農業水體凈化劑、石墨烯功能性農用薄膜、石墨烯農業傳感器等技術研發與產品推廣。聯合體下設九大方向研發團隊，確定一批選題和研究內容，分配、落實具體研究任務，先行先試，盡快突破一批石墨烯農業科技關鍵技術。申報一批專利，形成一批產品，制定一批標準，培育一批品牌，為申報實施石墨烯農業產業重大科技項目和示范推廣項目打下基礎。

（二）全面啟動招商引才項目——每年舉辦一個全國論壇，引進三大主體

每年舉辦一個全國論壇，有利于引進人才團隊、合作伙伴和企業總部。石墨烯農業科技創新是一個新領域、一個大項目、一個系統工程，項目、資金、人才和創新環境等幾個要素缺一不可，只有處理好相互關系，才能談成項目、把人留住，推動產業蓬勃發展。這就需要政府部門、行業組織、金融機構、石墨烯領域和農業領域的科學家、企業家跨界合作，培育石墨烯農業應用研發領域排頭兵企業。以新型研發機構為引領，圍繞石墨烯農業科技關鍵、共性技術開展聯合攻關，強化石墨烯農業應用基礎研究，實現前瞻性基礎研究和原創性重大成果突破，著力提升石墨烯農業新科技供給能力。一方面通過招商引來好的投資者、好的合作伙伴、好的項目，一方面通過引才引來高端人才、優秀人才，培育創新人才團隊，形成緊密合作共同體，強化石墨烯農業產業鏈上下游關聯銜接，進而拉動石墨烯農業科技產業發展。

（三）全面啟動試驗示范項目——建立一批試驗示范推廣培訓基地

一是建立一批成果中試基地。一方面加強原始創新成果的中試。圍繞九大方向形成創新團隊，在學術端開展石墨烯產品基礎試驗，產生涵蓋農業種養全領域的試驗數據，突破一批核心技術，研發一批石墨烯農業應用新產品；另一方面加強引進消化吸收再創新步伐，將國內外成熟的新技術、新產品引進來，并在生產端的各個環節進行檢驗，促使石墨烯農業科技產品最終成型。同時加快推進校企合作示范基地建設，強化政產學研用協同創新成果轉化機制，在科研院所、農職院校及有條件的企業建立一批成果中試基地。

二是建立一批培訓基地。加強石墨烯農業科技知識的培訓普及，當前應當作為農業新科技培訓的重點。依托農業高職院校及有條件的企事業單位建立培訓基地，在全國開展石墨烯農業應用高新技術培訓，依托農業農村部及江蘇省農業農村廳的相關會議及技術培訓會，進行石墨烯農業科技宣傳推廣。同時，聯合溫室大棚、蔬菜、畜牧、水產、花卉等各領域行業協會，共同舉辦培訓活動，擴大石墨烯農業科技成果的推廣范圍。

三是建立一批示范基地。遴選綜合實力強的石墨烯生產企業，全程參與石墨烯農業科技成果研發，對接有條件的農業經營主體，開展示范應用，打通產品市場渠道，在農業農村領域試驗研究、示范集成和推廣應用最新石墨烯農業科技成果，使優秀石墨烯農業科技成果落地發展。

四、未來潛力巨大，農村前景廣闊

展望未來，推動形成以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局是我國長期戰略選擇，實現“雙碳”戰略目標是我國經濟發展的緊迫任務?，F代農業發展對節能環保、綠色發展提出了更高的要求，石墨烯產業發展面臨前所未有的機遇。國內石墨烯農業科技產業在溫室采暖、無土栽培、農藥化肥增效、環保農業、智慧農業、低碳農業等在內的約1500 億元規模的農業應用市場有待開發。今后，需要加快形成石墨烯農業科技產業的核心技術、產品和標準，搶占世界農業科技創新制高點，加快推進農業領域的石墨烯技術在應用性開發、市場推廣、資本運作等方面的商業化進程，充分開拓國內國際大市場，助推中國經濟高質量發展。

（一）引領新一輪農業科技革命

我國是農業大國，需要優先發展農業農村。全面推進鄉村振興、促進農業高質高效發展和農民富裕富足是全黨全社會高度重視的重大任務。我國農業的每一次飛躍，都離不開科技的重大突破。20 世紀60 年代，以生物育種為主要內容的“綠色革命”，大幅度提高了糧食產量。20 世紀80 年代以塑料薄膜推廣為主要內容的“白色革命”，大大提高了土地產出率，不僅破解了冬季蔬菜供應不足的難題，而且開拓了農民增收的新路子。我國是設施農業大國，溫室大棚的采暖保溫技術亟需取得重大突破。相比其他采暖加溫材料，石墨烯電熱膜具有智能控溫、發熱效率高、安裝靈活、啟動迅速、發熱均勻、操作維護方便、降噪環保等優點，在設施種養殖領域應用前景廣闊。另外，石墨烯在促進種子種苗萌發生長、提高肥料農藥利用效率、提高植物抗逆能力、動物疫病檢測、農藥面源污染防治等方面具備廣泛的應用前景。石墨烯材料作為世界公認的新材料之王，其在現代農業中的研發創新與推廣應用，必將推動我國現代農業產業技術提檔升級，引領新一輪的農業科技革命。由于石墨烯是黑色的，被專家稱為“黑色革命”。

（二）打造國家級石墨烯農業科技創新產業園

南京國家現代農業產業科創中心作為首家國家級現代農業產業科創中心，受到農業農村部和江蘇省、南京市政府高度重視，圍繞建設世界知名“農業硅谷”，農創中心創新平臺建設不斷完善，政府支持力度大、高層次人才集聚、科研資源豐富。未來以南京國家農創園為載體，聯合中國農科院、北京石墨烯研究院等頂級專家團隊以及江蘇有關科研院校，集聚優勢資源和力量，聯合一流企業、一流科研院所、一流重點實驗室、一流農業應用企業，配套組建成立江蘇省石墨烯產業推進委員會，組織實施石墨烯農業科研攻關，定制生產適用于現代農業主導及特色產業的石墨烯產品，發展成為石墨烯農業產品研發總部；注重試驗示范與生產實際相結合，變“由研到產”為“產研互動”，建設成為石墨烯農業應用示范窗口；加強石墨烯農業高新科技宣傳交流，通過技術培訓、學術論壇等方式發揮輻射帶動作用，塑造成為石墨烯農業科研成果的推廣中心。

（三）開發千億級農村石墨烯大市場

一是建立國內外市場營銷體系。建設循環暢通、運行高效的石墨烯農業科技產品營銷體系，政府要加強引導支持，對已經成熟的技術如石墨烯電熱膜用于溫室大棚、畜禽水產工廠化養殖等項目列入農業補貼項目，加快推廣。對應用石墨烯農業新產品的農戶、家庭農場、農業企業等主體給予財政補貼。要充分發揮市場引領作用，企業要著力增強市場引領、市場營銷、產品銷售和價值創造“四種能力”，找準市場、細分市場、精準施策，塑造新競爭優勢。

二是爭取國家重大推廣項目。國家應設立石墨烯農業科技重大專項，出臺石墨烯農業科技產業發展專項計劃，進一步加大對石墨烯農業科技創新研發、應用與推廣的支持力度。盡快出臺后續補貼和激勵政策，如建立獎勵基金，對重點技術領域作出貢獻的企業和研發人員給予獎勵，充分激發企業和市場積極性。大力發展符合石墨烯農業科技產業特征的金融產品和服務，支持天使投資、科技支行、科技保險、科技小貸等新型金融業態，制定和完善風險補償、基金扶持等政策。落實石墨烯農業科技重大技術裝備保險補償機制，推動首批次石墨烯農業科技產品的推廣應用。