秸秆可水电联发？循环固碳大棚很智慧

科技日报记者 赵汉斌

我国西南山区，许多农村土壤贫瘠、水资源缺乏且存在不同程度的污染。同时，各地，虽已建立起覆盖面较广的农电网络，但部分偏远村组和农户“电网末梢”吃紧的状况仍未完全得到缓解。

“科研如何以实际行动助力乡村振兴”是云南大学材料与能源学院教授万艳芬带领的云南省微纳米材料与技术重点实验室团队一直萦绕在心的问题。针对云南省情和山区实际，隶属于该实验室的云南大学绿源功能材料团队，展开了持久探索。

近期，他们以作物秸秆为原料，经碳化后制备出光热材料，并经过三重仿生设计，制备出水电联发的清洁能源装置，并建起了循环固碳智慧大棚。

创新利用秸秆参与水伏发电

来自云南省农业农村厅环境资源处的数据，2021年，云南省秸秆资源理论量1972.08万吨，可收集量1763.91万吨，秸秆主要来自玉米、水稻、甘蔗、油菜、小麦、薯类等为主，尤其以玉米、水稻、甘蔗秸秆利用空间巨大。

在部分农村，仍存在粗放生产，面源污染大、农业废物难处理、农药化肥成本高、作物产量低下等问题。

“基于学科所长，聚焦农业废料再利用为主题，是科研团队致力绿色发展、促进乡村振兴的着力点。”万艳芬说，他们把视线投向了清洁能源。

近年来，随着纳米材料研究的推进，人们发现部分碳材料在与液体作用时，会表现出一系列新的生电效应，如波动生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等，这些现象统称为水伏效应。这种新的生电效应，为新型能源开发辟出了新路。

“我们的创新点在于‘水电联发’。”绿源功能材料团队负责人、云南大学硕士研究生赵嵘介绍，这个装置主要以秸秆碳化后的生物质炭作为涂层材料。这种生物质炭属于石墨材料，易于与水进行表面耦合，可使水分在材料的纳米微通道中定向渗透，并因为静电作用造成水中正负电荷分离，使上下游产生电势差，从而产生电压。

与此同时，在太阳光照射下，这种水电联发装置能够将农业废水转换为清洁的农业用水，重金属离子去除率高达92%，解决农业废水难处理以及部分地区水资源紧缺的问题。

首创智慧大棚植物诊疗平台

云南大学绿源功能材料团队成立于2016年9月，成员是来自云南大学材料化工、新能源、信息技术、生物科学、财务管理、视觉传达设计等多学科领域的数十名研究生，是省内青年创新领域小有名气的一支实力过硬、专业性强的技术团队。

“这个年轻的团队，利用水伏发电，净水又发电，减污节能这一构想，通过太阳能水电联发装置配套，建成循环固碳智慧大棚，对作物进行精准呵护。”万艳芬说，这样可提高作物产量，增加经济效益，助力乡村振兴。

此前，他们做了充分调查，发现在云南种植花卉、蔬菜的智慧大棚，多停留在仅能监测棚内环境温度湿度，搭建成本高、碳排放量较高但智能化程度较低等问题。

“针对这些痛点，我们想，何不以作物秸秆为原材料，制备一套水电联发装置，通过太阳能清洁能源，净化农业废水，并给大棚供电？精准培育循环固碳智慧大棚的理念由此诞生。”团队成员罗洪耀说。

团队首次原创制备出柔性传感器件，对植物微环境的气体、温度、湿度进行监测的一体化平台，通过信息技术对数据进行后端采集，做到植物病虫害实时监测，实现病虫害防治、增加作物产量等目的。

“我们与云南大学生态与环境学院合作，开辟番茄种植园区进行了一系列试验。”团队成员王学科介绍说，通过在不同状态的番茄叶片上黏附柔性传感贴片，他们发现病变叶片的微环境湿度以及气体释放量与正常叶片均明显不同。

原来，病虫害发生时，被侵蚀的叶片的气孔呼吸作用明显下降，气孔开合状态较差，水分以及气体释放量明显下降。基于此，研究团队就可以提前诊断该株植物正在遭受病虫害。“这时，我们就可人工干预，减少虫害发生。”王学科说，基于此项研究，证明循环固碳植物诊疗大棚是成功可行的。团队整合了各项核心技术，成功构建了水电联发的植物诊疗一体化大棚监测系统。

据悉，这是国内首家获得专利授权的植物诊疗平台，通过水电联发装置，不仅实现对偏远、不适宜布设电网的大棚提供监测设备用电，还可及时控温控水，精准释放农药、化肥，给作物提供精心呵护，以实现大棚的自动化、智能化，减少农废污染，增加经济效益，助力低碳农业推进和乡村振兴目标的实现。

近两年来，基于此项研究的一系列大学生创新创业项目，获得第十六届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛国家三等奖、第一届中国研究生“双碳”创新与创意大赛三等奖，以及团中央主办“创青春”中国青年创新创业项目支持计划攀登计划等诸多奖项。

技术成果落地，促进绿色发展

除了“双碳”方面的政策优势、技术优势，成本优势对农民更有吸引力。“水伏发电”和“智慧大棚”不仅能节省人力物力，提高产量，增加经济效益。更能在生产各环节减少环境污染，推动农村发展，助力“绿美乡村”目标的实现。

“涂层材料的原料，是从农户购买的秸秆，每公斤约0.6元；其他常用的化学原材料从网络渠道购买，整体成本较市场上的各类传感器更加低廉。”罗洪耀介绍，产品主要针对太阳能资源丰富以及电力紧缺的山区农村，目前装置正处于推广阶段，售价仅为每套350元。这类地区农耕面积较大，但智能化程度较低，亟须科技力量支持，改善农业生产水平和农民生活条件。

目前，团队已获得了中国青年创新创业基金会的经费支持，与云南省大理市凤仪镇庄科村以及云龙县团结村签订了合作意向书，提供750套水电联发装置和资金、技术指导，解决当地农废难处理以及用电问题，共建美丽乡村。

眼下，这个团队还与云南省云上小镇创新创业平台合作，进行项目产业孵化，完成了“秸农科学技术开发（昆明）有限公司”的工商注册手续。

“当然，创新创业中我们也面临不少难点。”团队负责人赵嵘说，主要是前期推广投产存在风险与困难，市场份额尚不确定，以及技术与产品知识产权保护等问题，避免被模仿甚至被超越代替。

“这项智慧农业系统的实施，将在西南乡村振兴战略中扮演至关重要的角色。通过采用先进技术手段和创新的农业模式，将有利于推动农村环境改善和可持续发展。”万艳芬说。

后期，团队将持续发力，不断实现技术迭代，主动应对智慧农业领域的挑战。为此，他们与高校、企业展开深度合作，共同探索创新方案，推动产教融合发展。通过这种紧密合作，汇聚各方力量，充分发挥各自优势，以国家标准为引领，逐步发展成为智慧农业领域的领军企业。