综述：用于农业应用的纤维基材料：制造策略、功能创新及未来展望

《Chemical Engineering Journal》：Fiber-based materials for agricultural applications: Fabrication strategies, functional innovations, and future perspectives

本文系统综述了纤维基材料在农业中的应用，分析其结构-性能关系，探讨制备策略与功能化方法，包括表面化学接枝、物理负载及异质结构设计，评估其在病虫害防治、土壤改良等领域的潜力及挑战，为可持续农业提供参考。

　　

梁和斌|高迪|张敏|马文静|熊然华|黄超波

国家森林食品资源开发利用重点实验室，先进生物医学材料联合实验室（南京林业大学-根特大学），江苏省森林资源高效加工与利用协同创新中心，南京，210037，中国

摘要

全球农业发展面临着资源枯竭、环境污染和气候变化等重大挑战，这迫切需要应用创新的功能性材料。基于纤维的材料因其在结构设计、灵活性、生物相容性和环境可持续性方面的优势而在农业领域受到了广泛关注。尽管这些材料的重要性日益凸显，但针对农业应用的基于纤维的材料的全面分析和系统综述仍然较为缺乏。本文综述了基于纤维的农业材料的最新进展，重点探讨了其制备策略、功能改性和实际应用。具体而言，基于材料资源分析了天然纤维和合成纤维的结构-性能关系，并讨论了相关制造工艺的应用场景。此外，还探讨了表面化学接枝、物理负载和异质结构设计等改性策略在提升材料性能中的作用。随后详细回顾了基于纤维的农业材料在实践中的应用进展，并分析了当前面临的挑战和未来前景。最终，本文旨在为基于纤维的材料在农业中的更广泛应用提供参考，以推动可持续农业实践的发展。

引言

农业是人类社会的基础，不仅提供食物和工业发展的原材料，还对社会经济进步做出了重要贡献[1]。然而，农业正面临着全球人口增长、气候变化和环境退化带来的前所未有的压力。虽然传统的农业材料（如化肥和农药）以及塑料制品（如地膜）提高了产量，但也加剧了食品安全危机和生态压力[2][3]。此外，耕地面积的持续减少以及每年近三分之一的食物浪费进一步加剧了农业可持续性的挑战[4]。这些因素凸显了在快速变化的全球环境下，迫切需要创新解决方案来确保食品安全和环境可持续性。 鉴于这些挑战，天然和合成基的纤维材料作为传统农业材料的替代品具有巨大潜力，因为它们具有生物降解性、结构柔韧性和可规模化生产的特点。天然纤维来源于可再生资源，如植物[5][6][7]、动物[8][9][10]和矿物[11]，在使用后对环境的影响最小。相比之下，合成纤维（尤其是生物基类型[12][13]）可以通过工程改造来增强机械性能并赋予特定功能，例如控制农药释放和改善害虫防治效果。此外，基于纤维的材料还可以根据具体农业需求进行定制，如改善土壤[14][15]、促进植物生长[16][17]、害虫管理[18][19]以及废物回收（图1）[20][21][22]。 尽管基于纤维的材料越来越受到关注，但现有的大多数综述主要集中在医学[23][24]和能源[25][26]领域的应用，对其在农业中的潜力关注不足。为填补这一空白，本文提出了一个综合框架，整合了基于纤维的材料的结构设计、功能实现和农业应用。通过分析天然（植物、动物和矿物）及合成（石油基和生物基）纤维的结构-性能关系，本文从材料角度探讨了其在农业中的潜力。此外，还研究了各种纳米纤维制备技术及其在农业应用中的适用性。 随后，本文探讨了多种改性策略，包括表面化学接枝（羟基、羧基和氨基功能化）、物理负载（浸渍、自组装和嵌入）以及异质结构设计（核壳结构和Janus结构），重点分析了这些策略如何提升基于纤维的材料在农业中的性能。这些改性措施对持续释放、材料响应性和解决关键农业问题的能力产生了显著影响。本文还强调了基于纤维的材料在害虫和疾病控制、农业辅助材料、农药检测与去除以及农业废弃物回收等领域的广泛应用（图1），展示了这些材料在推动可持续农业实践方面的巨大潜力。最后，本文讨论了基于纤维的材料在智能农业系统中的新兴研究趋势、挑战和未来潜力，为它们在农业未来的作用提供了前瞻性视角。

纤维类型与制备方法

全球农业面临的挑战包括资源枯竭、环境污染以及对可持续实践的日益增长的需求。这些问题凸显了创新解决方案的迫切性。基于纤维的材料具有可调性、生物相容性和环境可持续性，使其成为传统农业材料的理想替代品。这些材料具有高比表面积、多孔性、灵活性和易于改性的优点。

针对农业应用的功能化策略

基于纤维的材料在农业中的大规模应用受到其固有特性的限制。天然纤维容易降解，导致其机械性能下降；合成纤维表面惰性较大，导致农药负载能力差和功能化程度有限。为克服这些局限性，研究人员开发了物理化学改性技术，以提高纤维材料的表面活性、机械耐久性和环境响应性。

害虫与疾病控制

从种子发芽到果实收获，作物的生长周期较长，使其不断面临各种害虫和疾病的威胁，因此需要有效的植物保护措施。纤维材料具有多孔结构和高的比表面积，且易于改性，这使得它们在农业植物保护中非常有用。它们被用于种子包覆、害虫诱捕、农药增效和植物嫁接等方面。

结论、挑战与展望

在过去几十年中，基于纤维的材料已在医学工程、电子学、柔性纺织品、水处理和能量存储等领域得到广泛应用。由于它们的结构可调性、机械柔韧性和可定制的功能性，加之现代农业对可持续材料需求的增加，基于纤维的农业应用系统近年来取得了显著的研究进展。

作者贡献声明

梁和斌：撰写——初稿撰写、可视化处理、方法论设计、实验研究。 高迪：撰写——初稿撰写。 张敏：撰写——初稿撰写。 马文静：撰写——审稿与编辑、监督工作、资金争取、概念构思。 熊然华：撰写——审稿与编辑、监督工作、资金争取。 黄超波：撰写——审稿与编辑、监督工作、资金争取。

利益冲突声明

在准备本工作时，作者使用了Chat GPT来辅助语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

本手稿的完成得益于所有作者的共同努力。所有作者均已批准最终版本的手稿。本工作得到了国家自然科学基金（编号：22275094、22305125）的支持。

缩写说明

PE	聚乙烯
PP	聚丙烯
PLA	聚乳酸
PU	聚氨酯
PVA	聚乙烯醇
PCL	聚己内酯
CA	醋酸纤维素
FITC	荧光异硫氰酸酯
PpIX	原卟啉IX
SBS	溶液吹塑
AI	活性成分
LBL	逐层自组装
SET	种子增强技术
HA	羟基磷灰石
TDDA	(Z, E)-9,12-十四二烯基乙酸酯
PHB	聚羟基丁酸酯
CNF	纤维素纳米纤维
COF	共价有机框架
THY	百里酚
EVOH	乙烯-乙烯醇共聚物
RH	相对湿度
PEO