石墨烯拥有优异的电学、力学、热学、光学、磁学、生物、机械等物理性能，随着技术的不断发展，石墨烯在农业中的应用展现了良好的市场前景，在大棚种植、温室栽培、土壤改良、高效缓释肥、无害杀虫等领域都大有用武之地。
国内外现代农业发展概况
农业是人类赖以生存的基础产业。世界发达国家基本实现了农业现代化。美国依托其雄厚的农业科技基础比如孟山都科技公司，构建了国际市场上最具竞争力的农业产业，是世界上人均粮食年产量超过1吨的国家，也是世界上最大的粮食生产国和出口国。日本人多地少，但其现代化农业水平在多项技术指标领先于其他发达国家，比如日本的水稻、豆类、饲用玉米、蔬菜、水果、花卉等农产品。
同时，日本的食品与水产品大量出口，相关上市公司的市值占据日本总产业的10%，成为出口创汇的主要部门。荷兰人均农业用地仅2亩，因此荷兰农业坚持集约化和工厂化发展道路，其温室无土栽培技术居世界首位，农产品出口率达70%，出口额占全球市场的9%。欧盟规定：在21世纪，要全面实现欧盟国家园艺作物的温室无土栽培。远在南半球的澳大利亚，其农业发展水平和生产效率均很高，人均农业生产总值排名第一。
我国是农业大国，但农业现代化还有很长的路要走。在资源环境约束趋紧的背景下，农业发展方式粗放型的问题日益凸显。主要表现在：耕地数量减少，土地质量下降，土地过度使用而缺乏休耕。更严重的是，工业化导致地下水超采、工业“三废”和城市生活垃圾等污染源向耕地扩散，污染加重，进一步导致农产品质量安全风险增大。仅通过向有限的土地精耕细作来实现农业高效产出显然不能满足我国现代农业发展的要求，因为这将受土地资源、过度使用带来的土地质量恶化、季节、气候变化等因素的影响。
集约化和工厂化是现代农业发展的大趋势，而实现农业工业化包括以下两个要点：
一是温室工厂及其无土栽培技术，包括远红外采暖技术、灯光、温度、湿度、通风、营养液、pH值、抑菌杀菌等。
二是农业的智能化管理，包括物联网技术、数字化管理、实时监控、AI技术、自动化技术等；
图1是部分国家温室工厂无土栽培占比情况：荷兰无土栽培比例高达80%；相比之下，中国仅为1%。
石墨烯在现代农业中的应用
石墨烯在温室工厂无土栽培及其智能化管理领域有良好的应用前景，包括：石墨烯远红外发热膜、石墨烯增效肥料、石墨烯传感器、石墨烯种植板、石墨烯塑料薄膜、石墨烯增效农药等。
作为现代科技创新的农业大省，江苏省农村农业厅办公室于2020年5月7日发出《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现代农业科技领域的开发应用。
1.石墨烯远红外发热膜
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，已难以适合现代农业节能高效发展的需要。石墨烯远红外发热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采暖技术，不但广泛应用于家居生活，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。
石墨烯远红外发热膜发热情况详见图2，其有两个方面特点：
一是在电场的作用下，石墨烯碳原子的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。
二是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8~14μm，可以被生物体有效吸收。其中，植物最适宜的远红外生命光波长在6~14μm之间。基于这一理论，可将石墨烯远红外电热膜应用到蔬菜集约化育苗大棚中，用来代替传统的采暖技术。相比于使用传统的采暖材料，石墨烯远红外电热膜不但可节省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。
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，用石墨烯远红外电热膜可以实现快速升温、智能调温，具有维护方便、操作简单、节能无噪音、运行安全可靠等优势。石墨烯恒温养殖槽如图3所示。
其中，石墨烯海水恒温养虾技术把传统户外养虾改为室内虾槽养殖，解决了内地无海水养殖的历史，杜绝了抗生素的使用，可让虾子存活率高于90%，是零排放的绿色环保项目。更重要的是解决了虾子的粪便毒素沉淀，对改善海水生态环境具有积极意义，展示了石墨烯恒温养殖独特的生热式环保、节能、不耗氧等特点，让远离海水的内陆地区也可以恒温养殖，让百姓餐桌上的菜肴更加健康可口。
目前，将石墨烯远红外电热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.石墨烯增效肥料
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，是现代农业面临的重大问题之一。
近年来，石墨烯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。在土壤中适当添加石墨烯，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石墨烯，不仅可以增加土壤的黏粒含量，改善土壤团粒质量，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。石墨烯复合肥料是指利用石墨烯纳米技术制成的复合肥料。科研人员在石墨烯复合纳米结构肥料方面的相关研究表明：施加石墨烯复合纳米结构肥料后，植物的养分吸收效率与产量有了明显提升。
石墨烯对肥料的增效原理有以下四方面：
一是石墨烯的比表面积大，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；
二是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，石墨烯的添加可以增强植物的光合作用；
三是石墨烯通过吸附作用，可减少氨的挥发；
四是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。
澳大利亚阿德莱德大学化肥技术研究中心成立于2007年，是世界上最大的磷酸盐和钾肥联合生产商马赛克公司（The Mosaic Company）的合作单位，专门从事高效化肥产品的开发和评估。2015年，该研究中心与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，而马赛克公司享有新技术的许可权。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，以及效率更高，这类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，可实现在总体上提高肥料的效率和植物对养分的吸收，研究人员正在继续研究石墨烯载体与氮、磷酸盐等营养素的结合。
2017年，清华大学朱宏伟教授课题组成功利用氧化石墨烯收集、运输水分的特性提高菠菜和香葱的发芽率。氧化石墨烯是石墨烯的重要衍生物，其表面含有大量的含氧官能团，因而可以溶解于很多溶剂中拓宽其应用范围。利用氧化石墨烯水溶液浇灌的土壤种植菠菜和香葱可以达到早发芽、多发芽的效果，且培育的菠菜生长速度快。对植物根表面及内部细胞的表征并未发现氧化石墨烯片的粘附和侵入，从而确保了植物生长的无污染。
氧化石墨烯可以促进农作物发芽，主要是由于表面的sp3-sp2共混结构发挥了重要作用。含氧官能团结构（sp3）具有极强的亲水性，起到水收集和土壤保湿的作用。原有的石墨烯碳结构（sp2）具有疏水性能，可以实现水的超快传输，为作物的生长提供水分。
3.石墨烯传感器
在温室甚至农田布置传感器，采集空气温湿度、土壤温湿度等周边环境参数。若土地缺水，系统自动预警，管理者通过手机一键浇水，实现智能化管理。石墨烯传感器能将环境参数转化为计算机处理和测量的电信号，这一特性满足智慧农业的管理需求。人们将石墨烯传感器应用在智慧农业，存在诸多优势，因此，石墨烯传感器是智慧农业转型升级的重要技术之一。
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，用胶带来剥离石墨烯图案，在胶带上形成传感器。这种传感器的宽度不到1/5000000米，用胶带制成的超小型传感器只需几分钱。当与水接触时，材料的性质会随着导电性能的变化而改变，这使得传感器本身对水分高度敏感。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，即使是8英尺高的玉米秸秆也能实现。
4.石墨烯种植板
温室无土栽培的过程中，种子首先和种植板接触，种植板的好坏直接影响种子的发芽率。石墨烯种植板环保、寿命长，可抑制细菌滋生。
石墨烯抑菌的原理，一是石墨烯在瞬间内破坏细菌细胞膜而使细菌失活；二是石墨烯可引发细菌细胞内某些物质氧化损伤，从而使细菌细胞死亡。
（1）“纳米刀机制”
单层石墨烯的厚度是0.34nm，细菌的大小约为800nm，石墨烯相对于细菌而言是非常锋利的二维材料，就像锯刀一样。水流中的细菌碰触到石墨烯时瞬间就会被刺破割裂细胞膜而死亡。详见图4。
（2）氧化应激引发的细菌/膜物质破坏
石墨烯可以直接迅速对细胞膜上的磷脂分子进行大规模的提取，从而导致细菌死亡（该过程在纳秒级）；氧化石墨烯可以氧化细菌体内的还原型谷胱甘肽，因此石墨烯的抗菌性除了来自对细胞膜的物理破坏外，还可能由于石墨烯引发氧自由基进而诱发了氧化损伤；当细菌暴露在氧化石墨烯环境中时，会产生超氧自由基阴离子，从而引起氧化应力，使DNA断裂而起到杀菌的作用。如图5所示。
（3）包覆导致的跨膜运输阻滞，阻遏细菌生长
石墨烯片层可以阻隔微生物和营养物质，使微生物得不到营养物质的补充而死亡。如图6所示。
石墨烯复合种植板除杀菌抑菌性能优异，还具备以下三大优势：
①防水防霉：疏水性好，网状结构确保透气性，提高基质使用寿命。
②质轻，容易施工：闭孔式发泡结构，具有轻质、强度高的特性，便于加工，安装方便。
③环保无害：食品包装级材料，绿色、环保。
5.石墨烯增效农药
基于石墨烯的抑菌性以及石墨烯与传统农药的协同抑菌机制，石墨烯高效农药应用于农业病害防治领域，可减少传统化学农药的用量，实现农业可持续绿色发展。
2019年，中国农业科学院植物保护研究所粮食作物害虫监测与控制创新团队创新性地将氧化石墨烯作为农药的增效剂，显著地提高了农药的生物活性。该研究通过静电作用将三种农药负载到氧化石墨烯上，形成氧化石墨烯复合农药，可有效地提高农药对亚洲玉米螟的生物活性。
氧化石墨烯对农药的增效机制分为三种：
一是氧化石墨烯尖锐的片层结构可机械地损伤昆虫的体壁，造成昆虫迅速失水；二是损伤的体壁为农药对昆虫体壁的穿透提供新的通道；三是吸附了农药的氧化石墨烯可沉积到玉米螟的体壁上，提高了农药的利用率。
综上所述，石墨烯应用于现代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。我国石墨资源丰富，石墨烯生产产能居全球首位，这为石墨烯在现代农业技术的应用提供了坚实的科技和产业基础。石墨烯在现代农业技术中的应用，为我国农业现代化提供了机遇，必将助推我国农业的产业升级和技术革新。
萧小月教授，巴西工程院外籍院士，青岛德通纳米技术有限公司研究院执行院长，国家石墨烯产品质量监督检验中心（山东）学术带头人，浙江中科院应用技术研究院特聘研究员，江苏省石墨烯农业科技推广联盟副理事长。
