综述：收获未来：利用工程纳米粒子（NPs）革新农业——一篇全面综述

《Journal of Plant Growth Regulation》：Harvesting the Future: Revolutionizing Agriculture with Engineered Nanoparticles (NPs) – A Comprehensive Review

本综述系统阐述了工程纳米粒子（NPs）作为应对全球粮食安全挑战的创新解决方案，重点介绍了其在纳米肥料、纳米农药及纳米传感器等领域的应用，旨在通过精准农业提升作物产量与韧性，推动可持续农业发展。

　　

摘要

气候变化与全球人口的快速增长给农业生产力和作物韧性带来了前所未有的挑战。预计未来三十年内全球人口将达到97亿，确保可持续粮食生产的压力变得至关重要。为应对这些挑战，需要创新解决方案来提高粮食产量，同时最大限度减少对环境的影响。纳米技术（Nanotechnology）已成为一种前景广阔的工具，在农业中提供了广泛的应用，以满足现代农业不断发展的需求。此外，纳米技术还被应用于纳米肥料（nano fertilizers）和纳米农药（nano pesticides）等领域，能够精确管理养分水平并保护作物免受病虫害侵袭。各种纳米材料被用作传感器，以监测土壤质量、作物健康和生产力，同时防止土壤和水体污染。本文综述讨论了包括有机、无机和碳基纳米粒子在内的各种类型纳米颗粒的合成与表征方面的最新进展，及其在增强作物生长和韧性方面的具体作用。文章重点介绍了在开发纳米技术驱动解决方案以提高作物产量、改善病虫害管理和促进可持续农业实践方面取得的重大进展。综述最后强调了工程纳米粒子（Engineered Nanoparticles, NPs）为全球粮食安全和可持续农业的未来做出贡献的潜力。

引言

全球农业系统正面临人口增长和气候变化的双重压力。传统农业实践在资源利用效率、环境影响和作物抗逆性方面存在局限。工程纳米粒子（NPs）的出现为农业科技带来了革命性的机遇。这些尺寸在1-100纳米之间的微小颗粒，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调控的表面活性和特殊的光学特性，使其在农业应用中表现出巨大潜力。本综述旨在全面梳理纳米颗粒在农业中的应用现状与未来方向。

纳米颗粒的类型与合成

根据核心材料成分，应用于农业的纳米颗粒主要分为三类：有机纳米颗粒（如聚合物胶束、树枝状大分子）、无机纳米颗粒（如金属纳米颗粒TiO₂、ZnO、AgNPs）以及碳基纳米颗粒（如碳纳米管、石墨烯）。其合成方法包括自上而下的物理法和自下而上的化学/生物法。绿色合成（Green synthesis）利用植物提取物或微生物作为还原剂和稳定剂，因其环境友好性而备受关注。表征技术如透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等确保了纳米颗粒的尺寸、形貌和晶体结构的可控性。

纳米颗粒在作物生长促进中的应用

工程纳米粒子（NPs）可通过多种机制直接促进作物生长。作为纳米营养素（Nano-nutrients），它们能更有效地被植物根系或叶片吸收，提高养分利用效率。例如，ZnO NPs可作为锌源，促进种子萌发和植株生长。碳基纳米材料如碳纳米管（CNTs）被证明可以增强光合作用效率和水分吸收能力。此外，某些NPs能够调控植物内源激素水平，激活抗氧化防御系统，从而增强作物对非生物胁迫（如干旱、盐碱）的耐受性。

纳米颗粒在病虫害管理中的应用

纳米农药（Nano-pesticides）和纳米杀菌剂（Nano-fungicides）提供了比传统制剂更高的靶向性和稳定性。封装活性成分的聚合物纳米颗粒或脂质体可以实现控释，减少施用量和淋失风险。金属纳米颗粒如AgNPs（银纳米颗粒）本身具有广谱抗菌和抗真菌活性。这种精准靶向的管理策略有助于减少化学农药对非靶标生物和环境的危害，符合病虫害综合治理（IPM）的原则。

纳米传感器与环境监测

基于纳米材料的传感器（Nanosensors）在精准农业中扮演着关键角色。它们能够高灵敏度、高选择性地检测土壤中的养分（如NO₃^-、PO₄^3-）、污染物（如重金属离子、农药残留）以及作物病害的早期生物标志物。这些实时监测数据为变量施肥、灌溉和早期预警提供了决策支持，有助于实现资源优化配置和污染预防。

可持续性与未来展望

尽管工程纳米粒子（NPs）在农业中展现出巨大潜力，但其环境归宿、生物安全性以及长期生态影响仍需深入研究。未来的研究应侧重于NPs在土壤-植物系统中的迁移转化规律、对土壤微生物群落的影响以及生命周期评估（LCA）。推动标准化法规和风险评估框架的建立，对于确保纳米农业技术安全、负责任地应用至关重要。展望未来，智能型纳米材料与信息技术（如物联网、大数据）的融合，将有望引领农业进入一个更高效、更智能、更可持续的新时代。