石墨烯在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用前景淺析

李海濤沈健民陳駿

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格狀的二維碳納米材料。石墨烯具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、能源、微納加工、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種有望引發(fā)技術(shù)革命的新材料。我國(guó)石墨烯資源豐富，石墨烯基礎(chǔ)儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的24%左右，石墨烯產(chǎn)量位居世界前列。目前已查明的晶質(zhì)石墨烯儲(chǔ)量為5 500萬(wàn)t，其中，黑龍江、內(nèi)蒙古地區(qū)石墨烯儲(chǔ)量分別約占全國(guó)總儲(chǔ)量的47%和19%。2018年3月31日，我國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng)［1］。

1 石墨烯在農(nóng)業(yè)中推廣應(yīng)用的必要性

1.1 推廣應(yīng)用石墨烯是農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正在由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整升級(jí)，生產(chǎn)水平不斷提升［2］；但仍存在生產(chǎn)規(guī)模較小，生態(tài)環(huán)境惡化，勞動(dòng)力老齡化嚴(yán)重，勞動(dòng)生產(chǎn)率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及資源利用率較低等問題，探索生產(chǎn)集約、產(chǎn)出高效、環(huán)境友好、產(chǎn)品安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展道路是解決這些問題的根本途徑。

石墨烯材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)對(duì)有效提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率、保障農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境都將起到積極的作用。而且，我國(guó)石墨烯儲(chǔ)量相當(dāng)豐富，也為石墨烯新型材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 推廣應(yīng)用石墨烯是農(nóng)機(jī)化發(fā)展的必然要求

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，從農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史來(lái)看，生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的每次飛躍，都離不開科技創(chuàng)新。20世紀(jì)60年代，通過育種、化肥、農(nóng)藥等技術(shù)創(chuàng)新成果的集成應(yīng)用，引發(fā)了以生產(chǎn)矮稈作物品種為代表的第一次綠色革命。20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的以動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)新為核心的第二次綠色革命，雖然為糧食生產(chǎn)節(jié)本增效提供了巨大的潛力，但也因其可能存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及食品安全、商業(yè)操控等問題，并未達(dá)到預(yù)期效果。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等新技術(shù)、新裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，并正在逐步改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。石墨烯材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)高科技發(fā)展的一大機(jī)遇，必將引發(fā)新一輪的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)革命［3］。

2 石墨烯在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 石墨烯薄膜在農(nóng)作物種植大棚中的應(yīng)用

近年來(lái)，溫室效應(yīng)、霧霾天氣、空氣污染等問題逐漸引起了人們的關(guān)注［4］。在農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)領(lǐng)域，由于傳統(tǒng)的增溫方式（燃煤、燃油、電熱等）存在能耗高、安全性低、空氣污染、安裝復(fù)雜等問題，已不再適合農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要。石墨烯薄膜作為一種新的電熱材料，因其電熱轉(zhuǎn)化效率高達(dá)99%，且安全無(wú)污染，成為一種理想的新型增溫材料。石墨烯薄膜有兩個(gè)方面的特點(diǎn)：一方面，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，石墨烯中的碳電子與光學(xué)聲子碰撞，電子的電勢(shì)能部分轉(zhuǎn)化成光學(xué)聲子的內(nèi)能，光學(xué)聲子迅速將其內(nèi)能傳遞給聲學(xué)聲子，而聲學(xué)聲子向熱沉傳遞能量的速度較低，導(dǎo)致能量在聲子上累積，最終導(dǎo)致碳納米材料快速升溫；另一方面，石墨烯薄膜以紅外輻射的方式增加周圍環(huán)境的溫度，紅外輻射波的波長(zhǎng)集中在6～14μm。研究表明，只有波長(zhǎng)在760～1 000 nm的紅外光才能對(duì)植物的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，波長(zhǎng)大于1 000 nm的紅外光主要是引起植物的組織或器官的溫度升高，不參與植物的光合作用。6～14μm的紅外線被稱為“生命光波”，很容易被植物吸收并轉(zhuǎn)化為植物的內(nèi)能。

基于此，可將石墨烯紅外電暖薄膜應(yīng)用到蔬菜集約化育苗大棚中，用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采暖材料。相比于使用傳統(tǒng)的采暖材料，采用石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖薄膜，不但可節(jié)省30%～50%能耗，而且還可以簡(jiǎn)化育苗工序，減少病蟲害的發(fā)生率，降低生產(chǎn)成本，提高種苗成活率。目前，將石墨烯紅外電暖膜應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚中的生產(chǎn)實(shí)踐還比較少，還需要更多的實(shí)踐數(shù)據(jù)作為制定石墨烯紅外電暖膜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和安裝、操作技術(shù)規(guī)程的依據(jù)。

2.2 石墨烯薄膜在農(nóng)作物烘干中的應(yīng)用

紅外加熱速度快，紅外光波有一定的穿透能力，能穿透農(nóng)作物的表面直接加熱農(nóng)作物內(nèi)部的有機(jī)物、水等，降低農(nóng)作物的內(nèi)外溫差，可在快速蒸發(fā)農(nóng)作物內(nèi)部水分的同時(shí)，減少對(duì)農(nóng)作物的損傷。目前，遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)生元件主要有表面涂覆納米氧化物的金屬管、碳化硅板、乳白石英管等，將此類紅外加熱材料應(yīng)用到加熱領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的加熱方式，不但在生產(chǎn)效率上可以提高20%～30%,還可以節(jié)電30%～50%,節(jié)省其他能源約30%。

1996年日本已開始在干燥機(jī)上使用遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)［5］。目前，日本使用遠(yuǎn)紅外線的干燥機(jī)已經(jīng)有2 000多臺(tái)。最近，日本又開發(fā)了“常溫減壓快速干燥系統(tǒng)”，與傳統(tǒng)的高溫干燥技術(shù)相比，該技術(shù)不但可縮短干燥時(shí)間，還可減少50%的能源消耗。

2.3 石墨烯在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，我國(guó)肉類需求量快速增加，畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖廢水處理難度加大。目前，畜禽養(yǎng)殖廢水的處理方法主要有自然處理法、生物處理法、物化處理法等。采用自然處理法需要大量的土地，廢水處理周期長(zhǎng)，還會(huì)對(duì)土壤、河流等的生態(tài)造成嚴(yán)重破壞。物化處理法對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中的COD、氨氮、重金屬等有一定的去除能力，但凈化效果欠佳，還不能大規(guī)模地推廣應(yīng)用。生物處理法對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中污染物的濃度有較高的要求。

氧化石墨烯以其超大的比表面積、良好的親水性、超強(qiáng)的吸附性等特點(diǎn)引發(fā)人們對(duì)其在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用研究。用氧化石墨烯與黃假單胞菌聯(lián)合體系處理畜禽養(yǎng)殖廢水的研究表明：聯(lián)合體系的最佳投加比為7%的黃假單胞菌液加1 mg/L的氧化石墨烯溶液；最佳作用周期為3天，且經(jīng)該聯(lián)合體系處理3天后的畜禽養(yǎng)殖廢水中的COD、銨氮、TN和TP去除率達(dá)到最大值，也達(dá)到了畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18596-2001）。在相同的條件下，相比于單一的處理體系，該聯(lián)合體系對(duì)污染物的處理能力提高了數(shù)倍，可能的原因是黃假單胞菌適應(yīng)了環(huán)境后，將氧化石墨烯原位還原成石墨烯，石墨烯增強(qiáng)了聯(lián)合體系對(duì)污染物的吸附降解作用。石墨烯在畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的研究還處于初期階段，對(duì)污染物的處理機(jī)理還不太明確，還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。

2.4 石墨烯在肥料生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國(guó)是世界上最大的化肥生產(chǎn)與使用國(guó)家，年化肥施用量占全世界化肥施用總量的35%，但是化肥的利用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家?，F(xiàn)如今，擺在我們面前最大的課題就是要在保障糧食產(chǎn)量的前提下，提高化肥利用率，減少化肥施用量。

近年來(lái)，碳納米材料作為添加劑在土壤保肥、提升肥料利用率、促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)等方面的應(yīng)用備受關(guān)注。在土壤中適當(dāng)添加碳納米材料，不僅有利于種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)，而且有利于提升作物產(chǎn)量及品質(zhì)。在肥料中摻雜適量的碳納米材料，不僅可以增加土壤的黏粒含量，改善土壤質(zhì)地，而且可以提高土壤對(duì)于養(yǎng)分的吸附保持功能，減少?gòu)搅髦械租浀瑞B(yǎng)分的流失，從而提升化肥利用率，起到節(jié)肥增效的作用。

納米結(jié)構(gòu)肥料是指利用納米技術(shù)制成的納米級(jí)肥料，例如納米尿素，納米磷灰石肥料等?？蒲腥藛T在納米結(jié)構(gòu)肥料方面做了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加納米結(jié)構(gòu)肥料后，植物的養(yǎng)分吸收效率與產(chǎn)量有了明顯提升。

納米碳材料對(duì)肥料的增效原理有以下四個(gè)方面：

1）石墨烯較大的比表面積可以有效地吸附養(yǎng)分離子，增加土壤養(yǎng)分，從而起到增效節(jié)肥的作用。

2）石墨烯可增強(qiáng)植物呼吸作用，提高光化學(xué)反應(yīng)速率。由于納米碳能夠從NH4+中吸出N元素，釋放出H+，H+是植物吸收土壤水分和溶解于水中的營(yíng)養(yǎng)元素的動(dòng)力源，因此，納米碳的添加可以增強(qiáng)植物的光合作用。

3）石墨烯可減少氨的揮發(fā)。

4）石墨烯可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)。

雖然納米碳材料與肥料混合使用會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用，但使用不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用，這與材料濃度、種類以及植物品種、生長(zhǎng)條件有關(guān)。目前，對(duì)于碳納米材料與作物之間的作用、調(diào)節(jié)機(jī)制等方面的研究還很缺乏。因此，碳納米材料對(duì)作物的影響方式、進(jìn)入途徑以及對(duì)作物的基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等的作用將成為今后相關(guān)研究的主要方向。

3 石墨烯在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的問題

1）石墨烯材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還處在初期階段，在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于嘗試階段，人們對(duì)新事物的認(rèn)識(shí)還需要一個(gè)過程。

2）石墨烯薄膜制作投入成本太高，限制了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

3）農(nóng)用石墨烯技術(shù)研發(fā)還處于初級(jí)階段，需要大量的試驗(yàn)示范數(shù)據(jù)作為技術(shù)推廣應(yīng)用的支撐。

4）農(nóng)用石墨烯材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)較少，技術(shù)推廣力量比較薄弱。

4 石墨烯在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用與推廣的建議

現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。一方面，國(guó)家高度重視糧食生產(chǎn)安全，出臺(tái)了一系列支農(nóng)惠農(nóng)政策，加快推進(jìn)糧食生產(chǎn)機(jī)械化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；另一方面，耕地面積減少、勞動(dòng)力成本高、生態(tài)環(huán)保要求高，又是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)問題。而石墨烯材料的應(yīng)用將給農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來(lái)新的動(dòng)力。建議從以下5個(gè)方面入手，加快推進(jìn)農(nóng)用石墨烯材料的研發(fā)與示范推廣應(yīng)用：

1）加大政策扶持力度。成立石墨烯農(nóng)用材料創(chuàng)新研發(fā)中心，把農(nóng)用石墨烯研發(fā)項(xiàng)目列入國(guó)家重點(diǎn)支持科技項(xiàng)目，加快農(nóng)用石墨烯最新研究成果轉(zhuǎn)化；同時(shí)，要結(jié)合農(nóng)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，研發(fā)石墨烯材料，降低農(nóng)用石墨烯材料的使用成本。

2）建議相關(guān)科研院所與企業(yè)聯(lián)合建立石墨烯農(nóng)用材料應(yīng)用推廣中心，建設(shè)一批實(shí)驗(yàn)室和科技示范基地，推進(jìn)石墨烯材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

3）加快制定石墨烯材料在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的各項(xiàng)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化石墨烯材料在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的規(guī)范化建設(shè)。

4）加強(qiáng)農(nóng)用石墨烯材料研發(fā)人才隊(duì)伍建設(shè)。

5）盡快將農(nóng)用石墨烯材料生產(chǎn)應(yīng)用列入國(guó)家農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼項(xiàng)目。