固體所在納米材料對作物營養元素葉麵遞送方麵取得係列研究進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所環境與能源納米材料中心汪國忠研究員團隊利用矽基納米材料的表麵粗糙工程 ，在作物葉麵實現了對大量元素氮 、中量元素鎂和微量元素鐵的高效遞送 ，為各類營養元素的有效利用提供了一條普適路徑 。相關成果相繼發表在ACS Nano和Environmental Science: Nano上 ，並獲授權國家發明專利三項 。      肥料是作物的“糧食” ，也是保障糧食安全的重要物質基礎 。相較於傳統土壤施肥 ，葉麵施肥可使營養元素噴施於作物葉表 ，各種營養物質可直接從葉片進入作物體內 ，參與作物的新陳代謝和有機物的合成過程 。然而由於作物葉麵存在荷葉效應 ，現有葉麵肥溶液在噴施過程中會從作物葉麵大量滑落 ，或通過雨水衝刷進入土壤 、河流等環境介質（肥料損失率約80%） ，導致嚴重環境汙染 ，且使得大量能源浪費 。因此開發可以在植物疏水葉麵上高效附著的肥料通用技術是現代農業麵臨的難題 。

鑒於此 ，研究人員以大量元素氮為研究對象 ，利用納米二氧化矽球表麵粗糙工程製備了形貌不同的三種新型葉麵氮肥 ：實心 、空心以及海膽狀空心矽基葉麵氮肥 ，並成功在葉麵環境中實現了對大量元素氮的有效遞送 。與傳統葉麵氮肥相比 ，具有納米結構的葉麵氮肥在花生葉片和玉米葉片的粘附能力分別提高了5.9倍和2.2倍 ，且玉米幼苗對氮素的利用率也提高了2.3倍 。這些性能的提高歸結為載體表麵豐富的微納結構 ，高的表麵粗糙度大幅改善了肥料在作物葉麵的浸潤性及附著力 。相關研究成果以“Improving the utilization rate of foliar nitrogen fertilizers by surface roughness engineering of silica spheres”為題發表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2020, DOI: 10.1039/d0en00686f) 上 ，相關技術授權國家發明專利一項（名稱 ：一種具有超高附著力的葉麵肥及其製備方法 ，專利號 ：ZL 202010304832.8） 。

圖1. 海膽狀空心矽基葉麵氮肥的TEM圖像 。

隨著現代農業對智能化施肥的要求 ，為進一步提高肥料的環境自適應及控釋性能 ，科研人員在通過表麵粗糙工程改善了葉麵肥在作物葉麵的附著力後 ，進一步以中量元素鎂為研究對象 ，製備了pH可控的釋放鎂素的納米矽基葉麵鎂肥 。該肥料特有的層狀滑石晶體結構使得肥料中的鎂離子在酸性溶液中很容易被氫離子置換出來 ，從而賦予了其pH敏感性 ；鎂素釋放量也可通過調整溶液pH值進行控製 ，進而滿足作物在不同生長階段中對鎂的要求 。研究表明施用納米矽基葉麵鎂肥的番茄幼苗對鎂的最高利用率比施用傳統葉麵鎂肥提高了9.0倍 。相關研究成果以“In situ construction of a magnesium foliar fertilizer with pH-controlled release and high adhesion capacity”為題發表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2023, DOI ：10.1039/d2en00837h) 上。相關技術授權國家發明專利一項（名稱 ：高附著力和pH敏感性的葉麵鎂肥的製備方法 、製得的鎂肥 ，專利號 ：ZL 202110599632.4） 。

圖2. 具有pH敏感性和抗雨水衝刷能力的矽基葉麵鎂肥示意圖 。

針對有些肥料在施用過程的不穩定性問題 ，如常規亞鐵肥中Fe(II)在空氣中極易被氧化成植物難以吸收利用的Fe(III) ，研究人員設計了一種基於抗壞血酸和矽基納米材料複合的新型抗氧化亞鐵—矽基納米複合材料 ，實現了對Fe(II)在作物葉麵的有效遞送 。該納米複合材料中抗壞血酸與Fe(II)的協同釋放作用保護Fe(II)不被氧化 ，從而保證了Fe(II)在作物葉麵的有效遞送 。新型亞鐵肥料中有效亞鐵成分的抗氧化能力是傳統葉麵鐵肥的6.6倍 ，且肥料具有五個主要特點 ：(1)超高的葉麵附著能力和抗雨水衝刷能力 ；(2)亞鐵養分的緩釋能力 ；(3)優異的抗氧化能力 ；(4) pH敏感性 ；(5)高的生物安全性 。相關研究成果以“Oxidation-resistant silicon nanosystem for intelligent controlled ferrous foliar delivery to crops”為題發表在ACS Nano (ACS Nano, 2023, DOI ：org/10.1021/acsnano.3c05120) 上 。相關技術授權國家發明專利一項（名稱 ：具有高葉麵附著力和可控釋的矽基亞鐵肥的製備方法及製得的亞鐵肥 ，專利號 ：ZL 202110598965.5） 。

圖3. 噴施去離子水（CK） 、傳統肥料（TFFF） 、矽基載體（Fe(III)/SiO2）和新型亞鐵肥（ORFFF）溶液對缺鐵番茄幼苗的矯正效果對比照片 。（a）施肥前 ，（b）模擬兩次雨水衝刷後 ，（c）收獲時的數碼照片 。      該係列研究工作為進一步掌握納米結構對營養元素的高效遞送 、實現化肥的“減施增效”農業雙碳目標以及為未來“納米農業”的發展提供新的啟示 。

上述研究工作第一作者為固體所李文超博士 ，通訊作者為周宏建研究員 、汪國忠研究員 。相關工作得到了基金委國家自然科學基金等項目資助 。

文章鏈接 ：https://doi.org/10.1039/D0EN00686F

https://doi.org/10.1039/d2en00837h

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05120