近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所環(huán)境與能源納米材料中心汪國(guó)忠研究員團(tuán)隊(duì)利用硅基納米材料的表面粗糙工程，在作物葉面實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yíng)養(yǎng)元素的有效利用提供了一條普適路徑。相關(guān)成果相繼發(fā)表在ACS Nano和Environmental Science: Nano上，并獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利三項(xiàng)。      肥料是作物的“糧食”，也是保障糧食安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)土壤施肥，葉面施肥可使?fàn)I養(yǎng)元素噴施于作物葉表，各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可直接從葉片進(jìn)入作物體內(nèi)，參與作物的新陳代謝和有機(jī)物的合成過程。然而由于作物葉面存在荷葉效應(yīng)，現(xiàn)有葉面肥溶液在噴施過程中會(huì)從作物葉面大量滑落，或通過雨水沖刷進(jìn)入土壤、河流等環(huán)境介質(zhì)（肥料損失率約80%），導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染，且使得大量能源浪費(fèi)。因此開發(fā)可以在植物疏水葉面上高效附著的肥料通用技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的難題。

鑒于此，研究人員以大量元素氮為研究對(duì)象，利用納米二氧化硅球表面粗糙工程制備了形貌不同的三種新型葉面氮肥：實(shí)心、空心以及海膽狀空心硅基葉面氮肥，并成功在葉面環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量元素氮的有效遞送。與傳統(tǒng)葉面氮肥相比，具有納米結(jié)構(gòu)的葉面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(duì)氮素的利用率也提高了2.3倍。這些性能的提高歸結(jié)為載體表面豐富的微納結(jié)構(gòu)，高的表面粗糙度大幅改善了肥料在作物葉面的浸潤(rùn)性及附著力。相關(guān)研究成果以“Improving the utilization rate of foliar nitrogen fertilizers by surface roughness engineering of silica spheres”為題發(fā)表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2020, DOI: 10.1039/d0en00686f) 上，相關(guān)技術(shù)授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)（名稱：一種具有超高附著力的葉面肥及其制備方法，專利號(hào)：ZL 202010304832.8）。

圖1. 海膽狀空心硅基葉面氮肥的TEM圖像。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)智能化施肥的要求，為進(jìn)一步提高肥料的環(huán)境自適應(yīng)及控釋性能，科研人員在通過表面粗糙工程改善了葉面肥在作物葉面的附著力后，進(jìn)一步以中量元素鎂為研究對(duì)象，制備了pH可控的釋放鎂素的納米硅基葉面鎂肥。該肥料特有的層狀滑石晶體結(jié)構(gòu)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(diào)整溶液pH值進(jìn)行控制，進(jìn)而滿足作物在不同生長(zhǎng)階段中對(duì)鎂的要求。研究表明施用納米硅基葉面鎂肥的番茄幼苗對(duì)鎂的最高利用率比施用傳統(tǒng)葉面鎂肥提高了9.0倍。相關(guān)研究成果以“In situ construction of a magnesium foliar fertilizer with pH-controlled release and high adhesion capacity”為題發(fā)表在Environmental Science: Nano (Environ. Sci.: Nano, 2023, DOI：10.1039/d2en00837h) 上。相關(guān)技術(shù)授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)（名稱：高附著力和pH敏感性的葉面鎂肥的制備方法、制得的鎂肥，專利號(hào)：ZL 202110599632.4）。

圖2. 具有pH敏感性和抗雨水沖刷能力的硅基葉面鎂肥示意圖。

針對(duì)有些肥料在施用過程的不穩(wěn)定性問題，如常規(guī)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(shè)計(jì)了一種基于抗壞血酸和硅基納米材料復(fù)合的新型抗氧化亞鐵—硅基納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fe(II)在作物葉面的有效遞送。該納米復(fù)合材料中抗壞血酸與Fe(II)的協(xié)同釋放作用保護(hù)Fe(II)不被氧化，從而保證了Fe(II)在作物葉面的有效遞送。新型亞鐵肥料中有效亞鐵成分的抗氧化能力是傳統(tǒng)葉面鐵肥的6.6倍，且肥料具有五個(gè)主要特點(diǎn)：(1)超高的葉面附著能力和抗雨水沖刷能力；(2)亞鐵養(yǎng)分的緩釋能力；(3)優(yōu)異的抗氧化能力；(4) pH敏感性；(5)高的生物安全性。相關(guān)研究成果以“Oxidation-resistant silicon nanosystem for intelligent controlled ferrous foliar delivery to crops”為題發(fā)表在ACS Nano (ACS Nano, 2023, DOI：org/10.1021/acsnano.3c05120) 上。相關(guān)技術(shù)授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)（名稱：具有高葉面附著力和可控釋的硅基亞鐵肥的制備方法及制得的亞鐵肥，專利號(hào)：ZL 202110598965.5）。

圖3. 噴施去離子水（CK）、傳統(tǒng)肥料（TFFF）、硅基載體（Fe(III)/SiO2）和新型亞鐵肥（ORFFF）溶液對(duì)缺鐵番茄幼苗的矯正效果對(duì)比照片。（a）施肥前，（b）模擬兩次雨水沖刷后，（c）收獲時(shí)的數(shù)碼照片。      該系列研究工作為進(jìn)一步掌握納米結(jié)構(gòu)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的高效遞送、實(shí)現(xiàn)化肥的“減施增效”農(nóng)業(yè)雙碳目標(biāo)以及為未來“納米農(nóng)業(yè)”的發(fā)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(guó)忠研究員。相關(guān)工作得到了基金委國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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