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复旦大学/南京土壤所One Earth:源自生物质废弃物的石墨烯,仅18克实现吨级农业增产

2026-04-02 14:14:26

利用农业废弃物制备的生物炭在改良土壤和固碳减排方面展现出潜力，但其大规模应用受制于高昂的能耗需求和原料供给压力；此外，纳米材料叶面施用技术虽被视为高效农业的新途径，却始终缺乏可在实际农田中推广、兼具环境友好与经济可行性的可靠方案。如何突破现有技术的资源与成本瓶颈，发展真正符合可持续发展理念的绿色农业技术，已成为当前农业科技领域亟待解决的核心问题。

论文概要

近日，复旦大学朱向东研究员及中国科学院南京土壤研究所王玉军研究员/夏龙龙研究员等在期刊One Earth发表题为"Upcycling trace amounts of biomass waste into flash graphene can boost crop yields by more than a quarter and offer climate benefits"的研究论文。本研究开发了一种基于闪蒸焦耳加热技术的现场制备方法，可将作物秸秆等废弃生物质高效转化为闪蒸石墨烯，并探索其作为叶面施用材料对作物生长的促进机制与应用潜力。通过在四种主要大田作物上的连续田间试验，研究发现仅施用每公顷18克的微量石墨烯，即可通过增强光合作用效率与缓解氧化应激，使作物产量提升9.1%–27.3%，且不影响谷物品质。该技术体系以“微耗材、高效益”为特征，在实现作物增产的同时，显著降低了农业生产成本与全生命周期碳排放，为发展低碳循环农业、保障未来粮食供给提供了全新的技术路径与系统解决方案。

图文解读

图1. FG叶面喷施对四种主要农作物产量的提升作用（A）闪蒸焦耳加热法制备生物质闪蒸石墨烯的拉曼光谱；（B）生物质石墨烯田间应用示意图；（C）2023年田间试验中FG处理与对照组的作物表型对比；（D）FG对大豆、花生、玉米及小麦籽粒产量的影响；（E）FG处理前后作物籽粒脂肪、淀粉与蛋白质含量变化。

图2. FG在植物体内的分布特征及对土壤动物的环境毒性（A）FG对蚯蚓体内活性氧含量的影响；（B）FG对蚯蚓DNA氧化损伤标志物8-羟基脱氧鸟苷的影响；（C）基于拉曼光谱的FG在拟南芥各组织中的分布检测。

图3. FG喷施对植物光合性能的促进作用（A）拟南芥幼苗在对照、生物炭与FG处理下的表型对比；（B）叶片叶绿素a与叶绿素b含量；（C）光合系统II相关基因表达水平；（D）净光合速率；（E）光系统II电子传递速率；（F）光系统II实际光化学效率；（G）叶片细胞内羟基自由基荧光成像；（H）FG与生物炭处理组羟基自由基荧光强度统计。

图4. FG喷施对作物生长与代谢过程的调控效应（A–D）不同浓度FG处理下樱桃萝卜、大豆、花生与玉米的植株表型；（E–H）相应作物的鲜重变化；（I）FG处理玉米叶片中KEGG富集通路分析；（J）黄酮醇合成关键基因表达量及类黄酮含量；（K）类黄酮积累量统计；（L）氨基酸、类黄酮、酚酸及多酚等代谢物热图；（M）FG促进玉米生物量积累的分子机制示意图。

图5. FG与生物炭在农业应用中综合效益的荟萃分析（A）FG与生物炭在相近增产幅度下的单位面积施用量对比；（B）每增产1吨粮食对应的二氧化碳排放量；（C）每增产1吨粮食所需农资投入成本；（D）FG与生物炭的净生态系统经济效益比较。

图6. 纳米碳材料在农业中集成应用的系统示意图该图展示了以作物秸秆为原料，通过热解制备生物炭并进一步经闪蒸焦耳加热转化为FG的闭环技术路线，阐述了“地上（FG叶面增产）-地下（生物炭土壤改良）”协同促进农业可持续发展的系统架构。

总结展望

总之，本研究提出一种通过整合叶面喷施闪蒸石墨烯与土壤施用生物炭的“地上-地下”协同策略，以突破单一材料应用的局限性：该体系首先将农业废弃物经热解转化为生物炭，其中主体部分直接还田以增强土壤固碳与养分保持能力，而少量生物炭则通过现场闪蒸焦耳加热设备进一步升级为FG，作为高效叶面肥料通过提升光合电子传递速率与激活抗氧化代谢通路使多种主粮作物增产9.1%–27.3%。基于FG每公顷仅18克的极低施用量与生物炭的固碳优势，该闭环系统在降低农业生产碳排放四个数量级的同时，通过废弃物资源化实现了作物产量提升与土壤健康的协同增效，为构建气候智慧型农业提供了兼具技术可行性与经济效益的系统解决方案。未来可探索FG与生物炭在不同土壤-作物系统中的长期互作机制及碳足迹动态核算模型。

文献信息：Yubing Jiao, Xiangdong Zhu, Fengbo Yu, Manlin Xu, Rui Cai, Song Wu, Chao Jia, Chuifan Zhou, Jianzhou He, Cheng Cheng, Jason C. White, Qingfeng Song, Xinguang Zhu, Pete Smith, Kees Jan van Groenigen, Xiaoyuan Yan, Zhongfeng Zhang, Jiabao Zhang, Baoshan Xing, Longlong Xia, Jinguang Yang, Yujun Wang. Upcycling trace amounts of biomass waste into flash graphene can boost crop yields by more than a quarter and offer climate benefits. One Earth, 2025, 101486, ISSN 2590-3322. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2025.101486.

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