让庄稼少“吃”化肥多增产，新型喷雾来了！

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姜立军2026年04月08日约 7 分钟

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最近，随着中东局势的动荡，霍尔木兹海峡的航运几乎完全受阻。全世界除了感受石油、天然气价格上涨的压力，可能还会面临粮食危机——因为，化肥也受影响了。

天然气是氮肥生产的重要原料，中东地区既是液化天然气主要出口地，也是尿素等常见氮肥主要出口地。当前，由于经霍尔木兹海峡的航运受阻，巴西、苏丹等农业大国难以买到中东氮肥，印度、巴基斯坦等氮肥生产国难以买到原料。

对农业生产来说，氮肥到底有多重要？如果没有氮肥，还能种庄稼么？

为啥需要氮肥？它有planB吗？

氮是作物生长发育不可或缺的核心营养元素，可以通过促进蛋白质、叶绿素、核酸等关键物质的合成，显著提升作物的光合作用效率、生物量积累和产量形成，是作物生长需求量最大的营养元素。

作物需要氮，谁为它们准备呢？答案是，土壤里的固氮菌！

空气中约78%是氮气（N₂），由于氮气分子非常稳定（N≡N三键），大多数生物无法直接利用它。固氮菌是一类神奇的微生物，它们体内有一种叫作固氮酶的工具，能够“剪断”氮气（N₂）分子间牢固的三键，将大气中的氮气（N₂）还原为氨（NH₃）供植物吸收利用，这个过程叫作生物固氮。这是自然界最重要的氮循环环节之一，相当于一个免费的天然化肥厂，固氮菌为生态系统提供重要的氮素营养，是农业可持续发展的重要资源。

氮循环示意图

固氮菌并非单一物种，而是一个功能类群，根据其与植物的关系和生活方式，主要分为三类：自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌。自生固氮菌指各种自由生活、能独立固定大气氮的原核生物，一般固氮能力较弱。共生固氮菌指必须与其他生物共生时才能固氮的原核微生物。如根瘤菌属与豆科植物共生，形成根瘤共生体固氮。而联合固氮菌在植物根表或根皮层内生活，它并不形成根瘤，但也有较强的宿主专一性。

虽然固氮菌能给作物提供必需的氮，但是绝大多数土壤无法持续供应作物高产所需的全部有效氮。因此，农业生产中，必须通过施用大量氮肥确保农作物的生长和产量。

20世纪初，人工合成氨技术的诞生，解锁了氮的工业化利用途径，带来了粮食产量的飞跃，为全球激增的人口提供了生存保障。我国自新中国成立后氮肥合成工业开始起步，70年代后期得到快速发展基本实现自产。改革开放后，中国氮肥行业更是进入技术突破与产业升级阶段，在生产装置、原料结构及产业集中度等多个方面优化提高，氮肥产量和消费量稳居世界第一。

不过，氮肥的大量使用虽然提高了作物产量，但也带来了不少环境问题。每年施用的氮肥，有一半以上没有被植物吸收，大量的氮通过挥发、反硝化、淋溶等途径进入了水体和大气损失，并导致富营养化和温室气体排放等问题。最近的武装冲突也凸显了化肥市场的脆弱。

那是否可以不用氮肥呢？或者，是否可以不向土壤中施放氮肥？

利用微生物进行生物固氮（将空气中的惰性的氮气转化为植物可吸收的活性养分）被视为一种绿色的替代方案。然而，豆科植物与少数微生物（如根瘤菌）的共生固氮体系是生物固氮的主要途径，其作用范围主要局限于豆科植物。如何将生物固氮能力转移到其他农作物中，一直是科研人员孜孜不倦探索的一个世界级难题。

近日，中国科学家在《自然·食品》（Nature Food）杂志上发表了一项有意思的研究成果：他们开发了一种纳米包膜技术，相当于给固氮菌穿上了一层“纳米盔甲”，让它们能在作物叶片上，直接从把空气中的氮气转化成养分。

从土壤到叶片，固氮菌需要哪些保护？

之前，有不少科学家致力于把固氮菌制成“菌肥”，喷洒在作物上，让它们在叶面直接为植物供氮。然而，传统的微生物菌剂在叶面施用时面临巨大挑战：叶面环境对固氮菌来说太严酷了！比如阳光中强烈的紫外线会破坏细菌的DNA；比如叶片上的水分蒸发很快，细菌容易被“渴死”；比如风雨冲刷可能把喷上去的细菌冲得干干净净；再比如空气中的氧气会让敏感的固氮酶失活等等。因此，传统的叶面菌肥往往效果不佳。

看来，在作物的叶片上，固氮菌需要严密的保护。

来自中国科学院等机构的研究团队，从保护固氮菌入手，通过材料学与生物学的跨界融合，开发了一种精巧的纳米涂层技术，为固氮菌打造了一套盔甲。

涂层由两种天然材料制成。内层（金属酚醛网络，MPN）主要成分是天然的单宁酸和铁离子。它们能像搭积木一样，快速在单个细菌表面自组装，形成一层致密的网状保护壳。这层壳具有出色的抗氧化能力，能中和紫外线、活性氧等有害物质。外层（海藻酸钠，SA）是一种从海藻中提取的多糖，安全无毒。它能吸收水分，在细菌周围形成湿润的微环境，帮助细菌抵抗干燥；同时还能像胶水一样，增强细菌在叶片上的附着力。

穿上了纳米盔甲，固氮菌表现如何？

研究人员选用变栖克雷伯氏菌（Klebsiella variicola W12）(以下简称W12) 作为实验的模式菌株，它是一种典型的非共生固氮菌，实验室条件下固氮能力强，且具有分泌植物生长素的能力，但在田间环境下难以发挥功效。这项工作将然单宁酸和三价铁离子依次加入细菌悬液中混合，再加入海藻酸钠混合、涡旋，W12就被20-80纳米厚的纳米涂层均匀包裹。

“纳米盔甲”合成过程及应用性（图片来源参考1）

通过实验室测试证明，这套纳米盔甲让固氮菌W12发生了脱胎换骨的变化。

在模拟紫外灯照射下，佩戴“盔甲”涂层的固氮菌的存活数量是无涂层普通菌（以下简称普通菌）的15倍以上。在氧化胁迫和干燥环境中，其生存能提升数倍。海藻酸钠层让细菌更容易粘附在疏水的水稻叶片上，模拟雨水冲刷后，在叶片上的存留量是普通菌的近5倍。涂层促进了细菌形成黏液状的生物膜，这好比细菌在叶片上建起了“城堡”，不仅能抵御外界侵害，内部微环境也更适合固氮酶工作。最重要的是，这层纳米盔甲丝毫不影响细菌自身的生长和固氮能力，它们依然是个高效的“化肥厂”。

实地战果：水稻增产，化肥减量

在温室和田间试验中，研究人员将被纳米涂层包裹的W12菌肥液和普通W12菌肥分别喷洒在水稻叶片上，并显著减少了化肥用量。主要成果差异体现在：

促生长效果显著：54天后，使用纳米涂层w12处理的水稻，鲜重比使用普通W12的水稻增加了1.4倍，植株更高更壮，叶片更绿（叶绿素含量高）。

固氮贡献翻倍：通过同位素追踪技术精准测量，含纳米涂层W12为水稻贡献了约27.89%的氮素，其固氮效率是普通w12（13.69%）的两倍多。这些氮主要直接在叶片中被固定和利用。

田间增产丰收：在全生命周期的大田试验中，仅使用涂层W12而减少化肥的水稻，籽粒产量比普通W12的对照组提高了27.14%，籽粒中的氮含量也显著提升，这会提高籽粒的饱满度和蛋白质含量，增加千粒重，从而提升粮食的营养价值和品质。

经济环保双赢：使用这项技术的成本约为每公顷129.5美元，但可以减少价值197.2美元的环境治理成本（因减少化肥污染），同时每公顷可替代约74公斤的化学氮肥，实现了环境效益与经济效益的统一。