《Archives of Agronomy and Soil Science》：Superabsorbent biopolymers for climate-smart fertilizer technology: advancing nitrogen–water interactions for sustainable agriculture
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本综述系统阐述了植物源超吸水性生物聚合物（SAP）在包膜尿素（BCU）中的应用潜力，聚焦于其如何通过调控氮（N）释放与提升土壤持水能力，协同提高水氮利用效率（WUE/NUE），以应对干旱胁迫、减少氮素损失（如氨挥发NH3、淋溶），最终实现作物增产与环境可持续的双重目标。文章详述了纤维素、淀粉、壳聚糖等天然生物聚合物的改性策略、包膜技术、养分释放机理及其对土壤-植物系统的综合影响，为开发气候智能型肥料提供了重要理论依据与技术路径。
引言
随着全球人口预计在2050年增长至95亿，粮食需求预计将比当前生产水平增加高达70%。然而，可耕地的持续减少以及集约化农业对肥料的大量依赖，导致了氮（N）肥的过度使用。这不仅增加了生产成本，还因温室气体（GHG）的产生而带来环境风险。作物仅能利用所施肥料的一部分，其余部分通过挥发、反硝化、固定、淋溶和地表径流等形式损失，污染环境并负面影响植物生长、生理和经济回报。为解决氮缺乏问题，开发了各种化学和合成有机包膜材料来制备控释肥料（CRF），包括硫、氧化锌以及需要有机溶剂的聚合物材料。然而，这些材料往往成本高或对环境不友好。超吸水性生物聚合物（SAP）作为尿素包膜材料，因其成本低廉、易于生物降解、无毒、能够吸收和保持水分并有助于改善土壤质量，而成为一种有效的解决方案。
天然生物聚合物在农业中的应用
生物聚合物通常定义为源自植物、动物、真菌、藻类和微生物群落等生物体天然生物质的无毒、可生物降解的聚合物。本文主要关注源于天然材料（最常见的是植物生物质）的生物聚合物，因其经济、易得、可再生且比合成材料具有更多附加效益。天然生物聚合物，如纤维素、淀粉、壳聚糖等，含有许多亲水基团和交联网络结构，这增强了它们的吸水性和保水能力，即使在不利的气候和土壤条件下也是如此。例如，纳米粘土聚合物复合材料提高了吸水性和保水能力，使其可有效应用于雨养农业以缓解水分胁迫。
超吸水性聚合物的持水性
提高土壤持水能力和作物水分利用效率对于可持续作物生产至关重要，特别是在降水少和缺水的地区。施用超吸水性聚合物（SAP）被认为是提高缺水条件下水分利用效率（WUE）的有效方法，因为它们具有高吸水性和保水能力。由于其许多亲水基团和三维交联网络结构，聚合物保水剂即使在不利条件下也表现出巨大的吸水性和强大的保水能力。例如，淀粉改性的聚丙烯酸基水凝胶在添加0.25%时表现出最高的吸水性，其持水能力提高了120%。由酸变性淀粉和丙烯酸合成的新型生物基聚合物，由于其优异的吸水性和耐盐性，在农业中具有大规模商业应用的巨大潜力。
纤维素
纤维素是来源于谷物秸秆、棉花和木材等多种植物源的最丰富、最广泛使用的保水物质。它包含数百至数千个线性链连接的葡萄糖单元，带有许多羟基（OH?），定义了纤维素聚合物的亲水性。其持水能力可通过化学修饰增强，例如通过与2-氯乙醇进行醚化反应，然后与丙烯酸酯和丙烯酰胺共聚。所得的羟乙基纤维素共聚物在蒸馏水中的持水能力（240 g g?1）是简单纤维素的8倍。然而，聚合物的持水能力在盐胁迫下会大大降低，这限制了其在盐渍环境中的应用。因此，开发所需SAP产品的耐盐性对于其在农业土壤中的应用至关重要。
淀粉
淀粉是另一种由葡萄糖聚合物组成的植物基有机分子，用作吸水剂，但持水能力相对较低（在蒸馏水中<10 g g?1）。与纤维素类似，淀粉高度可生物降解、环境友好且强亲水；但在机械稳定性和耐盐性方面比合成聚合物差。因此，直接使用简单淀粉作为保水农业改良剂并不理想，但其通过与丙烯酸和磺胺酸聚合产物接枝进行改性，可以将去离子水中的吸水率提高100倍以上，同时在0.9%盐水中提高约15倍，这是耐盐性的一个指标。
壳聚糖
壳聚糖是一种生物聚合物，在蒸馏水中的吸水率约为10 g g?1。它是一种长链线性多糖，存在于真菌细胞壁和甲壳类动物的外骨骼中。尽管其持水性非常低，但大量羟基和氨基的存在为通过某些化学修饰提高吸水率提供了极好的机会。例如，壳聚糖-g-聚丙烯酸/凹凸棒石SAP通过壳聚糖与丙烯酸和凹凸棒石的接枝聚合，在蒸馏水中的吸水率提高了16倍（159.6 g g?1），在0.9% NaCl溶液中提高了约4倍（42.3%）。
合成聚合物
聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇是合成聚合物，它们的吸水率分别为1000 g g?1、800 g g?1和150 g g?1，远高于天然聚合物。然而，它们在土壤中的持久性较长且具有毒性，使其不适合作为农业改良剂。天然生物聚合物和合成聚合物的共聚可以提高其生物降解性和吸水性，使SAP的使用更加可持续和环境友好。
生物聚合物-水-氮在土壤-植物系统中的相互作用
水和氮的平衡使用对于可持续农业和环境至关重要。铵（NH4+）和硝酸盐（NO3?）是农业土壤中最常见的有效氮形态。氮肥的移动很大程度上取决于土壤水分含量，通过质流或简单扩散过程进行。植物根系对氮的吸收量很大程度上取决于吸水量。作为氮肥包膜材料的生物聚合物在调节土壤-植物系统中的水-氮相互作用方面发挥着重要作用。包膜肥料如BCU通过减缓尿素水解，提供了减少挥发和淋失的可持续解决方案，从而实现控释氮，满足植物氮需求。研究表明，生物聚合物包膜肥料可确保氮的控释、降低氮损失，并由于生物聚合物的超吸水性提高水分利用效率（WUE）。这些生物聚合物包膜肥料可以调节NH4+和NO3?的同步释放，减少氮损失，同时为植物提供持续的氮供应。
生物聚合物包膜尿素：概念与发展
控释/缓释肥料（CRF/SRF）是专门配制的，以缓释方式释放养分，使养分供应与植物按需吸收相匹配，从而最大限度地减少养分损失。因此，包膜肥料有望提高养分利用效率和作物产量，同时对环境的影响最小。肥料包膜技术是开发CRF/SRF的一种有前景的方法，研究人员已经采用了多种包膜材料。为了最大限度地减少经济和环境障碍，使用从天然材料（如果皮和作物残留物）合成的生物聚合物提供了一种经济且环保的包膜材料。这些聚合物具有高吸水性，除了控制养分释放外，还可以减少水分损失，提高缺水条件下的水分利用效率。
用于包膜配方的植物基生物聚合物
生物聚合物可以直接用作土壤改良剂，以增强土壤特性、刺激微生物活动并缓解氧化胁迫。关于植物基生物聚合物来源的信息，包括纤维素、果胶、木质素、淀粉和瓜尔胶，它们的相互兼容性已被简要描述。纤维素、淀粉和木质素包膜肥料的养分释放持久性相对较短，这是由于它们的亲水性、较差的机械性能和水不溶性。因此，需要使用这些物质作为单一包膜材料是不可行的，需要进行一些修改，例如加入相容剂和交联剂来制备合适的包膜材料。
包膜技术
用于包膜颗粒肥料的方法是影响BCU控释机制和包膜生物聚合物层持水能力的关键因素。通常，包膜材料通过将颗粒浸入包膜液、将液体喷涂到颗粒上，或使用静电或机械技术在流化肥料上沉淀和/或固化包膜来施加到颗粒表面。浸渍或浸涂是最常见和最简单的方法。使用包衣锅可以解决这些限制，是包膜颗粒肥料最常用的技术。流化床包衣技术用于固体颗粒、粉末/悬浮液以及液体包衣。
影响包膜性能的因素
包膜配方特性，如浓度、粘度和配方组分的相容性，以及疏水性和包膜层数，极大地影响包膜强度、吸水性和养分释放速率。包膜溶液中聚合物的浓度是控制养分释放速率的关键因素。配方中组分的相容性是影响包膜强度和释放速率的另一个关键因素。用作包膜材料的聚合物的疏水/亲水性极大地影响包膜层与水分子之间的亲和力。最后，建立用于开发BCU产品的包膜层数也很重要。
养分释放机制
包膜肥料的缓释机制很复杂，受许多因素直接或间接调节，例如包膜材料的性质、包膜技术、土壤特性和土壤-水条件。关于氮释放机制、BCU-土壤相互作用以及许多其他因素，探索包膜肥料的具体氮释放机制具有挑战性。包膜肥料的控释机制据称是基于扩散过程。包膜颗粒必须首先与水分接触以吸收可用水。生物聚合物包膜尿素的控释机制涉及水凝胶的形成以及养分通过简单扩散和包膜生物降解的释放。
生物降解性和环境因素
包膜肥料的有意义且关键的讨论涉及用于开发SRF/CRF的包膜材料的生物降解性。这种生物降解性取决于几个因素，包括材料相关因素（如粘合剂、包膜厚度、引发剂类型和颗粒大小）和环境因素（例如土壤类型、pH、温度、湿度、微生物活动和盐度）。除了包膜材料相关的特性外，外部环境也显著影响包膜的稳定性、养分释放机制和复合材料的生物降解性。
BCU对作物生长和土壤特性的影响
与常规尿素相比，BCU在植物生长和作物生产方面具有显著优势。BCU缓慢释放氮以满足植物最佳氮需求，改善了氮供应和需求的同步性，从而防止植物出现可能的缺乏或过量失调。超吸水性包膜可以保持水分，并在缺水条件下或两次灌溉事件和/或降雨间隔过长的情况下改善保水性。这种增强的保水性提高了作物的水分利用率，减少了侵蚀、地表径流以及干旱胁迫对作物生长和产量的不利影响。
BCU的环境和可持续性方面
施用的氮肥（如尿素或其他无机氮肥）约有40-70%通过NH3挥发、矿化、淋溶、反硝化和地表径流损失到环境中。BCU的应用由于其控释特性，确保了肥料用量的显著节省，因为CRF的推荐施用量比常规尿素低约20-30，这是由于损失减少和氮利用效率高。BCU具有将氮损失减少高达26-60%的优异潜力，从而最大限度地减少与过量氮肥和/或向环境排放较高氮损失相关的环境健康风险。
BCU的挑战与局限性
尽管生物聚合物作为气候智能型肥料的包膜材料具有众多好处，但其使用也伴随着一些必须解决的重大挑战，以实现其广泛应用。将生物聚合物作为BCU包膜材料的成本效益是需要解决的最突出挑战之一。生物聚合物的盐敏感性代表了生物聚合物基CRF的另一个限制。土壤对生物聚合物的反应可变性对BCU的应用提出了另一个挑战。生物聚合物生物降解的不确定性也引起了关于其应用和功效的重要关注。监管问题也增加了生物聚合物应用的复杂性。
未来展望与研究方向
气候变化预计将增加农业部门缺水的可能性，导致全球土壤更加干燥。同样，氮肥的过度使用正在增加投入成本，并由于温室气体（GHG）产量的增加而威胁环境。生物聚合物包膜肥料在提高缺水条件下水分利用效率（WUE）和氮利用效率（NUE）方面提供了显著优势，但需要进一步研究以充分发挥其潜力。未来的研究方向应包括采用多组学方法整合植物和土壤微生物群落的遗传修饰，开发对土壤水、pH和植物根系结构响应更好的生物聚合物基包膜材料，以及利用纳米技术开发BCU和其他包膜肥料。此外，需要进行社会经济研究来评估BCU应用的成本效益、采用障碍和环境权衡，然后才能制定政策并扩大其使用规模。
结论
源自植物材料的超吸水性生物聚合物为在当前气候变化情景下提高水和氮（N）效率提供了可持续的解决方案。它们的无毒、可生物降解和吸水特性能够实现缓慢和可控的养分释放以及土壤水分保持，这可以显著减少氮损失并减轻与传统无机肥料相关的污染风险。BCU的应用提供了与植物生长需求同步的氮和水供应，以支持缺水条件下的作物生产力。尽管在包膜材料和技术方面取得了显著进展，但仍需要进一步研究以增强BCU在提高非生物胁迫耐受性和确保土壤-植物系统中养分供应稳定且损失最小方面的潜力。专注于根系结构和非生物胁迫恢复力的遗传资源综合改良与生物聚合物包膜肥料技术相结合，可以增强植物对干旱胁迫和养分缺乏的适应能力。此外，纳米技术和规模化制造方面的进步有望提高气候智能型肥料的经济可行性。总之，生物聚合物包膜肥料为建立更高效、更有弹性和环境安全的作物生产系统提供了可持续的解决方案，有助于满足日益增长的人口的粮食需求。
