综述：可持续作物生产的控释系统研究进展：纳米、微米及宏观制剂的综述

这篇综述系统梳理了农业领域控释系统（CRS）的最新进展，涵盖纳米、微米和宏观制剂在肥料（如NPK）及农药（如AVM）递送中的应用。文章重点分析了扩散、降解和渗透等释放机制，探讨了生物可降解材料（如壳聚糖、木质素）和智能响应系统（如pH/酶响应MOFs），为优化作物产量同时减少环境污染提供了创新解决方案。推荐关注其中金属有机框架（MOFs）和微凝胶在靶向递送中的突破性应用。

　　

摘要

全球人口激增推动了对新型作物生产技术的需求，控释系统（CRS）通过优化肥料和农药使用效率，在提高产量的同时降低了环境污染。本文系统回顾了纳米、微米和宏观尺度递送系统的设计原理与应用进展，为可持续农业提供技术支撑。

1. 引言

控释系统在农业领域的应用呈现指数级增长（见图1），其核心价值在于延长养分释放周期。研究表明，缓释系统（SRS）能使水稻增产23-42%，油菜增产106-187%。关键突破体现在：通过单剂量控释装置实现传统双倍施肥量的等效产量，且能改善土壤微生物多样性至60cm深度。

2. 释放机制

三大主导机制调控活性成分释放：

• 扩散控制：通过多孔基质实现零级动力学释放，膜厚度和水溶性是关键参数
• 渗透/溶胀控制：水分子渗透引发聚合物网络膨胀（如γ-环糊精体系在UV照射下释放率提升至85.4%）
• 降解控制：表面侵蚀优于本体侵蚀，如聚乳酸（PLA）通过酯键水解实现可控降解

3. 纳米结构

3.1 纳米涂层

淀粉-g-聚（苯乙烯-co-丁基丙烯酸酯）/天然炭（NC）复合涂层（80-110nm）通过氢键作用延缓尿素释放，番茄种植试验显示氮利用率提升23.5%。无机涂层（如硫磺、沸石）与有机涂层（壳聚糖、木质素）在pH/温度响应性上各具优势。

3.2 纳米颗粒

• 壳聚糖体系：聚甲基丙烯酸壳聚糖纳米粒（17-25nm）使小麦收获期缩短23.5%
• 木质素载体：酶响应型纳米粒（300nm）对根结线虫的靶向杀灭率达90%
• PLA载体：λ-氯氟氰菊酯/PLA（1:4）实现240小时缓释，紫外降解率降低63%
• 介孔二氧化硅：pH/温度双响应系统在黄瓜试验中减少71.67%根瘤数

3.3 金属有机框架

MIL-101(Fe)-NH₂框架（351.7nm）在pH10时实现85.85%氯虫苯甲酰胺爆发释放。ZIF-8载体兼具农药递送与锌营养补充功能，玉米试验显示生物量增加29.69%。

3.4 胶束

N-脱氧胆酸-O-乙二醇壳聚糖胶束（67.5-83.3nm）将鱼藤酮释放周期从29小时延长至70小时。活性氧（ROS）响应型胶束在H₂O₂存在时粒径从235nm膨胀至1200nm。

3.5 纳米乳液

蓖麻油基聚氨酯（CO-PU）乳液实现180小时阿维菌素缓释，酸性条件下释放速率提升45%。大蒜精油纳米乳液（15%w/w）保持1年以上稳定性，PDI仅增加0.12。

3.6 纳米纤维

聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）纤维6小时释放40%锌，而PLA/尿素同轴电纺纤维实现80天缓释。氧化TEMPO纳米纤维素水凝胶在碱性环境吸水率达101g/g。

4. 微结构

4.1 微球

紫外响应型肉桂酰胺微球在光照下86.23%二甲戊灵释放，黑暗环境仅15%。壳聚糖/海藻酸钙微球（2-200μm）通过pH调控降解速率。

4.2 微胶囊

聚氨酯微胶囊（PU-MCs）通过谷胱甘肽（GSH）响应释放吡唑醚菌酯，2mM GSH条件下抑菌效率提升162.19%。光热转换型微胶囊（壳聚糖/单宁酸）转换效率达28.82%。

4.3 微凝胶

羧甲基纤维素/聚丙烯酰胺凝胶在pH9时溶胀率1199.58%，尿素缓释69.12%。壳聚糖-蒙脱土纳米复合凝胶氮淋失减少19.7%。

5. 宏观结构

5.1 水凝胶

淀粉-海藻酸钙/CaCl₂体系（KCl载量10%）实现30天钾控释。细菌纤维素/聚丙烯酸互穿网络（IPN）水凝胶压缩强度提升300%，适合NPK负载。

5.2 包膜肥料

亚麻籽油聚氨酯包膜（3%涂层量）实现56天尿素缓释，氮效率提高27.5%。石墨烯氧化物包膜使NPK离子释放量降低38.51%。

6. 结论与展望

当前挑战集中在规模化生产成本与长期生态影响评估。未来应发展多刺激响应系统（如pH/酶/光三重响应），结合安全设计（SbD）原则优化材料-环境界面。MOFs-水凝胶杂化系统展现独特优势，如纤维素纳米纤维/MOFs复合体兼具77.53%保水率与靶向释放功能，代表下一代智能农业材料的发展方向。