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本文聚焦纳米肥料、生物肥料和下一代增效肥料（EEF）展开综述。探讨了它们的养分释放机制、对作物产量和环境的影响，以及商业化面临的挑战，并提出需加强研究协作、制定标准评估体系，以推动肥料技术发展，保障粮食安全、减少环境危害。
新型肥料研究综述
在农业生产中，肥料对于作物生长起着至关重要的作用。传统矿物肥料的大规模生产虽推动了农业进步，但也引发了诸多问题，比如全球范围内肥料使用不均衡，部分地区养分过剩，而另一些地区却严重短缺。同时，植物、养分、土壤和气候等因素之间的相互作用和变化，使得优化肥料投入、提高作物生产效率并减少环境影响成为一项极具挑战性的任务 。
在此背景下，新型肥料应运而生，成为实现可持续农业的关键。本文主要对纳米肥料、生物肥料和下一代增效肥料（EEF）展开综述，探讨它们在作物营养方面的研究与创新成果，剖析其养分释放机制、对作物产量和环境的影响，以及商业化过程中面临的挑战。
增效肥料的基础研究
20 世纪 60 年代，人们意识到土壤性质和作物生长在不同物候期对养分需求的差异，以及养分存在多种流失途径，因此产生了对增效肥料（EEF）的需求。国际肥料协会（IFA）将缓释肥料定义为通过生物、化学或生物化学机制，以比参考肥料更慢的速率释放养分的产品，例如硫包衣尿素、印楝包衣尿素等；控释肥料（CRF）则是通过物理机制，如包衣、封装或闭塞等，以可控速率释放养分的产品，像聚合物包衣肥料；还有一类是稳定化氮肥，通过酶抑制剂（如脲酶和硝化抑制剂）实现更可控的释放或转化 。
有研究表明，EEF 在农艺和环境方面具有一定益处。元分析显示，当肥料经过物理保护或添加脲酶和 / 或硝化抑制剂处理后，作物产量平均略有提高，但增产幅度较小，且受土壤 pH 等环境条件影响。同时，EEF 能有效减少硝酸盐淋溶、氨挥发和氧化亚氮排放 。不过，硝化抑制剂的添加可能会导致污染交换，即减少氧化亚氮排放和硝酸盐淋溶的同时，增加氨排放，而同时添加脲酶和硝化抑制剂可有效避免这种权衡 。
尽管 EEF 有诸多优势，但目前控释和稳定化肥料产品在肥料市场中所占份额较小。成本高昂是其大规模应用的主要障碍，EEF 的价格比标准 NPK 肥料高出 30% 至 10 倍不等。此外，聚合物包衣等非生物可降解塑料的使用引发了环境担忧，并且在一些情况下，抑制剂的不当使用还会对健康造成影响 。因此，开发新型 EEF 进入主流市场时，需满足六个标准：满足作物营养需求、具备生物意义上的释放机制、易于安全运输储存和施用、环境安全、对人类和动物健康无风险、可大规模经济生产 。
纳米肥料
纳米肥料是指尺寸通常在 1 - 100nm 的肥料颗粒，其原料来源广泛。目前纳米肥料监管不足，部分市售产品实际尺寸可能超出纳米范围 。纳米肥料的制备方法多样，包括自上而下的物理或化学研磨、蚀刻、研磨等方法，以及自下而上的原子或分子自组装法，还有生物或 “绿色” 合成法 。
纳米肥料作为 EEF 的主要优势在于，其高比表面积和小尺寸特性，可能通过植物组织中的纳米孔、与转运蛋白或根系分泌物的络合作用以及离子通道等途径，增强植物对养分的吸收，尤其适用于叶面施肥时磷、锰、铁、锌等土壤施用时植物难以吸收的养分 。此外，纳米结构还能控制更易移动养分的释放 。纳米肥料主要分为纳米级散装肥料投入、纳米级添加剂和纳米级涂层或载体三类，也可根据其组成或性质进行分类 。
然而，纳米肥料对农艺和环境的影响仍有待深入了解。相关研究存在样本量小、肥料利用效率数据匮乏、缺乏谷物作物研究以及田间试验代表性不足等问题 。虽然部分研究表明纳米肥料对植物发芽、生长和产量有积极影响，但这些结论还需更多高质量研究加以验证 。目前对纳米肥料在田间条件下的环境影响评估严重不足，其在土壤环境中的行为、对食物链的生物累积潜力以及对土壤微生物群落的影响等方面，都需要进一步研究 。此外，纳米肥料在田间的应用还面临着诸多挑战，如缺乏基于植物信号或土壤养分变化释放养分的功能性纳米装置、监管和安全问题以及消费者接受度低等 。
生物肥料
生物肥料是含有一种或多种微生物菌株的配方，这些微生物能够在植物的根际、根表或根内定植，通过活化或增加土壤中养分的有效性来促进植物营养 。生物肥料属于生物产品，包含微生物接种剂、固体或液体载体、添加剂等 。随着其商业价值的不断凸显，对其有效性的严格评估变得尤为迫切 。
生物肥料的主要功能是提高植物必需养分的有效性，其包含的微生物种类多样，如共生和自生固氮菌、解磷解钾细菌或真菌、氧化硫细菌、分泌螯合剂或溶解微量元素的微生物以及菌根真菌等 。目前，生物肥料产品开发趋势已从单一菌株接种转向微生物群落，以提高微生物的生存能力和功能，或实现协同作用 。但微生物群落也面临一些问题，如与土壤中原有微生物的拮抗作用、在不同环境和土壤条件下难以定植以及随时间推移持久性不足等 。为此，研究人员提出了一些策略，如开发生物膜生物肥料，利用多物种微生物群落增强其在土壤中的竞争力和抗逆性；添加 “益生元”，作为微生物底物或信号，刺激有益植物相关微生物群落的生长 。
生物肥料对作物产量的影响因环境和土壤养分水平而异。部分研究表明，接种固氮菌能提高玉米产量，尤其在低产和低氮肥施用量条件下效果更明显；但也有研究发现，对于谷物和其他非豆科作物，使用微生物产品进行固氮的效果并不显著 。此外，关于生物肥料对环境影响的研究相对较少，虽然有研究显示其能减少氨挥发，但对氧化亚氮排放和硝酸盐淋溶的研究较为罕见 。生物肥料在商业化过程中面临着诸多挑战，如缺乏标准化的测试协议和评估指南、产品货架期短、生产成本高以及需要建立生物安全指南等 。
新型增效肥料
新型增效肥料通过物理或生化机制控制养分释放，包括控释材料和稳定化肥料等 。物理控制释放机制包括降低肥料溶解度、增加机械强度和提高耐磨性等，如包衣肥料通过低渗透性薄膜或基质阻止肥料与土壤直接接触，减缓养分释放；水凝胶材料具有超强吸水性，可作为包衣或基质用于肥料；纳米颗粒也可用于修饰肥料的溶解度和养分释放 。生化控制释放机制则利用生化传感器、酶抑制剂或对环境因素响应的材料来延迟养分释放 。例如，添加生化抑制剂可抑制酶活性，减缓养分转化；新型肥料还可通过嵌入生物传感器或受体分子，如适配体，使其能够感知植物信号并释放养分 。此外，将微生物融入肥料涂层，既能实现涂层的完全生物降解，又能产生刺激植物生长的激素 。
在田间研究中，控释或稳定化肥料的应用较为广泛，其对减少环境影响和提高作物产量的积极作用已得到证实 。但不同肥料来源在不同施用条件下效果存在差异，且目前尚不清楚这些研究中有多少使用了生物可降解聚合物 。虽然部分使用生物可降解聚合物的研究表明能减少氨挥发，但新型增效肥料在商业化过程中仍面临一些问题，如化合物产品可能存在积累和毒性风险、配方不佳或不稳定、化学性质不稳定以及田间表现难以预测等 。此外，以往研究中大多缺乏对增效肥料能否降低农艺或经济最佳肥料施用量的研究，且试验设计和测量方法的不一致性也影响了研究结果的可靠性和有效性 。
新型肥料标准评估的必要性
目前，对新型肥料技术的作用机制、农艺和环境影响的认识存在诸多空白。由于缺乏多学科数据和标准化评估，难以对新型肥料的性能得出可靠结论 。建立严格的肥料产品和养分管理工具评估框架具有重要意义，它能够加速创新进程，通过获取候选创新产品在田间性能的可靠、经济高效的信息，快速筛选出有潜力的产品；同时，还能在关键地区对创新产品进行全面评估，为产品注册、市场开发、为农民提供作物咨询以及环境认证等提供依据 。在评估过程中，选择合适的测试方法至关重要，需综合考虑农民面临的不同生产条件、肥料添加量的合理范围以及其他可能限制作物生长的因素 。此外，还需解决研究结果的缩放问题，避免 publication bias，鼓励公开所有相关数据集，以提高数据合成的准确性 。
加强新型肥料研究的协调
粮食安全和环境质量与肥料的合理使用密切相关。斯里兰卡的案例表明，肥料供应中断会对国家粮食生产造成严重影响，凸显了解决肥料相关问题的紧迫性 。解决复杂的养分管理问题需要更多的开放式创新，尤其是在竞争前研究领域，加强公私合作 。建立协调评估机制，制定最低标准、明确处理方式和数据要求、采用标准化协议并运用统计工具，有助于推动科学创新和产业发展，为新型肥料的研究和应用提供有力支持 。
综述的局限性
本综述受限于当前研究的不足，缺乏将特定肥料实践与作物产量、环境影响等性能结果相联系的全面系统研究。田间研究的匮乏以及种植系统和农艺条件的多样性，导致现有证据的普遍性受限 。未来需加大对田间研究的投入，以克服这些局限性，更系统地评估纳米肥料、生物肥料和下一代肥料在不同农业环境中的性能 。
