论文标题：Biomaterial amendments improve nutrient use efficiency and plant growth

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Ying LIU, Natasha MANZOOR, Miao HAN, Kun ZHU, Gang WANG

发表时间：15 Mar 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2024586

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根际生命共同体与养分高效

Rhizobiont for High Nutrient Use Efficiency

专 辑 文 章 介 绍

· 第八篇 ·

▎论文ID

Biomaterial amendments improve nutrient use efficiency and plant growth

生物材料改良剂提高养分利用率和促进植物生长

文章类型：Review

发表年份：2025年

第一作者：刘莹，Manzoor Natasha

通讯作者：王钢

Email: gangwang@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学，土地科学与技术学院，土壤和水科学系。

Cite this article :

Ying LIU, Natasha MANZOOR, Miao HAN, Kun ZHU, Gang WANG. Biomaterial amendments improve nutrient use efficiency and plant growth. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(1): 81–103 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024586

· 文 章 摘 要 ·

全球粮食安全因人口增长、土地退化和气候变化面临重大挑战，传统农业方式已不足以确保长期粮食安全和生态系统可持续性。生物基管理策略，如微生物菌剂、纳米肥料和生物炭等生物材料改良剂，为改善土壤健康和粮食生产力提供了新途径。微生物菌剂可提高养分可用性、促进作物生产和抗逆性，同时修复污染土壤；纳米生物技术在缓解生物和非生物胁迫方面具有巨大潜力；生物炭作为有效的微生物载体，能提升土壤有机碳，促进养分利用和植物生长，且有助于土壤有机碳固存和缓解温室气体排放。本文综述了这些生物材料改良剂对土壤健康和作物生产的效应，探讨了其在可持续农业实践、粮食安全和气候变化缓解中的潜力，并指出在大规模生产、应用和潜在风险方面仍需克服挑战，未来研究应聚焦于优化生物改良策略、评估经济可行性和制定监管框架，以确保农业中的安全有效实施。

· 文 章 亮 点 ·

1. 微生物菌剂能够提升养分可用性、作物产量、抗逆性和土壤修复能力。

2. 纳米材料可以增强土壤肥力、养分输送并缓解非生物胁迫。

3. 生物炭是一种高效的微生物载体，能够提升土壤有机碳含量。

4. 整合生物改良剂有助于提升土壤健康、作物生产力和环境可持续性。

5. 在扩大生产规模、确保安全使用以及理解长期影响方面仍存在挑战。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

1.引言

全球粮食危机因人口增长、气候变化和土地退化而加剧，现有农业方式难以确保未来粮食安全和生态系统可持续性。土壤改良管理作为一种提升土壤健康和粮食生产的策略，已广泛应用于农业领域。这些改良剂包括微生物菌剂 (如生物肥料、生物除草剂和生物农药)，以及纳米肥料 (如金属氧化物纳米颗粒和纳米级天然矿物)。

生物炭是一种由有机材料 (如小麦秸秆、花生壳、废木材和粪便) 制成的环境持久性材料，具有高碳含量、低氧和氢水平。它通过热化学转化在限氧环境中生产。微生物 (如丛枝菌根真菌、微藻和植物生长促进细菌) 对可持续农业系统至关重要。这些有益微生物可从植物、水、堆肥的粪便或其他有机材料中分离出来，并已得到广泛研究。

本综述旨在评估各种生物材料改良剂 (特别是微生物菌剂、纳米材料和生物炭) 对土壤健康和作物生产的影响，并探讨这些改良剂在增强可持续农业实践、提高粮食安全和缓解气候变化影响方面的潜力。

2.微生物菌剂

2.1 提高养分利用效率，增加作物产量

微生物菌剂能够通过固氮、溶磷和钾的活化等方式为植物提供养分，从而提高作物产量。植物主要以硝酸盐或铵离子的形式从土壤中吸收氮，以合成氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素等必需物质。固氮微生物能够将大气中的氮转化为植物可利用的氨，从而补充氮营养，提高作物产量。此外，微生物菌剂可以作为矿物肥料的可持续替代品，减少矿物肥料的使用，同时提高土壤养分的有效性和作物生产力。

2.2 提高作物对干旱和盐碱胁迫的抵抗力

非生物胁迫如土壤盐碱化、干旱等是影响农业生产的重大限制因素。微生物菌剂可以通过提高养分吸收、诱导抗氧化防御系统和降低乙烯水平等方式帮助植物抵御盐碱和干旱等非生物胁迫。例如，具有ACC脱氨酶的微生物菌剂可以降低植物的乙烯水平，从而减轻盐胁迫的影响。

2.3 修复土壤有毒污染物

土壤中的有毒污染物如重金属、石油烃和农药等对环境和人类健康构成严重威胁。微生物菌剂能够通过生物转化、生物吸附等机制去除或降解这些污染物，从而修复受污染的土壤。例如，某些微生物菌剂可以固定或转化重金属，降低其毒性和生物有效性。

2.4 恢复退化土壤

退化土壤在全球范围内普遍存在，影响了农业生产和生态系统健康。微生物菌剂可以用于恢复退化土壤，通过提高植物生长和土壤养分含量，促进土壤结构和功能的恢复。此外，微生物菌剂有助于恢复退化土壤中微生物群落的结构和功能，提高土壤的生态服务功能。

3.纳米肥料用于提高农业生产力

3.1 纳米材料对土壤的改善

纳米材料能够显著改善土壤的物理和化学性质，从而提高土壤的生产力和可持续性。它们具有独特的物理和化学性质，如高比表面积、结晶性和增强的反应性，这些特性使其能够有效地与植物根系和土壤微生物相互作用，促进养分吸收和植物代谢。纳米材料还可以通过促进土壤颗粒的聚集，增加土壤的孔隙度和透气性，从而改善土壤结构。

3.2 纳米肥料

纳米肥料具有逐步释放养分的能力，这使得养分能够更有效地被植物吸收，减少养分流失和环境污染。例如，基于沸石的纳米肥料可以缓慢释放养分，提高作物对养分的吸收效率。此外，纳米肥料还可以通过提高植物的抗氧化能力和调节植物的生理过程，增强植物对干旱、盐碱等非生物胁迫的抵抗力。

3.3 对土壤微生物群落的影响

纳米颗粒处理可以显著改变土壤微生物群落的组成和多样性，影响微生物的关键过程如矿化、固氮和植物生长促进。这种影响取决于纳米颗粒的类型、浓度以及土壤的性质。在某些情况下，纳米材料可以刺激土壤微生物的活性，促进养分循环和植物生长。

3.4 纳米材料在病害管理中的应用

纳米材料对多种植物病原体具有抑制作用，可以作为农药的载体或直接用于病害防治。例如，氧化锌纳米颗粒具有抗菌和抗真菌特性，可以减少植物病害的发生。此外，纳米材料还可以通过增强植物的免疫系统，提高植物对病原体的抵抗力。

4.纳米技术在缓解非生物胁迫中的作用

4.1 纳米材料缓解干旱胁迫

干旱导致植物生长受阻、光合作用减缓等不利影响。纳米材料可提高植物的抗旱能力，如提高光合色素和脯氨酸等重要化合物的水平，增强抗氧化能力，减少氧化损伤。例如，在干旱条件下，纳米颗粒可提高植物体内抗氧化酶的水平，降低丙二醛含量，从而减轻干旱对植物的伤害。

4.2 纳米材料缓解热胁迫

纳米材料在缓解热胁迫方面也具有潜力，如生物相容性纳米颗粒可显著提高植物在热胁迫下的存活率，通过调节植物体内的活性氧水平，减轻热胁迫对植物生长和发育的影响。

4.3 纳米材料缓解冷胁迫

纳米材料能够帮助植物抵御低温胁迫，如二氧化钛纳米颗粒可提高植物的抗氧化酶活性，减少氧化损伤，增加甘草次酸含量，从而增强植物的抗寒能力。

4.4 纳米材料减轻盐胁迫

纳米材料有助于植物应对盐胁迫，如氧化锌、铁氧化物等纳米颗粒可增强植物对盐分的耐受性，维持细胞膜的稳定性，减少脂质过氧化，从而降低盐胁迫对植物生长和产量的负面影响。

4.5 纳米材料修复重金属污染土壤

纳米材料能够通过与重金属形成络合物或吸附重金属离子，降低其在土壤中的移动性和生物有效性，从而减少植物对重金属的吸收，降低其在食物链中的传递风险，有助于修复受重金属污染的土壤，保护生态环境和人类健康 (图1)。

图1 生物工程纳米颗粒减轻土壤重金属毒性并提高作物生长、产量和食品安全。

5.纳米技术在促进种子萌发、生长和作物生产力中的应用

纳米技术在农业中具有重要应用，能够显著提高作物产量和生产力。纳米材料可有效促进种子萌发，进而增强植物生长和果实产量。研究表明，纳米材料能够提高种子的代谢活性和幼苗的活力，通过调节细胞信号通路实现。例如，石墨烯及其衍生物可作为土壤中的高效水运输器，加速种子吸水，促进萌发和植物生长发育。此外，纳米材料还可通过提高植物的抗逆性和养分吸收效率，进一步提升作物的生产力和质量。

6.生物炭作为提高土壤质量和功能的添加剂

6.1 生物炭作为微生物载体

生物炭对木炭圈环境中的微生物群落多样性和组成有显著影响。特定细菌附着在生物炭上，能有效吸附壬基酚、菲等有机化合物及重金属。例如，将生物炭与锰氧化细菌联合应用于处理铅、砷污染的土壤，其净化效果显著。研究证实，生物炭是益生菌的有效载体，能维持微生物活性数月甚至一年。

6.2 生物炭改善土壤生态系统中的养分循环

生物炭作为氮、磷、钾等必需养分的良好载体，其多孔结构和吸附能力提高了土壤的孔隙度、保水性和氮保留时间以及微生物活性。生物炭的应用平均可使土壤有机碳增加39%，促进土壤中硝酸盐、铵和磷酸盐的形成，提高土壤碳固存并减少温室气体排放。此外，生物炭可作为电子介质参与土壤中的氧化还原反应，减少N?O排放，增强厌氧氨氧化耦合铁还原过程。

7.挑战与展望

7.1 微生物菌剂应用的困难

尽管土壤微生物菌剂研究已久，但其广泛应用面临诸多障碍。将微生物细胞引入土壤以促进宿主根际快速定殖，但效果受限。有效菌剂需具备强竞争力和根际定殖能力，才能显著影响植物健康。植物和土壤微生物群落间存在复杂通信网络，引入菌剂可能干扰这种平衡，引发直接营养竞争或与土著微生物的互作。此外，菌剂在受体环境中的扩散能力是关键因素，影响其获取资源和定殖的潜力。

7.2 纳米肥料的大规模生产、应用及其健康风险

纳米肥料在提高作物养分输送、提升农业生产力和可持续性方面具有巨大潜力 (图2)。然而，其生产、应用及潜在健康风险也带来诸多挑战。纳米肥料的生产需精准控制颗粒大小、组成和表面特性，其技术难度大且成本高。扩大生产规模以满足农业需求，同时保持质量稳定并非易事。部分生产方法依赖稀有或昂贵材料及能源密集型工艺，限制了可扩展性并增加了成本。此外，还需考虑纳米肥料生产对环境的影响，包括能源消耗、废物产生和副产品潜在污染。

图2 纳米肥料促进植物在非生物环境胁迫下的生长和发育。

7.3 生物炭的有效应用及其对碳中和的贡献

生物炭在减缓气候变化和推进碳中和方面潜力巨大，但大规模应用面临挑战。大规模生产和成本管理是主要障碍，需开发高效且环境友好的热解技术。还需全面评估大规模生产生物炭的经济可行性，包括成本效益分析。尽管如此，生物炭可改善土壤健康、增强微生物功能、增加粮食产量，并作为稳定的碳汇减少大气CO?水平，其碳固存潜力对减缓温室气体排放和应对气候变化意义重大。

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由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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