固体所在纳米材料对作物营养元素叶面递送方面取得系列研究进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所环境与能源纳米材料中心汪国忠研究员团队利用硅基纳米材料的表面粗糙工程，在作物叶面实现了对大量元素氮、中量元素镁和微量元素铁的高效递送，为各类营养元素的有效利用提供了一条普适路径。相关成果相继发表在ACS Nano和Environmental Science: Nano上，并获授权国家发明专利三项。      肥料是作物的“粮食”，也是保障粮食安全的重要物质基础。相较于传统土壤施肥，叶面施肥可使营养元素喷施于作物叶表，各种营养物质可直接从叶片进入作物体内，参与作物的新陈代谢和有机物的合成过程。然而由于作物叶面存在荷叶效应，现有叶面肥溶液在喷施过程中会从作物叶面大量滑落，或通过雨水冲刷进入土壤、河流等环境介质（肥料损失率约80%），导致严重环境污染，且使得大量能源浪费。因此开发可以在植物疏水叶面上高效附着的肥料通用技术是现代农业面临的难题。

鉴于此，研究人员以大量元素氮为研究对象，利用纳米二氧化硅球表面粗糙工程制备了形貌不同的三种新型叶面氮肥：实心、空心以及海胆状空心硅基叶面氮肥，并成功在叶面环境中实现了对大量元素氮的有效递送。与传统叶面氮肥相比，具有纳米结构的叶面氮肥在花生叶片和玉米叶片的粘附能力分别提高了5.9倍和2.2倍，且玉米幼苗对氮素的利用率也提高了2.3倍。这些性能的提高归结为载体表面丰富的微纳结构，高的表面粗糙度大幅改善了肥料在作物叶面的浸润性及附着力。相关研究成果以“Improving the utilization rate of foliar nitrogen fertilizers by surface roughness engineering of silica spheres”为题发表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2020, DOI: 10.1039/d0en00686f) 上，相关技术授权国家发明专利一项（名称：一种具有超高附着力的叶面肥及其制备方法，专利号：ZL 202010304832.8）。

图1. 海胆状空心硅基叶面氮肥的TEM图像。

随着现代农业对智能化施肥的要求，为进一步提高肥料的环境自适应及控释性能，科研人员在通过表面粗糙工程改善了叶面肥在作物叶面的附着力后，进一步以中量元素镁为研究对象，制备了pH可控的释放镁素的纳米硅基叶面镁肥。该肥料特有的层状滑石晶体结构使得肥料中的镁离子在酸性溶液中很容易被氢离子置换出来，从而赋予了其pH敏感性；镁素释放量也可通过调整溶液pH值进行控制，进而满足作物在不同生长阶段中对镁的要求。研究表明施用纳米硅基叶面镁肥的番茄幼苗对镁的最高利用率比施用传统叶面镁肥提高了9.0倍。相关研究成果以“In situ construction of a magnesium foliar fertilizer with pH-controlled release and high adhesion capacity”为题发表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2023, DOI：10.1039/d2en00837h) 上。相关技术授权国家发明专利一项（名称：高附着力和pH敏感性的叶面镁肥的制备方法、制得的镁肥，专利号：ZL 202110599632.4）。

图2. 具有pH敏感性和抗雨水冲刷能力的硅基叶面镁肥示意图。

针对有些肥料在施用过程的不稳定性问题，如常规亚铁肥中Fe(II)在空气中极易被氧化成植物难以吸收利用的Fe(III)，研究人员设计了一种基于抗坏血酸和硅基纳米材料复合的新型抗氧化亚铁—硅基纳米复合材料，实现了对Fe(II)在作物叶面的有效递送。该纳米复合材料中抗坏血酸与Fe(II)的协同释放作用保护Fe(II)不被氧化，从而保证了Fe(II)在作物叶面的有效递送。新型亚铁肥料中有效亚铁成分的抗氧化能力是传统叶面铁肥的6.6倍，且肥料具有五个主要特点：(1)超高的叶面附着能力和抗雨水冲刷能力；(2)亚铁养分的缓释能力；(3)优异的抗氧化能力；(4) pH敏感性；(5)高的生物安全性。相关研究成果以“Oxidation-resistant silicon nanosystem for intelligent controlled ferrous foliar delivery to crops”为题发表在ACS Nano (ACS Nano, 2023, DOI：org/10.1021/acsnano.3c05120) 上。相关技术授权国家发明专利一项（名称：具有高叶面附着力和可控释的硅基亚铁肥的制备方法及制得的亚铁肥，专利号：ZL 202110598965.5）。

图3. 喷施去离子水（CK）、传统肥料（TFFF）、硅基载体（Fe(III)/SiO2）和新型亚铁肥（ORFFF）溶液对缺铁番茄幼苗的矫正效果对比照片。（a）施肥前，（b）模拟两次雨水冲刷后，（c）收获时的数码照片。      该系列研究工作为进一步掌握纳米结构对营养元素的高效递送、实现化肥的“减施增效”农业双碳目标以及为未来“纳米农业”的发展提供新的启示。

上述研究工作第一作者为固体所李文超博士，通讯作者为周宏建研究员、汪国忠研究员。相关工作得到了基金委国家自然科学基金等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0EN00686F

https://doi.org/10.1039/d2en00837h

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