近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員汪國忠團隊利用硅基納米材料的表面粗糙工程，在作物葉面實現(xiàn)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(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《美國化學(xué)會-納米》和《環(huán)境科學(xué)-納米》上，并獲授權(quán)國家發(fā)明專利3項。

【資料圖】

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，各種營養(yǎng)物質(zhì)可直接從葉片進入作物體內(nèi)，參與作物的新陳代謝和有機物的合成過程。

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從作物葉面大量滑落，或通過雨水沖刷進入土壤、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，且浪費大量資源。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。

此次研究中，研究人員以大量元素氮為研究對象，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：實心、空心以及海膽狀空心硅基葉面氮肥，對比研究了三種表面粗糙度不同的葉面氮肥在作物葉片表面的粘附能力，其中海膽狀空心硅基葉面氮肥的葉面粘附能力最強，這一性能的提高歸結(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性及附著力。

與傳統(tǒng)葉面氮肥相比，具有海膽狀空心納米結(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，且玉米幼苗對氮素的利用率也提高了2.3倍。成功在葉面環(huán)境中實現(xiàn)了對大量元素氮的有效遞送。相關(guān)研究成果發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)-納米》上，相關(guān)技術(shù)授權(quán)國家發(fā)明專利1項。

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海膽狀空心硅基葉面氮肥的透射電子顯微鏡圖像。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所供圖

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對智能化施肥的要求，為進一步提高肥料的環(huán)境自適應(yīng)及控釋性能，研究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，進一步以中量元素鎂為研究對象，制備了酸堿度可控的釋放鎂素的納米硅基葉面鎂肥。

這種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，從而賦予了其酸堿度敏感性；鎂素釋放量也可通過調(diào)整溶液酸堿度值進行控制，進而滿足作物在不同生長階段中對鎂的要求。

研究表明，施用納米硅基葉面鎂肥的番茄幼苗對鎂的最高利用率比施用傳統(tǒng)葉面鎂肥提高了9倍。相關(guān)研究成果發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)-納米》上。相關(guān)技術(shù)授權(quán)國家發(fā)明專利1項。

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具有酸堿度敏感性和抗雨水沖刷能力的硅基葉面鎂肥示意圖。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所供圖

針對有些肥料在施用過程的不穩(wěn)定性問題，如常規(guī)亞鐵肥中作物能有效吸收利用的鐵形式為二價鐵，然而，肥料中的二價鐵易被在空氣中被氧化成植物難以吸收利用的三價鐵，為此研究人員設(shè)計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，實現(xiàn)了對二價鐵在作物葉面的有效遞送。該納米復(fù)合材料中抗壞血酸與二價鐵的協(xié)同釋放作用保護二價鐵不被氧化，從而保證了鐵養(yǎng)分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，且該肥料具有五個主要特點：超高的葉面附著能力和抗雨水沖刷能力；亞鐵養(yǎng)分的緩釋能力；優(yōu)異的抗氧化能力；高酸堿度敏感性；高的生物安全性。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會-納米》上。相關(guān)技術(shù)授權(quán)國家發(fā)明專利1項。

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噴施去離子水、傳統(tǒng)肥料、硅基載體和新型亞鐵肥溶液對缺鐵番茄幼苗的矯正效果對比照片。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所供圖

研究人員介紹，該系列研究工作為進一步掌握納米結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)元素的高效遞送、實現(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。

https://doi.org/10.1039/D0EN00686F

https://doi.org/10.1039/d2en00837h

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

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