综述：绿色合成纳米肥料：提高作物生产力和胁迫耐受性的可持续方法

本综述系统阐述了绿色合成纳米肥料(NFs)作为传统化肥可持续替代方案的前沿进展。文章重点分析了NFs通过植物提取物绿色合成的方法、其高比表面积和控释特性对养分利用效率(NUE)的提升机制，以及在增强作物抗逆性（包括盐胁迫、干旱胁迫和重金属胁迫）方面的多重作用。作者指出，尽管NFs在减少养分淋失、降低环境污染方面优势显著，但其生物累积效应和规模化生产挑战仍需进一步研究。该综述为纳米技术在精准农业中的应用提供了重要理论依据。

　　

绿色合成纳米肥料：可持续农业的新前沿

面对全球粮食需求增长和传统化肥导致的土壤退化、环境污染等挑战，农业可持续发展迫在眉睫。绿色合成纳米肥料（Nano-fertilizers, NFs）作为一种新兴技术，通过纳米尺度的独特性质，为精准农业和生态保护提供了革命性的解决方案。

传统肥料的局限性

传统化学肥料在提高作物产量方面发挥了历史性作用，但其养分利用效率（Nutrient Use Efficiency, NUE）普遍低于50%。大量未被吸收的氮（N）、磷（P）、钾（K）等养分通过淋溶、挥发等方式进入环境，导致水体富营养化、温室气体（如N₂O）排放和土壤酸化等一系列环境问题。这些弊端凸显了开发高效、环保型肥料的必要性。

纳米肥料的优势与绿色合成

纳米肥料是粒径在1-100纳米范围内的营养载体。其核心优势在于巨大的比表面积、高反应活性和可控释放特性。与常规肥料相比，NFs能更有效地穿透植物气孔和根毛，深入植物组织，从而显著减少养分损失，提高NUE。

绿色合成是NFs制备的关键创新。该方法利用植物（如果实、叶片、根茎）提取物中的生物活性分子（如类黄酮、酚类、生物碱）作为还原剂和稳定剂，将金属盐（如银Ag⁺、锌Zn²⁺）转化为相应的纳米颗粒。这种过程避免了有毒化学试剂的使用，副产物可生物降解，符合绿色化学原则。合成过程中的关键参数，如pH值、温度、反应时间和植物提取物浓度，对最终纳米颗粒的形貌和尺寸起着决定性作用。

绿色合成纳米肥料的类型

根据成分和结构，绿色合成NFs主要分为以下几类：

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  金属及金属氧化物NFs：如氧化锌（ZnO）NFs、氧化铁（Fe₂O₃）NFs、二氧化锰（MnO₂）NFs等。它们作为微量元素的纳米载体，能有效促进种子萌发、光合作用和提高作物产量。
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  生物聚合物基NFs：利用壳聚糖（Chitosan）、纤维素（Cellulose）、海藻酸盐（Alginate）等天然高分子作为包埋材料，实现养分的缓慢释放，延长肥效。
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  碳基NFs：包括碳纳米管、石墨烯等，可作为营养元素的输送平台，增强植物对锌、铜等元素的吸收。

作用机制与养分吸收

NFs的施用方式主要包括叶面喷施和根部施用。

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  叶面吸收：NFs可通过叶片表面的亲水性气孔通道或亲脂性角质层途径进入植物体内，随后通过维管系统（木质部和韧皮部）运输到各部位。
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  根部吸收：NFs通过根表皮进入植物后，可经由质外体途径或共质体途径运输。纳米尺寸使其能够跨越凯氏带屏障，进入中柱并随蒸腾流向上运输。

在分子层面，NFs能够调节植物激素水平、影响基因表达（如微RNA miR-398和miR-408）并激活抗氧化酶系统（如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶），从而促进生长并增强胁迫耐受性。

在作物生产与抗逆性中的应用

绿色合成NFs在提高作物生产力和应对生物/非生物胁迫方面展现出巨大潜力。

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  提升作物生产力：研究表明，施用绿色合成的ZnO NFs、Cu NFs等能显著增加作物（如鹰嘴豆、绿豆）的叶绿素含量、蛋白质含量和生物量，最终提高谷物、油籽和豆类的产量达10-30%。
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  增强非生物胁迫耐受性：
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    盐胁迫：NFs（如Au NPs, Se NPs）通过调节离子稳态（促进K⁺吸收，抑制Na⁺吸收）、积累渗透调节物质（如脯氨酸）和清除活性氧（ROS）来缓解盐害。
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    干旱胁迫：基于水凝胶的NFs可提高土壤保水能力，同时促进植物关闭气孔以减少水分蒸腾，并积累相容性溶质来维持细胞水分。
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    重金属胁迫：NFs（如TiO₂ NPs, Fe₃O₄ NPs）能够固定土壤中的铅（Pb）、镉（Cd）等重金属，减少其植物吸收，并激活螯合和抗氧化机制来减轻氧化损伤。
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    热胁迫与冷胁迫：NFs通过稳定膜结构、诱导产生热激蛋白或抗冻蛋白来帮助植物抵御极端温度的影响。
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  增强生物胁迫耐受性：某些NFs，如银纳米颗粒（Ag NPs）和壳聚糖基NFs，本身具有抗菌、抗真菌活性，能直接抑制病原体生长。同时，它们也能诱导植物系统抗性，增强对病虫害的防御能力。

挑战与未来展望

尽管绿色合成NFs前景广阔，但仍面临一些挑战：

1. 1.
   环境行为与安全：NFs在土壤-植物系统中的迁移转化、生物累积效应及其对土壤微生物组的长期影响尚需深入研究。
2. 2.
   规模化生产：从实验室合成到大规模商业化生产，需要优化工艺以降低成本，使其更能被广大农民接受。
3. 3.
   法规标准缺失：目前缺乏针对NFs的安全性评估、环境影响和标签管理的统一法规体系。

未来研究应聚焦于利用生物技术手段（如合成生物学、代谢工程）优化合成工艺，开发智能响应型NFs，并建立全面的毒理学和风险评估框架。通过跨学科合作和政策支持，绿色合成NFs有望成为推动农业向更高效、更可持续方向发展的核心力量。

结论

绿色合成纳米肥料代表了一种将纳米技术与可持续农业实践相结合的范式转变。它们通过提高养分利用效率、减少环境足迹和增强作物韧性，为应对全球粮食安全、资源保护和气候变化等挑战提供了强有力的工具。随着相关研究的深入和技术瓶颈的突破，绿色NFs有望在未来的智慧农业中扮演至关重要的角色。