石墨烯在农业中应用前景浅析

李海涛沈健民陈骏

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格状的二维碳纳米材料。石墨烯具有独特的电学、光学、力学特性，在材料学、能源、微纳加工、生物医学和药物传递等领域具有良好的应用前景，被认为是一种有望引发技术革命的新材料。我国石墨烯资源丰富，石墨烯基础储量占世界总储量的24%左右，石墨烯产量位居世界前列。目前已查明的晶质石墨烯储量为5 500万t，其中，黑龙江、内蒙古地区石墨烯储量分别约占全国总储量的47%和19%。2018年3月31日，我国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动［1］。

1 石墨烯在农业中推广应用的必要性

1.1 推广应用石墨烯是农业发展的现实需要

现阶段，我国农业生产方式正在由粗放型向集约型转变，生产结构不断调整升级，生产水平不断提升［2］；但仍存在生产规模较小，生态环境恶化，劳动力老龄化严重，劳动生产率、农业生产效率以及资源利用率较低等问题，探索生产集约、产出高效、环境友好、产品安全的现代农业发展道路是解决这些问题的根本途径。

石墨烯材料应用于农业对有效提高农业产出率、保障农产品的安全生产、保护生态环境都将起到积极的作用。而且，我国石墨烯储量相当丰富，也为石墨烯新型材料应用于农业生产提供了坚实的基础。

1.2 推广应用石墨烯是农机化发展的必然要求

我国是农业大国，从农业发展历史来看，生产技术进步的每次飞跃，都离不开科技创新。20世纪60年代，通过育种、化肥、农药等技术创新成果的集成应用，引发了以生产矮秆作物品种为代表的第一次绿色革命。20世纪80年代后期出现的以动植物转基因技术创新为核心的第二次绿色革命，虽然为粮食生产节本增效提供了巨大的潜力，但也因其可能存在生态风险以及食品安全、商业操控等问题，并未达到预期效果。随着互联网的发展，大数据、云计算、人工智能、无人机和机器人等新技术、新装备在农业生产中的应用范围越来越广，并正在逐步改变农业生产模式。石墨烯材料在农业生产中的应用，是农业高科技发展的一大机遇，必将引发新一轮的农业生产技术革命［3］。

2 石墨烯在农业领域的应用

2.1 石墨烯薄膜在农作物种植大棚中的应用

近年来，温室效应、雾霾天气、空气污染等问题逐渐引起了人们的关注［4］。在农业大棚生产领域，由于传统的增温方式（燃煤、燃油、电热等）存在能耗高、安全性低、空气污染、安装复杂等问题，已不再适合农业高质量发展的需要。石墨烯薄膜作为一种新的电热材料，因其电热转化效率高达99%，且安全无污染，成为一种理想的新型增温材料。石墨烯薄膜有两个方面的特点：一方面，在强电场的作用下，石墨烯中的碳电子与光学声子碰撞，电子的电势能部分转化成光学声子的内能，光学声子迅速将其内能传递给声学声子，而声学声子向热沉传递能量的速度较低，导致能量在声子上累积，最终导致碳纳米材料快速升温；另一方面，石墨烯薄膜以红外辐射的方式增加周围环境的温度，红外辐射波的波长集中在6～14μm。研究表明，只有波长在760～1 000 nm的红外光才能对植物的伸长生长有一定的促进作用，波长大于1 000 nm的红外光主要是引起植物的组织或器官的温度升高，不参与植物的光合作用。6～14μm的红外线被称为“生命光波”，很容易被植物吸收并转化为植物的内能。

基于此，可将石墨烯红外电暖薄膜应用到蔬菜集约化育苗大棚中，用来代替传统的采暖材料。相比于使用传统的采暖材料，采用石墨烯远红外电暖薄膜，不但可节省30%～50%能耗，而且还可以简化育苗工序，减少病虫害的发生率，降低生产成本，提高种苗成活率。目前，将石墨烯红外电暖膜应用到农业大棚中的生产实践还比较少，还需要更多的实践数据作为制定石墨烯红外电暖膜的产品标准和安装、操作技术规程的依据。

2.2 石墨烯薄膜在农作物烘干中的应用

红外加热速度快，红外光波有一定的穿透能力，能穿透农作物的表面直接加热农作物内部的有机物、水等，降低农作物的内外温差，可在快速蒸发农作物内部水分的同时，减少对农作物的损伤。目前，远红外辐射发生元件主要有表面涂覆纳米氧化物的金属管、碳化硅板、乳白石英管等，将此类红外加热材料应用到加热领域，相比于传统的加热方式，不但在生产效率上可以提高20%～30%,还可以节电30%～50%,节省其他能源约30%。

1996年日本已开始在干燥机上使用远红外线加热技术［5］。目前，日本使用远红外线的干燥机已经有2 000多台。最近，日本又开发了“常温减压快速干燥系统”，与传统的高温干燥技术相比，该技术不但可缩短干燥时间，还可减少50%的能源消耗。

2.3 石墨烯在畜禽养殖废水处理中的应用

随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，我国肉类需求量快速增加，畜禽养殖业快速发展，畜禽养殖废水处理难度加大。目前，畜禽养殖废水的处理方法主要有自然处理法、生物处理法、物化处理法等。采用自然处理法需要大量的土地，废水处理周期长，还会对土壤、河流等的生态造成严重破坏。物化处理法对畜禽养殖废水中的COD、氨氮、重金属等有一定的去除能力，但净化效果欠佳，还不能大规模地推广应用。生物处理法对畜禽养殖废水中污染物的浓度有较高的要求。

氧化石墨烯以其超大的比表面积、良好的亲水性、超强的吸附性等特点引发人们对其在畜禽养殖废水处理中的应用研究。用氧化石墨烯与黄假单胞菌联合体系处理畜禽养殖废水的研究表明：联合体系的最佳投加比为7%的黄假单胞菌液加1 mg/L的氧化石墨烯溶液；最佳作用周期为3天，且经该联合体系处理3天后的畜禽养殖废水中的COD、铵氮、TN和TP去除率达到最大值，也达到了畜禽养殖业污染物排放标准（GB 18596-2001）。在相同的条件下，相比于单一的处理体系，该联合体系对污染物的处理能力提高了数倍，可能的原因是黄假单胞菌适应了环境后，将氧化石墨烯原位还原成石墨烯，石墨烯增强了联合体系对污染物的吸附降解作用。石墨烯在畜禽养殖废水处理中的研究还处于初期阶段，对污染物的处理机理还不太明确，还需要更多的实验数据作为支撑。

2.4 石墨烯在肥料生产中的应用

我国是世界上最大的化肥生产与使用国家，年化肥施用量占全世界化肥施用总量的35%，但是化肥的利用率远低于发达国家。现如今，摆在我们面前最大的课题就是要在保障粮食产量的前提下，提高化肥利用率，减少化肥施用量。

近年来，碳纳米材料作为添加剂在土壤保肥、提升肥料利用率、促进农作物生长等方面的应用备受关注。在土壤中适当添加碳纳米材料，不仅有利于种子萌发及幼苗生长，而且有利于提升作物产量及品质。在肥料中掺杂适量的碳纳米材料，不仅可以增加土壤的黏粒含量，改善土壤质地，而且可以提高土壤对于养分的吸附保持功能，减少径流中氮磷钾等养分的流失，从而提升化肥利用率，起到节肥增效的作用。

纳米结构肥料是指利用纳米技术制成的纳米级肥料，例如纳米尿素，纳米磷灰石肥料等。科研人员在纳米结构肥料方面做了相关研究，实验结果表明，施加纳米结构肥料后，植物的养分吸收效率与产量有了明显提升。

纳米碳材料对肥料的增效原理有以下四个方面：

1）石墨烯较大的比表面积可以有效地吸附养分离子，增加土壤养分，从而起到增效节肥的作用。

2）石墨烯可增强植物呼吸作用，提高光化学反应速率。由于纳米碳能够从NH4+中吸出N元素，释放出H+，H+是植物吸收土壤水分和溶解于水中的营养元素的动力源，因此，纳米碳的添加可以增强植物的光合作用。

3）石墨烯可减少氨的挥发。

4）石墨烯可促进植物根系生长。

虽然纳米碳材料与肥料混合使用会对植物的生长发育有促进作用，但使用不当也会产生一定的抑制作用，这与材料浓度、种类以及植物品种、生长条件有关。目前，对于碳纳米材料与作物之间的作用、调节机制等方面的研究还很缺乏。因此，碳纳米材料对作物的影响方式、进入途径以及对作物的基因表达、信号转导等的作用将成为今后相关研究的主要方向。

3 石墨烯在农业应用中存在的问题

1）石墨烯材料在农业中的应用还处在初期阶段，在某些领域中的应用还处于尝试阶段，人们对新事物的认识还需要一个过程。

2）石墨烯薄膜制作投入成本太高，限制了其在农业领域的广泛应用。

3）农用石墨烯技术研发还处于初级阶段，需要大量的试验示范数据作为技术推广应用的支撑。

4）农用石墨烯材料研发团队较少，技术推广力量比较薄弱。

4 石墨烯在农业中应用与推广的建议

现阶段我国农业发展机遇和挑战并存。一方面，国家高度重视粮食生产安全，出台了一系列支农惠农政策，加快推进粮食生产机械化，促进农业高质量发展；另一方面，耕地面积减少、劳动力成本高、生态环保要求高，又是现代农业发展的现实问题。而石墨烯材料的应用将给农业高质量发展带来新的动力。建议从以下5个方面入手，加快推进农用石墨烯材料的研发与示范推广应用：

1）加大政策扶持力度。成立石墨烯农用材料创新研发中心，把农用石墨烯研发项目列入国家重点支持科技项目，加快农用石墨烯最新研究成果转化；同时，要结合农业发展特点，研发石墨烯材料，降低农用石墨烯材料的使用成本。

2）建议相关科研院所与企业联合建立石墨烯农用材料应用推广中心，建设一批实验室和科技示范基地，推进石墨烯材料在农业中的应用。

3）加快制定石墨烯材料在农业中应用的各项规定和标准，强化石墨烯材料在农业中应用的规范化建设。

4）加强农用石墨烯材料研发人才队伍建设。

5）尽快将农用石墨烯材料生产应用列入国家农业补贴项目。