来源：《植物保护学报》2026年05期
原标题：多功能纳米农药的研究现状及其应用潜力
作者：陈博睿，程晓琴，闫硕，孙江华，郭建洋*，刘万学*
随着全球人口增长与农业集约化程度不断提高，病虫害已成为制约粮食安全与农业可持续发展的主要因素之一。依据FAO数据，全球范围内每年由有害生物导致的作物减产比例普遍超过30%。长期以来，化学农药因其高效、便捷的特点，一直是病虫害防治的核心手段。据FAO，2023年，全球农药使用总量达373万t（以有效成分计），全球单位面积农药用量为2.40 kg/hm²。但受光照、温度、微生物降解及喷雾飘移等多重因素影响，农药实际利用率不足30%，这不仅降低了防治效率，也加剧了环境负荷。与此同时，化学农药的持续高频使用推动了害虫和病原物抗药性水平持续升高，并对天敌昆虫、传粉昆虫及土壤微生物等非靶标生物产生不利影响，从而削弱了农业生态系统的自我调控能力。这使得病虫害综合治理（integrated pest management，IPM）在实践中面临现实困境：化学防治在短期内仍难以被完全替代，但其粗放式应用模式往往与生物防治和生态调控之间难以实现有效协同（图1）。
图1 纳米递送系统推动病虫害综合治理（IPM）的作用机制与应用框架
在此背景下，纳米农药作为新型制剂技术逐渐受到关注，近年来相关领域研究发文量及H指数显著上升（图2）。通过将有效成分纳米化或借助纳米尺度递送载体，使得农药在植物表面和体内的行为得到显著改善，如增强附着性、提高渗透力以及提升对光、热和微生物降解的抵抗能力，从而延长持效期并降低施药频次。与传统制剂相比，纳米农药在提高防效的同时可减少用药量，为缓解环境压力和延缓抗性发展提供了重要的技术路径。然而，若仅将纳米农药视为″提高利用率的工具″，则低估了其潜在价值。纳米载体的高度可设计性和功能集成潜力，为突破传统化学防治与IPM之间的协同难题提供了新的切入点。
与功能单一的传统助剂不同，纳米载体可被构建为多功能整合平台。一方面，同一载体中可协同负载化学农药、dsRNA或植物免疫诱导剂等多种功能单元，从而实现对病虫害的多靶点、多机制的协同防控；另一方面，纳米载体的固有生物活性能有效实现对病虫害草害的治理，如带正电荷的纳米载体可通过破坏病原体或病毒的结构发挥抑制作用，或借助光热效应、活性氧生成等机制实现辅助杀虫功能。此外，为了进一步结合缓控释与靶向递送策略，纳米农药有望在时间和空间维度上精准调控化学防治的作用强度与范围，在关键时期和关键部位实现高效控制，同时最大限度减少对非靶标生物的影响，这将推动化学防治由″高强度、广覆盖″模式，逐步转变为IPM体系中的一种精准、可控且生态兼容的技术组成部分。基于此，本文系统综述多功能纳米农药载体的设计策略与应用进展，重点分析其在实现农药减量增效和促进化学防治深度融入IPM体系方面的潜力，并展望未来产业化应用的关键发展方向。
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纳米农药载体的种类及多功能性基础
纳米农药载体的多功能性并非源于单一功能模块的简单叠加，而是纳米尺度下特有物理化学性质综合作用的结果。当材料尺寸降低至纳米尺度，其在比表面积、表面化学能、界面相互作用及能量转化行为等方面均发生显著变化，从而赋予载体体系不同于传统制剂的多重功能潜力。首先，小尺寸效应使纳米载体能够更有效地穿透昆虫表皮、气孔或植物角质层，显著提升农药在靶标生物体内的递送效率与生物可及性。其次，纳米材料普遍具有高比表面积和丰富的表面活性位点，为农药分子的吸附、包载及多组分协同提供了物理基础，同时也增强了载体与昆虫表皮、植物组织及病原微生物之间的界面作用。此外，载体表面电荷、官能团组成及空间构型可调，使其能够通过静电作用、氢键或疏水相互作用实现对有效成分释放的精细调控，甚至表现出一定程度的靶向递送特征。正是这些纳米尺度特有的物理化学效应，为纳米农药载体的缓控释、靶向递送、协同增效及载体自身活性等多功能特性提供了共同的理论基础。
当前用于农药递送的纳米载体类型主要包括高分子纳米颗粒、无机纳米材料、金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）及其他多孔材料，以及脂质体、纳米乳液和纳米胶囊等体系（图3）。这些载体在材料来源、结构稳定性和生物相容性方面各具特点，但共同构成了实现多种活性物质协同负载及载体本身参与病虫害治理的物质基础。
高分子纳米粒子和无机/多孔纳米材料是当前多功能纳米农药研究的核心载体体系。天然或合成高分子材料[如壳聚糖、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和星状多聚阳离子（star polycation，SPc）等]具有良好的生物相容性和可控降解特性，其表面官能团易于修饰，可通过调控粒径、电荷和亲疏水性来增强在植物表面的附着性或在害虫体内的摄取效率。这类载体适合构建多层结构或壳-核结构，实现化学农药、dsRNA/siRNA以及植物免疫诱导剂等多种功能因子的协同负载。相比之下，无机纳米材料[如二氧化硅（SiO₂）、纳米黏土及金属氧化物]在结构稳定性和孔隙可调性方面更具优势，能够形成稳定的缓控释体系。更为重要的是，部分无机纳米材料本身具有抗菌或抑制病原活性的功能，纳米银、氧化锌等可通过释放金属离子或诱导活性氧生成发挥治理作用，从而在″载体+农药″的体系中形成协同效应。近年来兴起的金属有机框架（MOFs）则凭借其超高比表面积和规则可调的孔道结构，在高载药量和响应性释放方面显示出独特潜力，为精准调控农药释放行为提供了新的材料平台。脂质体、纳米乳液以及纳米胶囊和固体脂质纳米粒（solid lipid nanoparticles，SLNs）等体系则在改善农药生物利用度和稳定性方面表现突出。脂质体和纳米乳液由磷脂或表面活性分子构成，具有良好的界面活性和生物膜相容性，能够显著提高疏水性或挥发性农药在叶面的铺展性和渗透能力，同时为多种功能分子的协同包载提供柔性载体。纳米胶囊和SLNs通过构建核-壳或固态脂质结构，可有效隔绝光照、氧气和水分，对不稳定农药起到保护作用，并通过结构设计实现持续或分阶段释放。总体而言，这些不同类型的纳米载体在结构与功能上的互补性，使其不仅能够作为多种活性物质的高效递送平台，还为载体本身参与病虫害治理提供了可能性，为后续实现农药减量增效并推动化学防治更好地融入IPM体系奠定了坚实的材料基础。
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载体材料的多功能集成策略
多功能集成策略包括协同负载、载体内在活性以及缓控释与靶向递送3个方面。传统农药制剂通常以″单一有效成分-单一作用机制″为核心，其防治效果高度依赖施药剂量与频次，在复杂农业生态系统中难以兼顾效率与安全性。纳米农药的关键突破在于其载体可被设计为高度集成的平台，使多种活性物质在同一体系中协同作用，并通过载体的功能放大整体防效。通过合理的多功能集成，纳米农药不仅能够提升单位剂量的防治效率，还可在时间和空间尺度上精确调控化学防治策略，从而实现真正意义上的减量增效，并为其在IPM框架下的合理应用提供技术支撑。
2.1 多种活性物质的协同负载
多种活性物质的协同负载是纳米农药多功能集成中最具代表性的策略之一。与传统混配制剂不同，纳米载体能够在纳米尺度上实现多功能因子的稳定共存和有序释放，从而在防治过程中形成机制互补、时序协同的综合效应。近年来，″化学农药+核酸农药（dsRNA/siRNA）″的组合受到广泛关注。RNAi技术具有高度靶标特异性，但其在田间应用中易受核酸酶降解和环境因素影响而失活。通过纳米载体包载dsRNA/siRNA，不仅可显著提高其环境稳定性和在昆虫体内的递送效率，还可与化学农药形成″短期致死效应+长期基因沉默效应″的协同防控模式，从而在降低化学农药施用量的同时延缓害虫抗性的发展。
化学农药与植物免疫诱导剂的协同负载则体现了纳米农药在″直接防治-间接防御″层面的整合潜力。植物免疫诱导剂可激活系统获得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）或诱导系统抗性（induced systemic resistance，ISR），增强作物对病原或害虫的整体防御能力，但其作用往往具有一定滞后性。将其与化学农药共同负载于纳米载体中，可在初期通过化学农药快速降低害虫密度和病株率，并在中后期通过诱导植物自身防御机制抑制再侵染和二次暴发，从而减少重复施药需求。这种″化学防治-植物免疫″协同路径为降低长期用药强度提供了新的思路。
总体来看，纳米协同负载体系普遍可实现农药利用率提升，对天敌和授粉昆虫的非靶标毒性降低，为化学防治在IPM中的合理定位提供了关键证据。
2.2 基于纳米载体本身理化特性的治理功效及协同增效
除发挥多种活性物质的递送功能外，纳米载体自身的内在治理活性亦是多功能集成的关键组成。传统农药助剂通常被视为″惰性成分″，而在纳米尺度下，载体材料的表面电荷、能量转换能力和化学反应活性均可能直接参与病虫害治理过程，从而显著放大整体防效。以金属单质及氧化物为代表的纳米颗粒通过黏附穿透虫体表皮、释放金属离子诱导虫体ROS爆发、破坏抗氧化酶、损伤细胞膜与遗传物质，实现广谱杀虫；以SPc为代表的带正电荷纳米材料，可通过静电作用结合并破坏病毒外壳或病原细胞膜结构，从而在低剂量下即可对烟草花叶病毒等植物病毒发挥显著的抑制与防控作用。
此外，基于光热或光催化效应的纳米载体为害虫和病原控制提供了新的物理途径。碳基材料、过渡金属硫族化物（如硒化钼）等在光照条件下可将光能转化为热能或诱导产生活性氧，从而对害虫或病原体造成局部致死效应。这类机制不依赖于传统的化学毒性路径，产生抗性的风险小，并有望与化学农药形成互补。此外，部分纳米材料还可通过调节植物免疫反应或干扰害虫生理过程发挥辅助治理作用。
从功能集成的角度看，载体内在活性的引入使纳米农药从″单纯递送体系″转变为″功能复合体″，即使在有效成分剂量显著降低的情况下，仍可维持较高防效。这一特征对于推动化学防治减量具有重要意义，也使纳米农药在IPM框架中更具生态合理性。
2.3 缓控释与靶向递送
缓控释与靶向递送技术是多功能集成得以充分发挥的关键保障。通过在纳米载体中引入刺激响应单元，可实现对农药释放行为的精细调控。例如，在鳞翅目害虫防控中利用其中肠碱性微环境通过pH和酶双重响应型载体可在害虫消化道内定点释放有效成分，而在非靶标环境中保持相对稳定；光或温度响应体系则可根据环境条件调节释放速率，高温或强光条件下加快药剂释放，以应对病虫害高发时期；而在环境条件较为温和时维持较低释放速率，从而延长持效期并减少因漂移和淋洗造成的损失。这种″按需释放″的策略显著提高了单位剂量的实际防治效率。
靶向递送进一步在空间维度上提升了纳米农药的精准性。通过表面配体修饰、调控粒径和电荷特性，纳米载体可富集于叶面病斑、根际环境或害虫肠道，从而在靶标部位形成更高的局部有效浓度。同时，施用策略的靶向化（如诱饵型制剂、局部施药）可显著降低天敌和非靶标生物的暴露风险。结合缓控释与靶向递送后，纳米农药可实现减少施药量，延长防效持效期，并显著提高天敌存活率和生态相容性。
综合来看，协同负载、载体内在活性以及缓控释与靶向递送三者并非孤立存在，而是在多功能集成中相互强化、共同作用。正是这种系统化的设计理念，使纳米农药在实现减量增效的同时，能够有效缓解化学防治与IPM之间的长期矛盾，为构建更精准、更绿色的病虫害防控体系提供了现实可行的技术路径。
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多功能纳米农药在病虫害综合治理中的应用潜力
IPM的核心在于协调产量保障与生态平衡，但传统化学农药的高剂量和非靶标毒性常与生防手段产生冲突。多功能纳米农药的出现，通过精准化与功能化改造，使化学防治不再是IPM中的″矛盾因素″，而是以更低剂量、更高效率和更小生态代价嵌入其中的″协同组件″。
3.1 减量增效的实现路径：从广谱覆盖到精准干预
传统化学防治的″广谱覆盖″模式依赖于高剂量、高频次的施药，其核心矛盾在于效率低、非靶标危害大。多功能纳米农药正是通过将这一模式重塑为″精准干预″来实现减量增效。药剂可与叶片角质层产生静电或氢键作用，抗雨水冲刷能力提升30%～40%，并促进经气孔的内吸渗透，减少药剂在土壤和空气中的漂移损失。在此基础上，刺激响应型控释技术使药剂仅在病虫侵染触发的特定生理环境下释放，减少药剂对非靶标物种的危害。这种精准递送不仅支持了多靶标协同治理——如化学农药与RNAi分子、植物诱抗剂的联合负载，通过机制互补降低了单一药剂的选择压力，还通过空间靶向技术减少了药剂在非靶标微环境中的暴露。这种时空精准化特征有效保护了天敌及授粉昆虫，维持了农业生态系统的自然控害功能，为IPM的长期运行奠定了物质基础。
3.2 IPM决策框架中的嵌入与协同机制
在IPM决策体系中，多功能纳米农药的定位已从常规预防性喷施转变为精准调控。具体而言，当监测数据提示害虫密度接近经济阈值时，利用纳米农药的高效控害能力可迅速压低虫口，触杀毒性可达到商业制剂的3～5倍。随后，基于生态调控机制进行长期管理，形成了″精准干预-生态接管″的协同治理模式。这种模式极大地提升了治理的效率，减少了不必要的施药频次。同时，纳米农药表现出与IPM其他措施的高度兼容性：其选择性释放特性有助于保护田间天敌等生防因子，且可作为生物因子的保护递送平台，同时较长的持效期也与轮作、抗性品种等农艺措施在时间上形成了有效互补。在面对虫害暴发或″媒介昆虫-病毒″复合侵染等复杂植保场景时，纳米农药凭借多机制协同、多靶标共治的特点，能够实现″高效、精准、低扰动″的防控，从而推动化学防治与生态治理在IPM框架内实现深度融合。
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挑战与未来展望
多功能纳米农药凭借其卓越的减量增效潜力和环境响应特性，被认为是支撑绿色农业和精准化IPM的关键技术。然而，从实验室制备的″克级″样品到工业化生产的″吨级″产品，从可控的受控环境到复杂多变的农田生态系统，多功能纳米农药的商业化与大面积应用仍面临多重严峻挑战。
多功能纳米农药迈向大规模应用的首要障碍在于规模化合成工艺与成本控制之间的张力。目前实验室研发的载体往往追求复杂的多层包覆或精确的刺激响应逻辑，这种精密设计在提升功能性的同时也导致了工艺流程冗长、重复性差以及高昂的原材料与能效成本，难以满足大宗农作物对经济性的严苛要求。与此同时，纳米药剂在真实田间环境下的防效稳定性也面临巨大考验。不同于实验室的理想条件，农田生境中紫外线、温度、湿度及土壤微生物群落的剧烈波动，极易导致纳米颗粒发生团聚或预设响应机制的提前失效。目前，学术界仍缺乏跨气候区、跨作物品种的多点多年田间试验数据，这直接限制了对其防效规律的深度认知。更深层挑战源于生态安全性评估的复杂性。多功能载体及其降解产物在环境中的长期归趋、对土壤微生物群落的扰动，以及通过食物链产生的生物累积效应，目前均缺乏系统性的监测方法与评价标准。这种不确定性进一步延伸至监管层面，现行农药登记体系尚未充分涵盖纳米材料独特的物理化学特征与生物学效应，导致相关产品在合规准入上面临制度性空白。
针对上述瓶颈，未来研究应致力于简化合成路径、推动绿色工业化并加强田间验证。1）在纳米农药合成方面，通过基于分子间相互作用的自组装技术取代复杂的化学修饰过程，可在显著降低成本的同时提升产品的生物降解性。2）在评价理论研究方面，应从单纯的杀虫率指标转向评估药剂在复杂生境下的全生命周期表现，通过积累多维度的真实田间数据，构建精准的应用决策模型。3）在产品开发策略方面，应优先布局具有高技术附加值的复合体系，如″化学农药+dsRNAi/siRNA″或″化学农药+植物诱抗剂″的联用，利用纳米载体解决不稳定活性分子的递送难题，在抗性害虫治理等痛点场景中实现突破。4）在体制机制建设方面，推动监管政策与专项评价标准的完善是保障行业健康发展的基石。建立针对纳米农药的粒径表征、环境安全监测及分级毒理评价体系，不仅能为创新产品开辟合规上市的绿色通道，也能确保其在应用过程中的生态安全性。总而言之，多功能纳米农药并非要颠覆传统的病虫害综合治理（IPM）理念，而是通过对化学药剂的精准封装与定向释放，赋予了化学防治″外科手术″般的精确性。它通过显著的减量增效与低生态扰动，弥合了化学手段与生态安全之间的矛盾，使化学防治从IPM中曾经的″争议项″转变为核心的″协同组件″。随着材料科学、毒理学与农药学的交叉融合，多功能纳米农药可推动IPM的理念框架更加完善，成为实现农业高质量可持续发展的强有力支撑。
总之，多功能纳米农药并非要颠覆传统的IPM理念，而是通过对化学药剂的精准封装与智能释放，赋予了化学防治″外科手术″般的精确性。凭借其显著的减量增效特性与低生态扰动，纳米农药有效弥合了化学防治手段与农业生态安全之间的长期矛盾，使化学防治更好地成为IPM的组成部分。随着材料科学、毒理学与农药学的进一步交叉融合，多功能纳米农药有望在技术层面持续优化，并推动IPM理念框架不断完善。该技术将为农业的高质量、可持续发展提供重要的科技支撑。
