新材料之王石墨烯 将掀起一场“农业科技革命”

这场疫情对农民最大的影响是外出打工难，直接影响到农民增收。让农民在农村有事干、有钱赚，已经是当前面临的重大课题，也是促进农民增收的长期任务。众所周知，农村劳动力的充分就业，是增加农民收入的重要途径。

农村劳动力的就业出路：

一是向农外转移，但疫情期间严重受阻；

二是农业内部挖潜，发展劳动密集型产业。

近年来，随着石墨烯相关产业的不断发展，石墨烯在农林方向的应用研究也不断实现新突破，其科学成果逐渐走进人们的视野，惠及百姓日常生活。2020年5月7日江苏省农村农业厅办公室发出（苏农办发〔2020〕8号）《关于建立石墨烯农业科技推广联盟的通知》，通知要求加快推进石墨烯在农业领域的开发应用，推动新一轮农业科技革命，促进农业生产方式转变和资源高效利用，由江苏省现代农业科技产业研究会牵头，成立石墨烯农业科技推广联盟，联合从事石墨烯研发的科研院所和制造业、推广部门以及相关农业经营主体，形成石墨烯农业科技研发、生产、推广、应用一体化格局， 提升农业产业综合竞争力，提升农业现代化水平。

石墨烯农业科技推广联盟作为专门从事石墨烯农业应用的新型研发机构，将跟踪研究国际最前沿技术，集成国内外石墨烯农业研究成果，并进行产业化开发应用，使石墨烯最新研究成果尽快在农业领域落地生根。联盟运作要实体化，基地展示要示范化，园区服务要专业化，政策配套要定制化，将建立石墨烯农业应用新型研发机构、建立石墨烯展示中心、创建石墨烯产品演示基地、开展石墨烯产品试验示范基地。

石墨烯是用途广泛的“新材料之王”

2004年英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯，他们二人因此获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由单层碳原子层构成的蜂窝状晶格二维原子晶体，理论厚度仅为0.34纳米。石墨烯是人类已知强度最高、重量最轻、韧性最强、透光率最好、导电导热性最佳的材料，被誉为21世纪最具颠覆性的“新材料之王”。

近十年来，伴随着节能环保、新能源、新材料等新兴产业的发展，石墨烯概念在全球受到广泛追捧。目前，欧洲、美国、日本等众多国家，都把石墨烯作为本世纪最重要的新材料进行研究和开发，并已在新能源、电子等方向取得了重要进展和应用效果。

我国既是石墨储能大国，也是石墨烯研发及应用最活跃的国家之一。近年来，我国石墨烯的研发应用成效显著，已在能源、生物技术、复合材料、电子和网络技术、航天航空等领域展现出广阔的应用前景。但在农业领域仅有少数科研院校进行自主研发，成果应用极少。

石墨烯农业科技应用前景广阔

我国石墨资源丰富，价格低廉，石墨烯研究及利用在我国具有得天独厚的优势，随着石墨烯基础研究的不断突破，产业化应用也在不断拓展，并逐渐延伸到农业领域，国内外研究成果初步展示在温室大棚、工厂化畜禽养殖、雏鸡孵化、特种水产反季节养殖方面，具有广阔的应用前景。

石墨烯电热膜的应用

石墨烯采暖作为一种全新采暖方式，不但应用于家居生活，在农业和农村也具有广泛的应用领域，涵盖蔬菜大棚、花卉栽培、农林育苗、土壤保温、雏鸡孵化、特种水产养殖等产业。

一是温室大棚上应用。温室大棚是我国设施农业最普及的生产方式，不仅大大提高土地产出率，而且解决了反季节生产。但最大的困扰，是大多温室热源采用热风炉、采暖炉或电热线等。不仅能耗高，污染大，而且稳定性差、成本高。石墨烯电热膜系统电热转化率高，一般节约能源30—50%，也不会造成污染。石墨烯电热膜覆土后，远红外直接增温可显著促进幼苗发育，有效增强光合作用。

二是设施养殖上应用。在养殖领域，特别是对畜禽良繁场、水产种苗场、以及特种水产、工厂化畜禽生产企业，用远红外石墨烯电热膜可以实现快速升温、智能调温、维护方便、操作简单、节能无噪音、运行安全可靠。远红外线对畜禽水产健康发育具有促进作用。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。

石墨烯纳米材料的应用

综合国内外研究，土壤中适当添加石墨烯纳米材料，有利于种子萌发及幼苗生长，有利于提高作物产量及品质。肥料中添加石墨烯纳米材料，能增加土壤的黏粒含量，改善土壤质地，且纳米炭具有极大比表面积，能提高土壤对养分元素的吸持力，从而有效控制养分地上挥发、地表径流和深层渗漏的损失。同时纳米炭能改善土壤的电化学性质，促进根系吸收养分，从而提高肥料利用率，减少农业面源污染，最终起到节肥增效作用。

石墨烯纳米材料在农业污染物吸附和净化中也是有卓越的作用，特别是对水体中农药和重金属污染，吸附力强，在替代传统的吸附剂方面展现良好的应用前景。

石墨烯将掀起一场农业科技革命

20世纪60年代以培育推广矮秆、耐肥、抗倒伏等粮食新品种为主要内容的“绿色革命”，大幅度提高了粮食产量。

20世纪80年代我国掀起了以温室技术和地膜覆盖为主要内容的“白色革命”，改变了农业生产时空条件，使异地生产、反季节生产成为可能，变冬闲为冬忙，变一季为多季，大大提高了土地产出率，不仅解决了我国北方冬季蔬菜供应严重不足的问题，而且丰富了市民的菜篮子，充实了农民的钱袋子。

当前，我国现代农业发展面临着重大的机遇和挑战。一方面中央高度重视粮食、生猪等重要农产品生产；另一方面，面临着耕地不断减少、环保要求提高、农民增收难度加大的压力，迫切需要颠覆性的科技创新实现农业新的飞跃。

石墨烯作为“新材料之王”，在农业领域应用石墨烯电热膜替代传统热源，掀起一场“温室大棚革命”，对设施农业、工厂化养殖、种子种苗等产业的转型升级必将发挥强力推动作用。随着石墨烯研发的不断深化，农业应用领域将更加广泛，有可能担当起新一轮农业科技革命的“主角”。

江苏是石墨烯产品研发和制造大省，2014年第一个国家级石墨烯高新技术产业化基地落户常州，2015年成立全国第一个石墨烯研发机构——江南石墨烯研究院，集聚了一批研发团队和制造企业，有条件为农业领域石墨烯研发应用提供技术支撑。

江苏是一个设施农业大省，温室大棚花卉蔬菜、工厂化食用菌、规模化畜禽养殖、特种水产反季节养殖等，迫切需要加快研发与示范推广石墨烯采暖方式。

温室大棚

温室大棚大大提高了农村劳动力吸纳能力，也提高土地利用率和农产品产出率，为农民增收创造了机会。贫困地区曾提出“一户一棚奔小康”。

但当前温室大棚遇到了前所未有的挑战，原有的煤锅炉采暖方式，因环境污染而被禁用。改用天然气或电，因成本高难以推广，迫切需要新能源替代，达到节能环保、增产增收的目标。

集约化育苗

石墨烯电暖加温成了蔬菜集约化育苗的“新宠”！

深冬季节，对于从事蔬菜育苗产业的朋友来说，想必都有同样的烦恼，那就是设施内温度容易偏低。要是碰上阴雨和下雪天气，温度低，湿度大，苗不长不说，还容易生病。如何做好育苗保温工作对于育苗大户和育苗单位来说，非常重要。

传统增温方式有燃煤水热、燃油风热和电热线（毯）、电热风等，由于高能耗、低安全、不环保、安装复杂、专业操作技术性强等问题，致使种苗成本较高，不利于规模化生产，也不符合我国低碳经济政策要求。

石墨烯远红外电暖加温，它既能减少育苗设施大量燃煤供暖造成的环境污染，又能解决苗床温度稳定性问题，具有广阔的应用前景。

一、什么是石墨烯远红外电暖加温？

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出来的单层碳原子材料，有着超强的导热性和优异的电学性能，作为热电材料目前主要应用于地暖、暖画、理疗暖贴和发热服装等。

石墨烯电热加温板使用的是一种通电后即能发热的石墨烯水性碳纳米材料，发热过程中会辐射大量波长为8～14μm的远红外线，能被生物体有效吸收（植物最适宜的远红外生命光线为6～14μm）。

石墨烯远红外电暖工程的有效电热能总转换率达99%以上，发热性能稳定长久，与传统锅炉相比可节省30%～50%的能耗。

二、它在蔬菜集约化育苗中应用效果如何？

安徽宿州市农业科学院及宿州市埇桥区农业技术推广中心的工作人员针对石墨烯远红外电暖加温的应用效果，于2017年12月在宿州市蔬乐园农业科技有限公司育苗基地进行了安装试验示范。

试验温室为PC板连栋温室，面积3168平方米，内部四周用丝绵被保温。温室内有移动苗床59个，总面积2171.7平方米，苗床上搭建小拱棚，4丝农膜覆盖，夜间加盖保温被。

▲石墨烯远红外电暖安装和使用效果

试验采用地面式石墨烯电热膜，产品额定功率330W，按苗床方向安装在苗床下面的横支撑上，电热板面积∶苗床面积为1∶4，电热板距离苗床底部约40cm。

试验配套安装了石墨烯远红外电热自动控制系统，每个移动苗床安装1个自动控温仪和控制开关，设定分时分区控制，温度区间可自动设置调控，温度经设定后可自动调节室内温度，达到恒温效果。

设定石墨烯电热膜表面温度恒温45℃，预计在室外低温-2℃以下时室内温度可以达到10～35℃，苗床棚内温度控制在夜间15～25℃、白天25～35℃。以西瓜嫁接育苗为试材，对石墨烯远红外电暖在西瓜集约化育苗中的应用效果进行观测记录，包括温湿度、种苗生长状况等。

1、应用效果

（1）增温效果

从记录结果看，在夜间室外温度-15～-2℃的情况下，室内温度整体可达到2～15℃，育苗床上小拱棚内温度可达16～26℃，正常维持在21℃，增温效果稳定。按需求预置恒温数据，以保证西瓜嫁接苗顺利越冬生长。

（2）育苗效果

2017年12月26日接穗播种、12月31日砧木播种，2018年1月6日开始嫁接，至2月3日西瓜嫁接苗达到三叶一心的壮苗标准，历时38天。整个管理过程为苗床每隔1天补水1次，不施肥，没有病菌感染，苗壮叶旺，长势良好。

通过石墨烯远红外电暖加温后，种子出苗率达到98%左右，嫁接苗成活率达到98%以上，与普通加热方法种苗80%左右的出苗率相比较提高10%。

应用石墨烯远红外电暖加热过程中，没有进行消毒、喷洒农药、施肥等工序，根壮苗旺，大大减少人工作业，降低生产成本。同时也缩短了种苗培育时间，石墨烯远红外电暖加温与其他加温方式相比，西瓜嫁接苗提前10～15天出圃，且长势良好。

2、成本分析

（1）安装成本　

石墨烯远红外电暖系统的安装成本包括电热膜、智能温控仪及安装、调试费等，折合单位造价为64.52元/平方米。

该试验温室原安装燃煤锅炉供暖系统，包括2.5吨锅炉和配套的锅炉房、热水管道、管道热水泵、散热器（镀锌翘片管）、高温水阀等，折合单位造价为76.14元/平方米。石墨烯远红外电暖与燃煤锅炉水暖安装成本相当，没有进行变压器增容。

（2）应用成本

经测算，该石墨烯远红外电暖系统的日加温费用为672元。之前采用燃煤锅炉供暖的话，考虑到每天用煤的投入及锅炉工作人员每天的工资，测算得到的每天综合费用超过1000元，费工费力不安全。

工作人员还对石墨烯远红外电暖和电热线加温效果进行了比较，取相邻2个相同规格的苗床（1.8m×17.5m）分别安装4盘电热线（1000W）和4片石墨烯电热板（330W，300cm×50cm×6cm）。经测算，采用石墨烯远红外电暖，可节省能耗30%～50%。

目前，试验基地以前采用的传统锅炉水暖、地热线等加温采暖方式，因效果不佳、能耗过高，已停用。

3、存在哪些问题？应用前景如何？

存在问题：

石墨烯远红外电暖前期一次性投入相对较高，但是使用成本低、应用效果好、使用寿命长（电热膜寿命50年，温控器寿命3～8年）。石墨烯远红外电暖在集约化育苗中初次应用，具体数据、参数还需要进一步试验总结，进而形成产品标准和安装、操作技术规程。

在今后的应用中，石墨烯电热膜使用面积与苗床面积比率可为1∶5～1∶4，并进一步运用智能化，采用可全触摸操控集成控制系统，通过恒温分时分区控制，如升级基于GPRS的远程访问功能，利用互联网对温控器进行远程控制和管理，支持长达180天的历史记录存储，可查询历史温度曲线和加热状态，分多区域控制在网，实现集约化育苗产业化精准作业。

应用前景：

石墨烯电加热产品经3750V耐压测试，不存在漏电、触电的危险，防水等级高达IPX7标准，是通电后即能快速发热，达到设定温度的高科技绿色环保新能源材料。

优点：

（1）能耗低，使用寿命长，安全性高，防水、防漏电，能够解决冬季燃煤、燃油、燃甲、乙醇、燃气等供暖污染的难题，且有净化空气的功能。

（2）该产品结构紧凑、占地面积小、热效率高，大大缩短了安装工期，电热转换率高达99.15%，热能利用率高，节能效果显著。

（3）石墨烯电热板通电后产生的8～14μm远红外“生命光波”，容易被植物吸收并转化为内能，种苗无需进行定期消毒、喷洒农药和施肥等工序，大大减少病虫害防治次数，降低了生产成本，培育的种苗绿色环保。

综上，石墨烯远红外电暖加温系统一次性投入较高，但综合成本低，经济效益、社会效益及环境效益突出，可以在瓜菜类集约化育苗中推广应用。