农业生态系统中磷的流失会影响植物对磷的利用效率，从而构成农学和环境公害。一方面，土壤中可能含有所谓的遗留磷。

然而，只有一小部分遗留的磷库可供植物吸收。

磷与土壤成分的复杂相互作用，如酸性土壤中的氢氧化铁和铝，以及碱性土壤中的钙，都是造成这一结果的原因。

另一方面，传统的磷基肥料[如磷酸二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)和单一或三重过磷酸钙]是高度水溶性的。

农业集约化是为不断增长的人口实现粮食安全所必需的，提高资源利用效率对于维持农业集约化至关重要。

通过其在农业集约化中的作用，矿物肥料，特别是氮和磷，继续在满足日益增长的粮食需求方面发挥重要作用，同时挽救数百万公顷的边际土地、野生动物保护区和森林，使其免于耕种。

具体地说，对于磷来说，尽管它在植物发育和生产力中至关重要，但作物对磷的利用效率很低。

由于固定在土壤中、从土壤表面流失或淋失到地表水或地下水中，超过70%的施入磷对植物是不可用的。

三聚磷酸盐(TPP；Na5P3O10)是一种含磷的无机化合物，目前没有重大的作物生产应用作为肥料。

在全球范围内，跨太平洋伙伴关系的生产规模很大，年产量约为200万吨。

截至2020.11年度，美国的市场份额估计为839,000吨，是许多国内和工业产品的组成部分，包括洗涤剂(在允许的国家)。

TPP由钠、磷和氧组成，对生物系统本身无毒。事实上，它被美国食品和药物管理局归类为Gras，被普遍认为是安全的，并被批准为海鲜、肉类、家禽和动物饲料的防腐剂。

然而，TPP是水溶性的(溶解度=14.5g/100毫升)，可分解成P离子，导致内陆和沿海水域的富营养化。

值得注意的是，利用其磷酸盐部分，TPP还可以与金属阳离子强烈结合，这一特性可以调节其溶解度。

纳米技术的最新进展表明，有可能通过控制肥料中磷的溶解来减少损失，提高植物的利用效率。

事实上，特定的纳米级或纳米使能的磷肥已被证明能够调节磷的释放动态，潜在地满足作物需求，并减少不精确供应造成的损失。

基于这一观点，我们假设，当作为纳米肥料的功能被用作土壤−植物系统的结果时，TPP可以被重新用作肥料。

将纳米技术引入磷等宏观营养素的方法包括湿化学方法，如离子凝胶法、纳米聚合物溶液混合法、聚合物包埋法以及纳米微营养素的加入然后沉淀。

值得注意的是，纳米级壳聚糖的开发可以通过与TPP反应实现，其中TPP的负电荷磷酸部分和壳聚糖的正电荷氨基部分通过交联形成纳米结构。

这种络合物的形成导致了迄今为止透明的壳聚糖溶液的沉淀，表明了TPP-壳聚糖纳米结构的存在。锌是生物系统中一种关键的金属微量营养素。

人类缺锌在全球许多地区普遍存在，这归因于对生长在缺锌土壤中的主要粮食作物的消耗。值得注意的是，锌与磷具有拮抗作用。

在离子形态中，肥料磷与土壤中的锌离子发生沉淀，形成不溶性的磷酸锌聚集体，影响磷的生物利用率和吸收。

TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌的Zeta电位分别为+5.8 mV和+13.8 mV，平均流体力学尺寸为430 nm和301 nm。

这些结果表明，这些制剂总体上具有较低的Zeta电位，因此在悬浮液中的稳定性较低，但具有较高Zeta电位的TPP-壳聚糖氧化锌纳米粒比TPP-壳聚糖壳聚糖纳米粒更稳定。

TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌纳米颗粒的干粉和透射电子显微镜照片如图1所示。

这两种材料都具有相似的颗粒尺寸和无定形的形貌，尽管TPP-壳聚糖-氧化锌纳米颗粒在形态上更具聚集性。

图1 TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌纳米颗粒的干粉照片和透射电子显微镜图像

TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖氧化锌纳米颗粒的红外光谱如图2所示。

在3362 cm−1处有一个典型的吸收峰，与−NH的伸缩振动重叠，使其成为一个宽带。

TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌的吸收峰位于1980年、1640、1550和1375 cm−1附近，分别对应于对称和不对称的C−O伸缩。

此外，约1050 cm−1的峰表明TPP的磷酸基通过静电作用连接到壳聚糖胺基团上。

在TPP-壳聚糖纳米颗粒中加入氧化锌纳米颗粒后，1050cm−1TPP-壳聚糖纳米颗粒的峰发生了轻微的移动，表明溶解的锌离子可能与TPP-壳聚糖中的-OH基团发生了相互作用。

此外，在465和450 cm−1附近还观察到了两个新的吸收峰，这两个吸收峰对应于氧化锌的伸缩模式，并与以前的研究结果相一致。

然而，锌的低含量(2%)不利于更好地检验这些特征。

图2.TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌纳米颗粒的FTIR光谱

不同处理72小时的磷淋失浓度如图3所示。

当按时间顺序比较时(图3a)，从RP淋失的磷总体上很低。与之相反，对于常规肥料(MAP)，磷的淋失量随着时间的推移而显著增加，从培养1h后的0.6 mg累积增加到72 h后的2.8mg.P的淋失量随时间显著增加。

72小时后，累积增加从开始的1.2毫克上升到1.6毫克。

随着时间的推移，TPP-壳聚糖对磷的浸出量显著增加，从1h后的0.16 mg上升到72h的累积高值0.26。

而TPP-壳聚糖-氧化锌的磷浸出量很低，从1h后的0.04mgP淋洗到72h后的0.09mgP，但仅在48h后才显著增加。

图3常规肥料(MAP)、磷矿粉、TPP、TPP、壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌处理72小时后收集的渗滤液中的磷浓度

当按处理或产品进行比较时，在每个时间点的处理之间可以观察到显著的差异(图3b)。结果表明，在1h后，“原购”TPP、常规肥料(MAP)和TPP-壳聚糖的P淋失水平依次显著不同。

值得注意的是，这些处理的渗滤液显著高于TPP-壳聚糖氧化锌和RP的渗滤液，这两种处理在统计学上是相似的。

24 h后，与TPP-壳聚糖-氧化锌和RP相比，MAP的P淋失量最大，TPP次之，TP次之。48h后，MAP的淋失率最高，其次是TPP，而其他处理的淋失率都很低。

72h后仍保持类似的趋势，但有一些显著差异，即TPP对磷淋失的抑制作用比MAP更强，与RP相比，TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌对磷的淋失有不同程度的增加。

综上所述，这些结果表明，与传统肥料(MAP)和TPP相比，无论锌状态如何，壳聚糖的存在都非常强烈地抑制了磷的淋失。

值得注意的是，与TPP-壳聚糖相比，TPP-壳聚糖-氧化锌对磷淋失的抑制程度总体上更大。

研究结果显示，在水中孵育1 h后，锌的释放量仅为0.04 mg/L，在44、48和72 h内分别增加了60、87和105%(表2)。

相比之下，TPP-壳聚糖膜在1h后锌的释放量为0.002 mg/L，比TPP壳聚糖氧化锌的溶出量低181%。

24小时后，可溶性锌含量增加100%，48小时和72小时后分别增加150%。推测，该产品中的锌来自于壳聚糖，这是一种生物材料，并不意外地含有锌等营养物质。

与TPP-壳聚糖氧化锌和TPP-壳聚糖相比，添加对照的商品氧化锌纳米粒的锌释放显著增加，1h开始为11 mg/L，在24、48和72h分别增加了77%、266%和510%。

TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌纳米肥的农艺性能：以小麦株高、地上部鲜重和籽粒产量为农艺参数。

如图4所示，TPP和TPP-壳聚糖处理的植株高度分别比常规对照(MAP)高18.8%和17.1%，但差异不显著。

与MAP相比，TPP-壳聚糖-氧化锌处理的株高显著增加了33.0%。地上部重量不受任何处理的影响，但与常规肥料相比，TPP-壳聚糖和TP-壳聚糖-氧化锌分别增加了21.1%和30.1%的粒重。

由于观察到的高度可变性，这些值在统计上没有显著意义。

图4.小麦在土壤中施用常规肥料(MAP)、TPP、TPP壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌的营养和生殖性能

如图5所示，与传统肥料(MAP)处理相比，所有基于TPP的处理的根P含量都更高，尽管在统计上不显著。

值得注意的是，与其他处理相比，TPP壳聚糖-氧化锌显著降低了地上部P水平；与常规肥料、TPP和TPP-壳聚糖相比，这些水平分别降低了35.5%、47%和45%。

与根一样，与传统化肥处理相比，所有基于TPP的处理的籽粒P水平都没有显著提高。

对于锌，根和地上部组织含量在不同处理之间没有显著差异，但TPP和TTP-壳聚糖处理的锌含量有较高的趋势。

图5 土壤暴露于常规肥料(MAP)、TPP、TPP-壳聚糖和TPP-壳聚糖-氧化锌后 小麦根、地上部和籽粒中的磷和锌含量

通过测定植株地上部分组织(地上部和籽粒)中钾(K)、硫(S)、镁(Mg)和钙(Ca)的含量，评价了纳米肥料对土壤主要营养成分的影响。

表3显示，与TPP和TPP-壳聚糖相比，施用TPP-壳聚糖-氧化锌的小麦植株地上部K含量分别高20.7%和25.4%。

与此相吻合的是，TPP-壳聚糖氧化锌显著降低了采后土壤K含量，与常规肥料相比降低了65.8%，与TPP和TPP-壳聚糖相比分别降低了54.1%和57.3%。

另一方面，TPP-壳聚糖显著提高地上部S含量，分别比常规肥料、TPP和TPP-壳聚糖氧化锌高40.1%、33.4%和81.0%。

与常规化肥相比，施TPP壳聚糖的植株籽粒S含量显著增加(67.9%)。

与TPP-壳聚糖-氧化锌、常规化肥和TPP相比，TPP-壳聚糖显著增加地上部镁积累量39.3%、36.2%和39.6%，增加地上部钙积累量39.4%、36.4%和38.0%。

图6

与传统的磷肥(如MAP)相比，TPP可以作为植物生长和繁殖的磷来源，并为植物提供足够的磷。

当使用壳聚糖将TPP配制成纳米肥料时，其支持植物性能的属性在生物聚合物的存在下不会受到负面影响，这在纳米技术应用中是有意义的。

值得注意的是，与MAP和TPP相比，TPP-壳聚糖纳米肥显著减少了土壤中磷的淋失，这是一个理想的结果，在配方中加入锌进一步增强了这一结果。

从趋势上看，MAP和TPP的磷淋失量随着时间的推移而降低，而添加和不加锌的TP壳聚糖的磷淋失量在24~48h之间趋于最低，这两种产品的磷淋失量都有显著的上升。

研究更长时期内的淋溶趋势将是很有意义的。

正如预期的那样，锌降低了植株地上部对磷的吸收，但对籽粒磷的运输没有影响。相比之下，TPP对植物组织中的锌含量没有显著影响。

纳米肥料，特别是在缺乏锌的情况下，将当地土壤养分调动到植物中，有助于提高整体营养质量。

图6总结了这些关键结果，从缓解养分流失、农艺性能和对养分积累的不同影响方面，作为TPP-壳聚糖与TPP-壳聚糖-氧化锌的函数，相对于MAP。

总而言之，我们的数据清楚地表明，将非化肥磷材料重新用于农业和环境应用以减少磷损失的潜力。

减少磷的流失对于减少由于营养过载造成的水体富营养化和维持不断减少的全球磷资源至关重要。

值得注意的是，还强调了纳米技术在加强这类应用方面的作用。

进一步阐明这些潜力的研究正在进行中，包括使用降雨模拟器了解开发的纳米肥料防止径流的潜力，以及了解实际植物−土壤系统的淋溶特性。

【1】探索改善人类和环境健康的磷肥和施肥策略。

【2】喂养作物而不是土壤：重新思考食物链中的磷管理。

【3】纳米材料在水稻上的应用效果评价。回应：强调纳米技术在农业应用中的好处。