石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的回顧與展望

□ 吳沛良

當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，全球科技創(chuàng)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(yī)藥、環(huán)保等領域的研究熱點，而且在農(nóng)業(yè)領域也具備廣闊的應用前景[1]。

一、石墨烯在農(nóng)業(yè)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(nóng)林育苗、糧食烘干、土壤保溫、雛雞孵化、特種水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)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(fā)及幼苗生長，有利于提高作物產(chǎn)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(nóng)藥中，可以制備高效殺蟲劑和殺菌劑，提高農(nóng)藥利用效率[8]。石墨烯納米材料對農(nóng)業(yè)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(nóng)藥和重金屬吸附力強，在替代傳統(tǒng)的吸附劑方面展現(xiàn)出良好的應用前景[9]。另外，石墨烯農(nóng)業(yè)傳感器、石墨烯蠶絲紡織物等產(chǎn)品也被研發(fā)出來，在作物長勢監(jiān)測、動物疫病檢測以及大健康產(chǎn)業(yè)應用前景廣闊[10-11]。

近年來，國外石墨烯農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)傳感器開發(fā)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(lián)合生產(chǎn)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(xiàn)已證明可以通過將必需的微量營養(yǎng)素鋅和銅加載到石墨烯氧化物片上生產(chǎn)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(huán)境的影響更小，且能減少農(nóng)民對傳統(tǒng)肥料的支出，對農(nóng)業(yè)和環(huán)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(fā)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(jiān)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(jiān)測生長情況的實際例子[12]。印度開發(fā)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(nóng)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(nóng)業(yè)農(nóng)村廳在國內率先提出推動石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新應用工作，專門布置了石墨烯研究課題，組建了石墨烯農(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟。2021 年江蘇省科技廳把石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新列入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點支持項目。南京國家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心聯(lián)合石墨烯企業(yè)、科研院校成立了中農(nóng)創(chuàng)石墨烯研究院，并牽頭組織成立了石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)合體。江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院正在開展石墨烯電熱膜設施種養(yǎng)殖精準控溫技術研究，農(nóng)業(yè)農(nóng)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所開展了石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節(jié)能特性研究，臺灣地區(qū)在海蝦養(yǎng)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(yè)應用技術層面的基礎研究[14]。中國農(nóng)科院開展了氧化石墨烯負載羥甲基咪唑制備納米農(nóng)藥及其效果研究[15-16]。石墨烯還可用于畜禽養(yǎng)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(huán)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(chuàng)新成效初顯

習近平總書記高度重視石墨烯新材料的研發(fā)與應用，明確指出在當前新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導，對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等各個領域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。

對于農(nóng)業(yè)領域，到底能產(chǎn)生什么樣的影響，這需要農(nóng)業(yè)部門提出需求。當前農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的痛點有兩個：一是設施農(nóng)業(yè)特別是溫室大棚冬季采暖加溫，面臨環(huán)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(fā)新的采暖加溫技術。二是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的新要求，減少化肥農(nóng)藥使用量成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的硬約束指標，但目前傳統(tǒng)科技難以實現(xiàn)，必須研發(fā)突破性科技，提高化肥農(nóng)藥利用率。石墨烯納米材料，有望成為農(nóng)藥化肥減量使用的“添加劑”。

2020 年江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)研究會在開展國內外文獻資料研究和省內外現(xiàn)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(nóng)業(yè)農(nóng)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(fā)表后，國內許多媒體予以轉載，得到了石墨烯產(chǎn)業(yè)界、農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)、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(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工作的進展可以概括為“五個一”。

一是組建一個推廣聯(lián)盟。江蘇是農(nóng)業(yè)大省、科教資源大省，科研院所實力雄厚，農(nóng)技推廣體系健全；江蘇也是石墨烯產(chǎn)業(yè)大省，集聚了大量的人才、資金、技術，優(yōu)秀石墨烯研發(fā)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程保持全國領先，開展石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新推廣具有得天獨厚的優(yōu)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(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟，吸納了百余家聯(lián)盟成員，把石墨烯研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)業(yè)科研院校、推廣部門聯(lián)合起來，促進了跨行業(yè)、跨學科的產(chǎn)學研推有效對接。

二是開展一個課題研究項目。江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳組織實施了鄉(xiāng)村振興軟科學課題《加快石墨烯農(nóng)業(yè)新科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略與對策研究》，召開了由中國農(nóng)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(nóng)業(yè)農(nóng)村廳組織舉辦了全國“首屆石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新高峰論壇”，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國農(nóng)業(yè)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(yè)、設施農(nóng)業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)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(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)課題。組織召開了石墨烯農(nóng)業(yè)科技校企協(xié)同創(chuàng)新研究對接會，形成了一批校企協(xié)同創(chuàng)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(yǎng)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(fā)》列入2021 年度省重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）予以支持。

五是出版一本圖書。組織行業(yè)專家編寫了《中國石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)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(nóng)業(yè)出版社出版。

三、集中優(yōu)勢資源，打通跨界壁壘

當前，石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工作進入關鍵時期，在形成了濃厚的研發(fā)氛圍、開展了初步的試驗研究、明確了具體研發(fā)方向的基礎上，需要集中研發(fā)資源、生產(chǎn)資源、推廣資源，打通跨界壁壘，加快石墨烯產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的融合發(fā)展。全面開啟石墨烯農(nóng)業(yè)科技的研發(fā)攻關、招商引才和試驗示范，促進政產(chǎn)學研優(yōu)勢資源整合，加快推動石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

（一）全面啟動石墨烯農(nóng)業(yè)科技研發(fā)攻關項目——組建一個聯(lián)合體，設立九大研發(fā)創(chuàng)新團隊

跟蹤石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展動向和前沿技術，有效整合石墨烯產(chǎn)業(yè)科研力量與農(nóng)業(yè)科研資源。石墨烯生產(chǎn)企業(yè)與農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)組建石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)合體，在應用開發(fā)和示范推廣兩端同時發(fā)力，重點組織開展石墨烯電熱膜設施種植智能控溫系統(tǒng)、石墨烯電熱膜設施養(yǎng)殖智能控溫系統(tǒng)、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(chǎn)品、石墨烯高效納米農(nóng)藥產(chǎn)品、石墨烯功能性土壤改良劑、石墨烯農(nóng)業(yè)水體凈化劑、石墨烯功能性農(nóng)用薄膜、石墨烯農(nóng)業(yè)傳感器等技術研發(fā)與產(chǎn)品推廣。聯(lián)合體下設九大方向研發(fā)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(nóng)業(yè)科技關鍵技術。申報一批專利，形成一批產(chǎn)品，制定一批標準，培育一批品牌，為申報實施石墨烯農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)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(yè)總部。石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新是一個新領域、一個大項目、一個系統(tǒng)工程，項目、資金、人才和創(chuàng)新環(huán)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(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。這就需要政府部門、行業(yè)組織、金融機構、石墨烯領域和農(nóng)業(yè)領域的科學家、企業(yè)家跨界合作，培育石墨烯農(nóng)業(yè)應用研發(fā)領域排頭兵企業(yè)。以新型研發(fā)機構為引領，圍繞石墨烯農(nóng)業(yè)科技關鍵、共性技術開展聯(lián)合攻關，強化石墨烯農(nóng)業(yè)應用基礎研究，實現(xiàn)前瞻性基礎研究和原創(chuàng)性重大成果突破，著力提升石墨烯農(nóng)業(yè)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(yōu)秀人才，培育創(chuàng)新人才團隊，形成緊密合作共同體，強化石墨烯農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游關聯(lián)銜接，進而拉動石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)發(fā)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(chuàng)新成果的中試。圍繞九大方向形成創(chuàng)新團隊，在學術端開展石墨烯產(chǎn)品基礎試驗，產(chǎn)生涵蓋農(nóng)業(yè)種養(yǎng)全領域的試驗數(shù)據(jù)，突破一批核心技術，研發(fā)一批石墨烯農(nóng)業(yè)應用新產(chǎn)品；另一方面加強引進消化吸收再創(chuàng)新步伐，將國內外成熟的新技術、新產(chǎn)品引進來，并在生產(chǎn)端的各個環(huán)節(jié)進行檢驗，促使石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)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(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新成果轉化機制，在科研院所、農(nóng)職院校及有條件的企業(yè)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(nóng)業(yè)科技知識的培訓普及，當前應當作為農(nóng)業(yè)新科技培訓的重點。依托農(nóng)業(yè)高職院校及有條件的企事業(yè)單位建立培訓基地，在全國開展石墨烯農(nóng)業(yè)應用高新技術培訓，依托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳的相關會議及技術培訓會，進行石墨烯農(nóng)業(yè)科技宣傳推廣。同時，聯(lián)合溫室大棚、蔬菜、畜牧、水產(chǎn)、花卉等各領域行業(yè)協(xié)會，共同舉辦培訓活動，擴大石墨烯農(nóng)業(yè)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(chǎn)企業(yè)，全程參與石墨烯農(nóng)業(yè)科技成果研發(fā)，對接有條件的農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，開展示范應用，打通產(chǎn)品市場渠道，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村領域試驗研究、示范集成和推廣應用最新石墨烯農(nóng)業(yè)科技成果，使優(yōu)秀石墨烯農(nóng)業(yè)科技成果落地發(fā)展。

四、未來潛力巨大，農(nóng)村前景廣闊

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

（一）引領新一輪農(nóng)業(yè)科技革命

我國是農(nóng)業(yè)大國，需要優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村。全面推進鄉(xiāng)村振興、促進農(nóng)業(yè)高質高效發(fā)展和農(nóng)民富裕富足是全黨全社會高度重視的重大任務。我國農(nóng)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)出率，不僅破解了冬季蔬菜供應不足的難題，而且開拓了農(nóng)民增收的新路子。我國是設施農(nóng)業(yè)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(fā)熱效率高、安裝靈活、啟動迅速、發(fā)熱均勻、操作維護方便、降噪環(huán)保等優(yōu)點，在設施種養(yǎng)殖領域應用前景廣闊。另外，石墨烯在促進種子種苗萌發(fā)生長、提高肥料農(nóng)藥利用效率、提高植物抗逆能力、動物疫病檢測、農(nóng)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的研發(fā)創(chuàng)新與推廣應用，必將推動我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術提檔升級，引領新一輪的農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園

南京國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科創(chuàng)中心作為首家國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科創(chuàng)中心，受到農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和江蘇省、南京市政府高度重視，圍繞建設世界知名“農(nóng)業(yè)硅谷”，農(nóng)創(chuàng)中心創(chuàng)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(nóng)創(chuàng)園為載體，聯(lián)合中國農(nóng)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(yōu)勢資源和力量，聯(lián)合一流企業(yè)、一流科研院所、一流重點實驗室、一流農(nóng)業(yè)應用企業(yè)，配套組建成立江蘇省石墨烯產(chǎn)業(yè)推進委員會，組織實施石墨烯農(nóng)業(yè)科研攻關，定制生產(chǎn)適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主導及特色產(chǎn)業(yè)的石墨烯產(chǎn)品，發(fā)展成為石墨烯農(nóng)業(yè)產(chǎn)品研發(fā)總部；注重試驗示范與生產(chǎn)實際相結合，變“由研到產(chǎn)”為“產(chǎn)研互動”，建設成為石墨烯農(nóng)業(yè)應用示范窗口；加強石墨烯農(nóng)業(yè)高新科技宣傳交流，通過技術培訓、學術論壇等方式發(fā)揮輻射帶動作用，塑造成為石墨烯農(nóng)業(yè)科研成果的推廣中心。

（三）開發(fā)千億級農(nóng)村石墨烯大市場

一是建立國內外市場營銷體系。建設循環(huán)暢通、運行高效的石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)品營銷體系，政府要加強引導支持，對已經(jīng)成熟的技術如石墨烯電熱膜用于溫室大棚、畜禽水產(chǎn)工廠化養(yǎng)殖等項目列入農(nóng)業(yè)補貼項目，加快推廣。對應用石墨烯農(nóng)業(yè)新產(chǎn)品的農(nóng)戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)業(yè)企業(yè)等主體給予財政補貼。要充分發(fā)揮市場引領作用，企業(yè)要著力增強市場引領、市場營銷、產(chǎn)品銷售和價值創(chuàng)造“四種能力”，找準市場、細分市場、精準施策，塑造新競爭優(yōu)勢。

二是爭取國家重大推廣項目。國家應設立石墨烯農(nóng)業(yè)科技重大專項，出臺石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項計劃，進一步加大對石墨烯農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研發(fā)、應用與推廣的支持力度。盡快出臺后續(xù)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(yè)和研發(fā)人員給予獎勵，充分激發(fā)企業(yè)和市場積極性。大力發(fā)展符合石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)特征的金融產(chǎn)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(yè)態(tài)，制定和完善風險補償、基金扶持等政策。落實石墨烯農(nóng)業(yè)科技重大技術裝備保險補償機制，推動首批次石墨烯農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)品的推廣應用。