作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/22 17:03:41
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研究实现高效输送营养元素至作物

 

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员汪国忠团队利用硅基纳米材料的表面粗糙工程,在作物叶面实现了对大量元素氮、中量元素镁和微量元素铁的高效递送,为各类营养元素的有效利用提供了一条普适路径。相关成果相继发表在《美国化学会-纳米》和《环境科学-纳米》上,并获授权国家发明专利3项。

肥料是作物的“粮食”,也是保障粮食安全的重要物质基础。相较于传统土壤施肥,叶面施肥可使营养元素喷施于作物叶表,各种营养物质可直接从叶片进入作物体内,参与作物的新陈代谢和有机物的合成过程。

然而,由于作物叶面存在“荷叶效应”,现有叶面肥溶液在喷施过程中会从作物叶面大量滑落,或通过雨水冲刷进入土壤、河流等环境介质(肥料损失率约80%),导致严重环境污染,且浪费大量资源。因此,开发可以在植物疏水叶面上高效附着的肥料通用技术是现代农业面临的难题。

此次研究中,研究人员以大量元素氮为研究对象,利用纳米二氧化硅球表面粗糙工程制备了形貌不同的三种新型叶面氮肥:实心、空心以及海胆状空心硅基叶面氮肥,对比研究了三种表面粗糙度不同的叶面氮肥在作物叶片表面的粘附能力,其中海胆状空心硅基叶面氮肥的叶面粘附能力最强,这一性能的提高归结为载体表面丰富的微纳结构,高的表面粗糙度大幅改善了肥料在作物叶面的浸润性及附着力。

与传统叶面氮肥相比,具有海胆状空心纳米结构的叶面氮肥在花生叶片和玉米叶片的粘附能力分别提高了5.9倍和2.2倍,且玉米幼苗对氮素的利用率也提高了2.3倍。成功在叶面环境中实现了对大量元素氮的有效递送。相关研究成果发表在《环境科学-纳米》上,相关技术授权国家发明专利1项。

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海胆状空心硅基叶面氮肥的透射电子显微镜图像。 中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所供图

随着现代农业对智能化施肥的要求,为进一步提高肥料的环境自适应及控释性能,研究人员在通过表面粗糙工程改善了叶面肥在作物叶面的附着力后,进一步以中量元素镁为研究对象,制备了酸碱度可控的释放镁素的纳米硅基叶面镁肥。

这种肥料特有的层状滑石晶体结构使得肥料中的镁离子在酸性溶液中很容易被氢离子置换出来,从而赋予了其酸碱度敏感性;镁素释放量也可通过调整溶液酸碱度值进行控制,进而满足作物在不同生长阶段中对镁的要求。

研究表明,施用纳米硅基叶面镁肥的番茄幼苗对镁的最高利用率比施用传统叶面镁肥提高了9倍。相关研究成果发表在《环境科学-纳米》上。相关技术授权国家发明专利1项。

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具有酸碱度敏感性和抗雨水冲刷能力的硅基叶面镁肥示意图。中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所供图

针对有些肥料在施用过程的不稳定性问题,如常规亚铁肥中作物能有效吸收利用的铁形式为二价铁,然而,肥料中的二价铁易被在空气中被氧化成植物难以吸收利用的三价铁,为此研究人员设计了一种基于抗坏血酸和硅基纳米材料复合的新型抗氧化亚铁——硅基纳米复合材料,实现了对二价铁在作物叶面的有效递送。该纳米复合材料中抗坏血酸与二价铁的协同释放作用保护二价铁不被氧化,从而保证了铁养分在作物叶面的有效递送。

新型亚铁肥料中有效亚铁成分的抗氧化能力是传统叶面铁肥的6.6倍,且该肥料具有五个主要特点:超高的叶面附着能力和抗雨水冲刷能力;亚铁养分的缓释能力;优异的抗氧化能力;高酸碱度敏感性;高的生物安全性。相关研究成果发表在《美国化学会-纳米》上。相关技术授权国家发明专利1项。

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喷施去离子水、传统肥料、硅基载体和新型亚铁肥溶液对缺铁番茄幼苗的矫正效果对比照片。中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所供图

研究人员介绍,该系列研究工作为进一步掌握纳米结构对营养元素的高效递送、实现化肥的“减施增效”农业双碳目标以及为未来“纳米农业”的发展提供新的启示。 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1039/D0EN00686F

https://doi.org/10.1039/d2en00837h

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05120

 

 
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