石墨烯农业科技创新的回顾与展望

□ 吴沛良

当今世界正经历百年未有之大变局，全球科技创新进入空前密集活跃期，人类历史上第六次科技革命正在到来，对新能源、新材料的需求日益强烈，而石墨烯作为21 世纪最具颠覆性的“新材料之王”，不但成为新材料、能源、电子、医药、环保等领域的研究热点，而且在农业领域也具备广阔的应用前景[1]。

一、石墨烯在农业领域的研究应用

国内外研究表明，石墨烯采暖作为一种全新采暖方式，不仅可用于房屋供暖，也可广泛应用在蔬菜大棚、花卉栽培、农林育苗、粮食烘干、土壤保温、雏鸡孵化、特种水产养殖等产业上[2-4]；石墨烯纳米材料适当添加到土壤中，有利于种子萌发及幼苗生长，有利于提高作物产量及品质[5]；适当添加到肥料中，能增加土壤的黏粒含量，改善土壤质地[6-7]；适当添加到农药中，可以制备高效杀虫剂和杀菌剂，提高农药利用效率[8]。石墨烯纳米材料对农业污染物吸附和净化也有卓越的作用，特别是对污染水体中的农药和重金属吸附力强，在替代传统的吸附剂方面展现出良好的应用前景[9]。另外，石墨烯农业传感器、石墨烯蚕丝纺织物等产品也被研发出来，在作物长势监测、动物疫病检测以及大健康产业应用前景广阔[10-11]。

近年来，国外石墨烯农业科技研究主要集中在石墨烯纳米肥料制备及应用和石墨烯农业传感器开发等方面。2015 年，澳大利亚阿德莱德大学化肥技术研究中心与世界上最大的磷酸盐和钾肥联合生产商马赛克公司达成了一项价值850 万美元的五年合同，旨在研究石墨烯基材料在肥料中的应用，现已证明可以通过将必需的微量营养素锌和铜加载到石墨烯氧化物片上生产出有效的缓释肥料。此类释放速度更慢更可控以及效率更高的肥料对环境的影响更小，且能减少农民对传统肥料的支出，对农业和环境均有显著的潜在益处[12]。美国爱荷华州立大学研究员帕特里克·施纳贝尔等开发了一种在聚合物块表面形成复杂的石墨烯图案的工艺，先把石墨烯溶液涂在聚合物块上以填充缩进图案，再用胶带剥离石墨烯图案，在胶带上形成传感器。这种传感器可精确测量植物的蒸腾速率，密切监测植物根部水的存在量，同时检查水分是如何从根部输送到较低的梯级叶片，一直到植物的顶层叶片，这是第一个“可穿戴”设备监测生长情况的实际例子[12]。印度开发了一种基于氧化石墨烯的电化学免疫传感器，可用于快速检测花生芽坏死病毒[13]。

我国则在石墨烯电热膜温室大棚采暖保温和粮食烘干、石墨烯纳米肥料、农药、水体净化剂制备研究等方面开展了相关研究,但总体上研究时间短、内容少、研究单位也较少，还处于刚刚起步阶段。2020 年江苏省农业农村厅在国内率先提出推动石墨烯农业科技创新应用工作，专门布置了石墨烯研究课题，组建了石墨烯农业科技推广联盟。2021 年江苏省科技厅把石墨烯农业科技创新列入现代农业重点支持项目。南京国家农业科技创新中心联合石墨烯企业、科研院校成立了中农创石墨烯研究院，并牵头组织成立了石墨烯农业科技创新联合体。江苏农林职业技术学院正在开展石墨烯电热膜设施种养殖精准控温技术研究，农业农村部机械化研究所正在开展石墨烯电热膜粮食烘干技术研究，安徽省宿州市农业科学院开展了石墨烯电热膜在西瓜温室育苗中的初步应用探讨，浙江省农业科学院畜牧兽医研究所开展了石墨烯加热板/膜作为仔猪保温供热体的节能特性研究，台湾地区在海虾养殖上已广泛使用远红外线石墨烯电热膜。山西大同大学开展了石墨烯纳米肥料在林业应用技术层面的基础研究[14]。中国农科院开展了氧化石墨烯负载羟甲基咪唑制备纳米农药及其效果研究[15-16]。石墨烯还可用于畜禽养殖抗生素的检测和催化降解，已将石墨烯作为吸附材料用于恩诺沙星、磺胺类等抗生素的检测，以石墨烯作为添加剂制成的复合催化剂对诺氟沙星、环丙沙星等抗生素有很好的降解作用[17-18]。

二、江苏率先探索，创新成效初显

习近平总书记高度重视石墨烯新材料的研发与应用，明确指出在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下，新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导，对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。

对于农业领域，到底能产生什么样的影响，这需要农业部门提出需求。当前农业发展最大的痛点有两个：一是设施农业特别是温室大棚冬季采暖加温，面临环保的严格要求，普遍采取煤改电、煤改气，引起采暖成本急剧上升，造成南方玻璃温室、北方温室大棚，不加温冻死、加温就亏死的局面，这需要研究开发新的采暖加温技术。二是农业绿色发展的新要求，减少化肥农药使用量成为农业发展的硬约束指标，但目前传统科技难以实现，必须研发突破性科技，提高化肥农药利用率。石墨烯纳米材料，有望成为农药化肥减量使用的“添加剂”。

2020 年江苏省现代农业科技产业研究会在开展国内外文献资料研究和省内外现场考察调研的基础上，将上述观点撰写了一篇调研报告《以石墨烯为新能源推动“温室大棚革命”》[19]，得到了农业农村部领导和江苏省委、省政府领导的重要批示和大力支持。调研报告发表后，国内许多媒体予以转载，得到了石墨烯产业界、农业龙头企业、科研院校、金融资本等社会各界的关注。总体来说，江苏石墨烯农业科技创新工作的进展可以概括为“五个一”。

一是组建一个推广联盟。江苏是农业大省、科教资源大省，科研院所实力雄厚，农技推广体系健全；江苏也是石墨烯产业大省，集聚了大量的人才、资金、技术，优秀石墨烯研发企业不断涌现，研发与产业化进程保持全国领先，开展石墨烯农业科技创新推广具有得天独厚的优势。为了提高跨界融合的组织化程度，成立了江苏省石墨烯农业科技推广联盟，吸纳了百余家联盟成员，把石墨烯研发生产企业、农业科研院校、推广部门联合起来，促进了跨行业、跨学科的产学研推有效对接。

二是开展一个课题研究项目。江苏省农业农村厅组织实施了乡村振兴软科学课题《加快石墨烯农业新科技产业化发展战略与对策研究》，召开了由中国农科院副院长万建民院士主持的、省内外专家参加的专家咨询会，研究报告得到了与会代表的一致肯定。

三是举办一届全国高峰论坛。江苏省农业农村厅组织举办了全国“首届石墨烯农业科技创新高峰论坛”，农业农村部、中国农业科学院、北京石墨烯研究院、江南石墨烯研究院的相关领导专家以及石墨烯企业、设施农业企业、农业推广部门等一百多位代表参加，会议反响热烈，成果丰富。

四是形成一批产学研协同创新研发课题。组织召开了石墨烯农业科技校企协同创新研究对接会，形成了一批校企协同创新的具体课题项目，江苏省科技厅已将《石墨烯电热膜设施种养殖精准智能控温技术研究》和《石墨烯远红外粮食干燥技术与装备研发》列入2021 年度省重点研发计划（现代农业）予以支持。

五是出版一本图书。组织行业专家编写了《中国石墨烯农业科技创新与推广》，该书由中科院院士、北京大学教授刘忠范作序，中国农业出版社出版。

三、集中优势资源，打通跨界壁垒

当前，石墨烯农业科技创新工作进入关键时期，在形成了浓厚的研发氛围、开展了初步的试验研究、明确了具体研发方向的基础上，需要集中研发资源、生产资源、推广资源，打通跨界壁垒，加快石墨烯产业和现代农业的融合发展。全面开启石墨烯农业科技的研发攻关、招商引才和试验示范，促进政产学研优势资源整合，加快推动石墨烯农业科技产业蓬勃发展。

（一）全面启动石墨烯农业科技研发攻关项目——组建一个联合体，设立九大研发创新团队

跟踪石墨烯产业发展动向和前沿技术，有效整合石墨烯产业科研力量与农业科研资源。石墨烯生产企业与农业龙头企业组建石墨烯农业科技创新联合体，在应用开发和示范推广两端同时发力，重点组织开展石墨烯电热膜设施种植智能控温系统、石墨烯电热膜设施养殖智能控温系统、石墨烯远红外粮食干燥技术与装备、石墨烯高效纳米肥料产品、石墨烯高效纳米农药产品、石墨烯功能性土壤改良剂、石墨烯农业水体净化剂、石墨烯功能性农用薄膜、石墨烯农业传感器等技术研发与产品推广。联合体下设九大方向研发团队，确定一批选题和研究内容，分配、落实具体研究任务，先行先试，尽快突破一批石墨烯农业科技关键技术。申报一批专利，形成一批产品，制定一批标准，培育一批品牌，为申报实施石墨烯农业产业重大科技项目和示范推广项目打下基础。

（二）全面启动招商引才项目——每年举办一个全国论坛，引进三大主体

每年举办一个全国论坛，有利于引进人才团队、合作伙伴和企业总部。石墨烯农业科技创新是一个新领域、一个大项目、一个系统工程，项目、资金、人才和创新环境等几个要素缺一不可，只有处理好相互关系，才能谈成项目、把人留住，推动产业蓬勃发展。这就需要政府部门、行业组织、金融机构、石墨烯领域和农业领域的科学家、企业家跨界合作，培育石墨烯农业应用研发领域排头兵企业。以新型研发机构为引领，围绕石墨烯农业科技关键、共性技术开展联合攻关，强化石墨烯农业应用基础研究，实现前瞻性基础研究和原创性重大成果突破，着力提升石墨烯农业新科技供给能力。一方面通过招商引来好的投资者、好的合作伙伴、好的项目，一方面通过引才引来高端人才、优秀人才，培育创新人才团队，形成紧密合作共同体，强化石墨烯农业产业链上下游关联衔接，进而拉动石墨烯农业科技产业发展。

（三）全面启动试验示范项目——建立一批试验示范推广培训基地

一是建立一批成果中试基地。一方面加强原始创新成果的中试。围绕九大方向形成创新团队，在学术端开展石墨烯产品基础试验，产生涵盖农业种养全领域的试验数据，突破一批核心技术，研发一批石墨烯农业应用新产品；另一方面加强引进消化吸收再创新步伐，将国内外成熟的新技术、新产品引进来，并在生产端的各个环节进行检验，促使石墨烯农业科技产品最终成型。同时加快推进校企合作示范基地建设，强化政产学研用协同创新成果转化机制，在科研院所、农职院校及有条件的企业建立一批成果中试基地。

二是建立一批培训基地。加强石墨烯农业科技知识的培训普及，当前应当作为农业新科技培训的重点。依托农业高职院校及有条件的企事业单位建立培训基地，在全国开展石墨烯农业应用高新技术培训，依托农业农村部及江苏省农业农村厅的相关会议及技术培训会，进行石墨烯农业科技宣传推广。同时，联合温室大棚、蔬菜、畜牧、水产、花卉等各领域行业协会，共同举办培训活动，扩大石墨烯农业科技成果的推广范围。

三是建立一批示范基地。遴选综合实力强的石墨烯生产企业，全程参与石墨烯农业科技成果研发，对接有条件的农业经营主体，开展示范应用，打通产品市场渠道，在农业农村领域试验研究、示范集成和推广应用最新石墨烯农业科技成果，使优秀石墨烯农业科技成果落地发展。

四、未来潜力巨大，农村前景广阔

展望未来，推动形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局是我国长期战略选择，实现“双碳”战略目标是我国经济发展的紧迫任务。现代农业发展对节能环保、绿色发展提出了更高的要求，石墨烯产业发展面临前所未有的机遇。国内石墨烯农业科技产业在温室采暖、无土栽培、农药化肥增效、环保农业、智慧农业、低碳农业等在内的约1500 亿元规模的农业应用市场有待开发。今后，需要加快形成石墨烯农业科技产业的核心技术、产品和标准，抢占世界农业科技创新制高点，加快推进农业领域的石墨烯技术在应用性开发、市场推广、资本运作等方面的商业化进程，充分开拓国内国际大市场，助推中国经济高质量发展。

（一）引领新一轮农业科技革命

我国是农业大国，需要优先发展农业农村。全面推进乡村振兴、促进农业高质高效发展和农民富裕富足是全党全社会高度重视的重大任务。我国农业的每一次飞跃，都离不开科技的重大突破。20 世纪60 年代，以生物育种为主要内容的“绿色革命”，大幅度提高了粮食产量。20 世纪80 年代以塑料薄膜推广为主要内容的“白色革命”，大大提高了土地产出率，不仅破解了冬季蔬菜供应不足的难题，而且开拓了农民增收的新路子。我国是设施农业大国，温室大棚的采暖保温技术亟需取得重大突破。相比其他采暖加温材料，石墨烯电热膜具有智能控温、发热效率高、安装灵活、启动迅速、发热均匀、操作维护方便、降噪环保等优点，在设施种养殖领域应用前景广阔。另外，石墨烯在促进种子种苗萌发生长、提高肥料农药利用效率、提高植物抗逆能力、动物疫病检测、农药面源污染防治等方面具备广泛的应用前景。石墨烯材料作为世界公认的新材料之王，其在现代农业中的研发创新与推广应用，必将推动我国现代农业产业技术提档升级，引领新一轮的农业科技革命。由于石墨烯是黑色的，被专家称为“黑色革命”。

（二）打造国家级石墨烯农业科技创新产业园

南京国家现代农业产业科创中心作为首家国家级现代农业产业科创中心，受到农业农村部和江苏省、南京市政府高度重视，围绕建设世界知名“农业硅谷”，农创中心创新平台建设不断完善，政府支持力度大、高层次人才集聚、科研资源丰富。未来以南京国家农创园为载体，联合中国农科院、北京石墨烯研究院等顶级专家团队以及江苏有关科研院校，集聚优势资源和力量，联合一流企业、一流科研院所、一流重点实验室、一流农业应用企业，配套组建成立江苏省石墨烯产业推进委员会，组织实施石墨烯农业科研攻关，定制生产适用于现代农业主导及特色产业的石墨烯产品，发展成为石墨烯农业产品研发总部；注重试验示范与生产实际相结合，变“由研到产”为“产研互动”，建设成为石墨烯农业应用示范窗口；加强石墨烯农业高新科技宣传交流，通过技术培训、学术论坛等方式发挥辐射带动作用，塑造成为石墨烯农业科研成果的推广中心。

（三）开发千亿级农村石墨烯大市场

一是建立国内外市场营销体系。建设循环畅通、运行高效的石墨烯农业科技产品营销体系，政府要加强引导支持，对已经成熟的技术如石墨烯电热膜用于温室大棚、畜禽水产工厂化养殖等项目列入农业补贴项目，加快推广。对应用石墨烯农业新产品的农户、家庭农场、农业企业等主体给予财政补贴。要充分发挥市场引领作用，企业要着力增强市场引领、市场营销、产品销售和价值创造“四种能力”，找准市场、细分市场、精准施策，塑造新竞争优势。

二是争取国家重大推广项目。国家应设立石墨烯农业科技重大专项，出台石墨烯农业科技产业发展专项计划，进一步加大对石墨烯农业科技创新研发、应用与推广的支持力度。尽快出台后续补贴和激励政策，如建立奖励基金，对重点技术领域作出贡献的企业和研发人员给予奖励，充分激发企业和市场积极性。大力发展符合石墨烯农业科技产业特征的金融产品和服务，支持天使投资、科技支行、科技保险、科技小贷等新型金融业态，制定和完善风险补偿、基金扶持等政策。落实石墨烯农业科技重大技术装备保险补偿机制，推动首批次石墨烯农业科技产品的推广应用。