综述：揭示二氧化硅纳米颗粒在农业可持续性中的下一代方法

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Unraveling approaches of silica nanoparticles for next-generation in agricultural sustainability

本综述系统阐述了二氧化硅纳米颗粒（SiNPs）作为可持续农业新前沿的潜力。文章重点探讨了SiNPs如何通过其独特的物理化学性质（如高比表面积、可控释放性及生物相容性）提升养分利用效率（NUE）、增强作物对生物（病虫害）和非生物（干旱、盐碱、重金属）胁迫的耐受性，并改善土壤健康。其作用机制涉及调控植物激素、激活抗氧化防御系统（如SOD、CAT）、强化细胞壁以及作为农药/肥料纳米载体实现精准递送。综述强调了SiNPs在减少传统农用化学品依赖、降低环境足迹方面的优势，并指出其在应对全球粮食安全挑战、推动农业可持续发展（如支持SDGs目标2、12、13）中的广阔前景。

　　

二氧化硅纳米颗粒在农业可持续性中的关键特性

二氧化硅纳米颗粒（SiNPs）因其独特的结构、化学和物理特性而在农业应用中备受关注。与块状硅源相比，其纳米尺度（通常为1-100纳米）赋予了其高比表面积、独特的电荷特性和改善的植物生物利用度。这些特性增强了其反应活性，并使其能够作为植物生长刺激剂、纳米载体和土壤改良剂发挥作用。SiNPs可根据结构分为球形、中空、棒状、立方体及多孔等多种类型。其中，介孔二氧化硅纳米颗粒（MSiNPs）因其可调的孔隙结构，特别有利于活性化合物（如肥料和农药）的封装和可控释放。SiNPs还表现出优异的稳定性、溶解度和生物相容性，使其成为精准农业中优化资源利用和减少环境影响的理想工具。

SiNPs在可持续农业中的应用全景

SiNPs在可持续农业中的应用广泛而深入。在作物生长促进方面，SiNPs能显著提高小麦的分蘖生长和节间伸长，增加生物量，并通过调节植物激素（如生长素IAA）和可溶性糖代谢来提升净光合速率。作为植物营养载体，SiNPs（尤其是来源于稻壳、甘蔗渣等农业废弃物的SiNPs）可用于负载尿素、钙、锌等养分，实现养分的控释输送，提高吸收效率。

在提升水分利用效率（WUE）和养分利用效率（NUE）方面，SiNPs通过改善土壤持水特性（如田间持水量FC、萎蔫点WP）和作为肥料包覆层，显著延缓养分释放，减少淋失，从而在减少化肥用量的同时保障作物产量。例如，使用MSiNPs可使草坪草在肥料用量减少75%的情况下，生长仅降低7.6%。

在病虫害管理方面，SiNPs不仅本身对鳞翅目害虫（如斜纹夜蛾）和植物病原菌（如立枯丝核菌、链格孢菌）具有直接的物理杀虫/抑菌作用，还能作为纳米载体，通过功能化修饰（如pH响应型释放）实现农药的精准、长效递送，提高药效并降低残留。

在增强植物胁迫耐受性方面，SiNPs通过多种机制帮助作物抵御逆境。对于重金属胁迫（如镉Cd、砷As），SiNPs能促进细胞壁滞留、增强多糖代谢以减少金属吸收和转运，同时通过激活抗氧化酶（如过氧化物酶POD、超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT）来减轻氧化损伤。对于盐胁迫，SiNPs通过调节Na⁺/K⁺平衡相关基因（如HKT、SOS、NHX）的表达和增强抗氧化防御，来维持离子稳态。对于干旱胁迫，SiNPs则通过提高叶片相对含水量（RWC）、叶绿素含量、光合速率以及调节渗透调节物质（如脯氨酸）来增强作物的抗旱能力。

在土壤健康维护方面，SiNPs能促进有益微生物（如Paenibacillus、Rhodobacteraceae）的增殖，改善土壤团聚结构、孔隙度和阳离子交换容量（CEC），从而增强土壤肥力和保水能力。此外，SiNPs还能用于污染土壤的修复，例如通过吸附、固定化作用降低重金属和农药残留的生物有效性。

SiNPs与植物的相互作用机制

SiNPs与植物的相互作用涉及生理和生化层面的深度调控。在光合作用方面，SiNPs能显著提高叶绿素a和b的含量，从而增强光能捕获和光合效率。在激素调节方面，SiNPs表现出组织特异性，例如在叶片中可能增加脱落酸（ABA）和生长素水平，而在茎中可能提高细胞分裂素含量，从而协调植物的生长和胁迫响应。

在养分吸收方面，SiNPs通过影响土壤养分有效性和促进根际有益微生物，来增强作物对氮、磷、钾及锌、铁、锰等微量元素的吸收。在生化途径诱导方面，SiNPs能上调蔗糖代谢相关基因（如蔗糖磷酸合成酶）和叶绿素合成相关基因的表达，同时激活抗氧化防御系统，以维持活性氧（ROS）平衡。在基因表达层面，SiNPs可调控多种胁迫响应基因（如脱水响应元件结合蛋白基因Wdhn13、ATP结合盒转运蛋白基因ABC1），从而增强植物对干旱等逆境的适应能力。

SiNPs的环境行为与安全性考量

SiNPs在环境中的归宿和行为受多种因素影响。植物对SiNPs的吸收可通过种子引发、根系吸收（主要通过根尖、根毛等屏障较弱区域）和叶面气孔渗透等途径实现，并在植物体内通过质外体和共质体途径进行转运。SiNPs在环境中具有一定的降解性，可水解生成无毒的单体硅酸，但其在土壤和水体中的迁移转化受其表面功能化、土壤pH、有机质含量等因素显著影响。

关于生态安全性，现有研究表明，SiNPs对土壤微生物群落的影响因浓度而异，适量施用可能刺激有益微生物，而过高浓度可能抑制某些酶活性和微生物丰度。总体而言，由于其可降解性和相对较低的毒性，SiNPs被认为比某些金属基纳米颗粒具有更好的环境相容性。然而，其长期、大范围使用的生态风险仍需持续评估。

挑战与未来展望

尽管SiNPs在农业中展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临挑战，包括大规模田间验证数据的缺乏、规模化生产的成本效益、以及统一监管政策的缺失。未来的研究方向应集中于：开展长期田间试验以评估其生态安全性；开发低成本、绿色的合成方法；制定纳米材料在农业中应用的国际规范；以及探索SiNPs与物联网（IoT）、无人机等智能农业技术的集成应用。通过多学科合作，SiNPs有望为实现资源高效、环境友好的下一代农业可持续发展提供关键技术支持。