多孔结构二氧化硅负载营养物质材料的制备及在作物体内传输机制研究

Low use efficiency of fertilizers not only results in a huge waste of resources, energy and economy, but also triggers a series of environmental pollution problems. Rational management of fertilizer is an important guarantee for the sustainable development of agriculture. In order to solve the above problems, the materials of porous SiO2 loaded nutrient elements (N, P and Se) will synthesize by chemical activity template technique and grafting method. The combination of efficient load and targeted transportation by further modification of porous SiO2 could achieve the migration and release of nutrient elements in the crop. Moreover, this project will explore the basic principles and rules as high efficiency load and target transportation, and realizes the optimal design of efficient absorption method on the nutrient elements by crops. It includes control of reaction parameters, such as solvent, temperature, concentration, pH, etc, on the synthesis of porous silica (e.g., scale, surface roughness, aperture and so on); the target transportation of the nutrient element could be achieved by the modification of different functional groups on the surface of porous SiO2. It was also studied the relationship between the absorption effects of crop on the carrier materials with different scale and different nutrient loading, and the effects of surface roughness on the infiltration time of crop foliage, etc. The purpose of this project is to research the material preparation technology and related intellectual property rights of porous structure SiO2 loaded nutrient, which can provide a feasible way for the efficient transportation and release of nutrient elements.

化肥利用率低不仅造成资源、能源和经济的巨大浪费，同时引发了一系列的环境污染问题。如何合理管理化肥，是实现农业可持续发展的重要保证。本项目针对上述问题，利用化学活性模板技术和嫁接方法合成多孔SiO2负载营养元素（N、P和Se等）的材料，通过进一步对其修饰改性把高效负载和靶向传输结合起来实现营养元素在作物体内的迁移和释放。围绕高效负载、靶向传输等关键问题进行原理、规律和方法的探索研究，实现作物对营养元素高效吸收方法的优化设计。主要包括：不同合成参数(溶剂、温度、浓度、pH值等)对多孔结构SiO2(尺度、表面粗糙度、孔径等)的影响；通过材料表面不同官能团的修饰，实现对营养元素的靶向传输；研究作物对不同尺度载体材料及不同营养元素负载量的吸收，及材料表面粗糙度对作物叶面浸润时间等的影响。旨在获得具有多孔结构SiO2负载营养元素材料及制备技术和相关知识产权，为营养元素的高效传输及释放提供可实现的途径。

本项目按照任务书要求，针对现有肥料浪费严重易造成环境污染的弊端，旨在利用纳米肥料技术找到一条绿色的纳米施肥途径，解决上述紧迫农业问题。利用硅基纳米材料的表面粗糙工程，从不同硅基氮肥、硅基叶面镁肥、硅基叶面亚铁肥、纳米硒肥等几个层面开展相应的基础科学研究，主要内容如下：（1）设计合成了尺寸不同的纳米二氧化硅球体，探明了其在水稻叶面的附着情况，初步掌握了在水稻叶面内的传输规律。（2）盆栽试验总结了纳米硒对小白菜生长的影响规律，并与亚硒酸盐进行叶面施肥对比，进一步探讨了硒在小白菜体内的分布及转运规律。（3）通过调控合成参数制备了不同表面粗糙度的介孔硅基材料；采用浸渍法进行氮素组装，实现了硅基材料对氮素的高效负载；研究了介孔硅基材料表面性能与多种作物叶面润湿性之间的关系，以及在模拟雨水冲刷条件下的叶面附着力情况；揭示了在玉米叶与花生叶叶面上复合铵肥附着量与海胆状空心硅球的添加量之间的关系。盆栽实验探究了三种表面粗糙度硅球负载铵肥对玉米幼苗的生长情况影响。（4）成功构筑了环境自适应能力强、pH可控释放镁素、叶面附着力及雨水抗冲刷能力强的叶面硅基镁肥；探究了硅基叶面镁肥的叶面附着能力及其肥料性能研究，以及传统叶面镁肥与硅基叶面镁肥对番茄幼苗生长的影响规律总结，并用红色斑马鱼幼苗完成了对硅基叶面镁肥生物安全性能评估。（5）成功设计了一种叶面附着力强、抗氧化能力强且可通过调节喷施溶液的pH值，实现对亚铁离子可控释放的硅基叶面亚铁肥。通过盆栽试验探究了传统叶面亚铁肥与硅基叶面亚铁肥对番茄幼苗生长促进作用的影响，以及硅基叶面亚铁肥的叶面附着能力及其肥料性能研究。利用斑马鱼幼苗完成了对硅基叶面亚铁肥生物安全性能的评估。项目的开展为营养元素的高效传输及释放提供了可实现的途径。