当今世界正在经历百年未有之大变局,全球科学技术创新进入空前密集活跃期,人类历史上的第六次科技革命已然到来,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”,不但成为新材料领域、能源领域、电子领域、医药领域及环境保护领域的研究热点,在农业领域也具备广阔的应用前景。

石墨烯在农业上应用广

国内外研究表明,石墨烯采暖作为一种全新采暖方式,不仅可以用于房屋供暖,也可以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;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;适当添加到肥料中,能增加土壤的黏粒含量,改善土壤质地;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。

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良好的应用前景。另外,石墨烯农业传感器、石墨烯蚕丝纺织物等产品已被研发出来,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。

石墨烯农业科研在国外

近几年来,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。15 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,现已经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。此类缓释肥料释放速度更慢更可控,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。

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,石墨烯溶液涂在聚合物块上以填充缩进图案,胶带来剥离石墨烯图案,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。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。

石墨烯农业科研在国内

国内石墨烯农业科技研究主要集中在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。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。 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,专门下达了石墨烯研究课题,组建了石墨烯农业科技推广联盟。21 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的项目。

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,农业农村部南京农业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,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。石墨烯还可用于畜禽养殖抗生素的检测和催化降解,已利用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。

为了推动石墨烯产业与现代农业融合发展,开拓石墨烯农业应用市场,江苏省依托国内顶级的石墨烯研发机构——北京石墨烯研究院刘忠范院士团队的技术支撑,与江南石墨烯研究院开展产业研究合作,在南京国家农创中心成立了全国第一个石墨烯农业科技创新新研机构——中农创石墨烯研究院,奠定了石墨烯农业科技研发应用的基础。

展望未来:市场潜力巨大

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,石墨烯产业发展迎来了前所未有的机遇。

引领新一轮农业科技革命。我国是设施农业大国, 温室大棚的采暖保温技术急需取得重大突破。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”。

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,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。

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,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,予以加快推广。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基金,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。 三是推动成立全国性的石墨烯农业科技创新推广联盟。促进石墨烯研发机构、生产企业与农业科技研发机构、农业经营主体的紧密联合,形成强有力的合力。提高石墨烯农业科技新产品推广的组织化程度,加速推广应用的速度。

江苏省现代农业科技产业研究会会长 吴沛良