按照目前世界人口增长的现状,预计全球人口在2050年时会达到90亿。为满足不断增长的人口而带来的粮食需求,农产品的产量至少需要提高60%。然而,现有的耕地却是有限的,未来甚至会因为城市建设、土壤退化等因素而进一步减少。在这种情况下,使用现代科技来实现农产品的增产是十分有必要的。纳米技术的出现,为解决这一难题提供了一个策略。

纳米技术拥有巨大的潜力,通过利用纳米粒子独特的性质,可以促进农作物和家禽产量的增加,同时能够将由农业生产而带来的环境损害最大限度降低。相比纳米技术在工业界和医学界的应用,其在农业领域的应用较新颖,主要的应用领域有以下几个方面：

(1) 纳米农药

为了提高农作物产量,农药在农业生产中广泛应用。但是农药大范围使用的同时造成的农药残留会通过生物富集作用,对人类和环境均造成负面影响。纳米农药的出现,有望解决这一传统农药使用存在的问题。
纳米农药是通过功能材料与纳米技术的结合,使农药有效成分在制剂和使用分散体系中,以纳米尺度分散状态稳定存在。纳米农药的使用,既可以控制农药的运输,又可以在最低用量下实现最大的使用效果。
由于一些农药缺乏水溶性,在传统的技术背景之下想要使用,就必须以有机溶剂为溶解基质,但是有机溶剂对环境以及田间工作者都不利。但是利用纳米技术,可以使药物以纳米尺度的微粒、微晶形态均匀分散在固态水溶性载体中,从而形成固体纳米剂型。该剂型在杜绝有机溶剂和大幅度减少表面活性剂用量的同时,提高了难溶性农药在水中的分散性,同时由于其较小的尺寸,与传统的悬浮液相比,也可以增加农药在叶面的粘附性和渗透性,有助于植物吸收,进而提高其生物利用度,节约农药使用量,降低残留污染。

(2)纳米肥料

纳米肥料具有超越常规肥料的潜力。相比于传统肥料,纳米肥料可以将营养物质逐步且有控制地释放到土壤中,从而防止了土壤的富营养化和水资源污染。纳米肥料的使用可以提高农作物对营养元素的吸收和利用效率,减少了肥料的施用频率,从而避免了因过度使用肥料而对环境造成的负面影响。

在纳米肥料中,营养物质可以被包裹在纳米材料,或以纳米级颗粒或者是乳液的形式输送到农作物体内。有研究表明,通过叶面喷施纳米肥料可以促进光合作用的增加,从而提高作物产量。SiO2和TiO2纳米颗粒的化合物增加了大豆中硝酸盐还原酶的活性,增强了植物的吸收能力,使水和肥料的使用效率更高。目前已开发出多种可用于改善传统肥料性质的纳米材料,主要是金属基纳米材料和碳基纳米材料,可以影响肥料的吸收、转运、积累,同时对农作物的生长和发育也会产生积极影响。

(3)纳米生物传感器

纳米生物传感器可以监测化肥、除草剂、杀虫剂的含量,有助于实现更精确的水肥管理,从而提高农业生产效率。纳米传感器和基于纳米技术的智能输送系统有助于高效利用农业自然资源,例如水、营养素和化学药品。实现精准农业。分散在野外的纳米传感器还可以检测植物病毒和其他农作物病原体的存在,也可以监测土壤水分以及PH的动态变化,实现对农作物的实时监测。

(4)纳米技术在畜牧业中的应用

纳米技术在畜牧业中的应用可以提高农畜的饲喂效率和营养,最大程度地减少由动物疾病造成的经济损失。纳米饲料可以激发动物自身的自我修复力量,相当于增强了对疾病的抵抗力。纳米饲料还可以作为抗氧化剂来维持健康的细胞活性,可以减少抗生素的需求,改善骨骼生长,提高磷酸盐利用率和降低死亡率。仔猪饲料中的氧化锌纳米颗粒可防止幼仔腹泻,改善由此引起的体重减轻的情况。银纳米颗粒具有抗菌性能,作为日粮添加剂可以有效改善断奶仔猪的肠道微生物菌群。美国农业部和克莱姆森大学已开发出一种鸡饲料,其中添加了生物活性聚苯乙烯纳米颗粒,可以与饲料中的有害细菌结合,减少食源性病原体。
 

家禽的繁殖性能是影响畜牧业发展的重要因素。纳米技术有助于提高人工授精的成功率,从而提高家禽繁殖的效率。纳米技术可以有效地对父本的生育能力进行检测,并且可以进行精液纯化。现在已有基于纳米颗粒的可育性测试技术和可用于商业化的公牛精液的纳米纯化技术的人工授精的案例。
 

随着科学家们的不断探索,纳米技术在农业领域的潜在用途被不断的发掘。也许在不久的将来,纳米技术也会与其他新兴的技术或学科相结合,共同助力于解决农业发展过程中遇到的难题和瓶颈。