来源：《世界农药》2026年第8期
原标题：微胶囊技术在除草剂中的应用进展
作者：吴雨丹; 李慧; 王灿; 等
全球超过15亿公顷耕地受杂草危害，每年导致约30%的作物产量损失，相应经济损失高达数千亿美元。化学除草剂凭借高效、快速及经济优势，至今仍是农田杂草防控的支柱手段。但传统喷施技术下，能真正到达靶标杂草的有效成分常低于30%，绝大多数活性物质因淋溶、挥发等途径散逸。这既削弱了防控效果，也易引发地下水污染、非靶标生物药害及土壤生态功能退化等连锁风险。由于农药利用率较低，生产实践中往往陷入低效、使用过量、风险累积的恶性循环，导致农药残留与抗药性愈发严重。因此，开发能精准识别杂草萌发信号并按需释放活性成分的智能递送系统，成为兼顾除草效能与环境安全的关键需求。微胶囊技术（microencapsulation technology）因在精准控释方面的突出潜力，被视为突破当前瓶颈的重要策略。
微胶囊技术利用高分子壁材包覆除草剂活性成分，通过调控壁材组成、交联度及厚度，将传统的被动流失转变为主动控释，实现对释放速率和持效期的精准管理。在土壤封闭处理中，微胶囊制剂可在杂草萌发层维持稳定的有效浓度，显著降低淋溶与挥发风险；于茎叶处理场景，壁材的紫外屏蔽效应则能延缓光解，延长持效期。尤为重要的是，通过构建对根际pH、特定酶或氧化还原梯度敏感的智能壁材，微胶囊可响应杂草萌发信号，触发脉冲式释放，实现″按需给药″，避免无效释放。这一机制突破了常量给药模式的局限，可大幅降低脱靶风险。尽管其长期环境归趋仍需深入评估，但微胶囊技术在理念上已为兼顾除草效果与生态安全提供了新路径。然而，从被动流失迈向主动控释，其释放精确性在复杂田间环境下仍面临严峻考验，核心挑战在于除草剂所处的土壤-植物体系具有极高的环境复杂度。
除草剂的作用界面涉及复杂的土壤-植物体系，其释放行为受土壤pH、有机质、微生物活动及水分等多重因素耦合驱动。这种复杂性决定了控释技术必须同时满足双重约束：持效期需与杂草萌发节律精准匹配；且浓度窗口必须保障后茬作物安全，这已超越了单纯延长缓释周期的范畴。然而，当前研究多局限于包封率与体外缓释曲线等基础参数优化，壁材微观结构演变与田间实际释放动力学之间的构效关系尚未系统阐明；智能响应设计多停留在实验室概念验证阶段，缺乏对田间微域中理化梯度波动及生物干扰的适配性研究，且工艺放大过程中的稳定性与成本控制难题亦未得到有效解决。此外，释放过缓导致的亚致死胁迫风险，不仅难以有效控制草害，更可能加速抗性演化。面对这些从基础研究向产业化跨越的关键瓶颈，系统性梳理现状并指明方向显得尤为迫切。为此，以下聚焦壁材化学与功能设计主线（图1），系统梳理微胶囊的形态类型、壁材演进与制备方法，深入解析智能响应体系的田间适配边界，探讨工艺放大、生态安全及评价标准化等核心挑战，围绕多尺度构效预测模型的建立、田间适配智能响应体系的构建及微胶囊专属评价标准的制定，探讨其在精准农业中的应用前景，旨在为除草剂微胶囊的理性设计与减量施用提供理论参考。
图1 除草剂微胶囊控释体系的技术路线与演进
01
除草剂微胶囊的设计变量与应用适配
农药控释技术的研发瓶颈因靶标特性而异：
（1）时效精度要求差异。杀虫剂与杀菌剂的控释多面向作物关键生育期内病虫害的多峰态发生规律设计，靶标的可重复性赋予其相对宽松的释放容错；而土壤封闭除草剂受限于杂草集中萌发的非持续性窗口（7～21 d），释放动力学须与靶标敏感期严格耦合，过早则活性成分于靶标出现前分解，过晚则错失杂草防控窗口，二者对时效精度的要求存在差别。
（2）释放动力学的需求不同。杀虫剂、杀菌剂的土壤处理多以长效持留为单一诉求，壁材设计理念趋同；封闭除草剂则陷于持效封草与轮作安全的两难，释放过缓致下茬药害，过速则除草窗口坍塌，对壁材调控精度的要求更苛刻。
（3）安全边界的约束形态有别。杀虫剂、杀菌剂的残留风险多聚焦于采收期农产品中最大残留限量（MRL）的静态管控；除草剂则须兼顾轮作下茬安全，要求在持效期后迅速衰减至安全阈值，属″浓度窗口精准启闭″式动态约束。
综上，除草剂微胶囊设计的核心命题已非单纯的稳定缓释，而在于萌发窗口、释放动力学与环境归趋的多维时空适配。
1.1 形态结构的靶标行为适配
微胶囊的几何拓扑结构直接影响其释放动力学与界面行为（图2）。依据结构特征，可将其归纳为三类：单室球形、多室球形及帽状不规则结构。单室球形微胶囊因壳层均一、芯材集中，具备可预测的扩散路径与近零级释放特征，是乙草胺、异丙甲草胺等土壤封闭处理剂的优选构型。多室微胶囊则能将多种不同作用机理的除草剂共载于同一基体，实现程序化时序释放，为抗性杂草治理提供了剂型层面的解决方案。帽状微胶囊专为叶面递送设计，其平坦底面可与叶片蜡质微纳结构形成机械互锁，凸面有效抑制药液滚落，沉积量较传统球形制剂显著提升（＞200%），耐雨水冲刷能力大幅增强。需指出的是，形态选择并非独立变量。对于高蒸气压活性成分，不规则构型虽优化了沉积，却因比表面积增大而加速了挥发损失，部分抵消了形态增益；同时，释放窗口必须与杂草萌发节律精确匹配，避免时空错位导致控效失败。当前形态调控仍高度依赖经验试错，基于定量结构-性能关系（QSPR）的预测模型尚属空白，亟需系统性研究加以填补。
图2 微胶囊结构示意图
1.2 壁材的控释功能与三代演进
壁材是控释功能的物理载体，其演进轨迹映射了从被动封装到主动响应的范式转换（图3）。第一代合成高分子壁材（聚脲、聚氨酯、三聚氰胺-甲醛树脂）确立了控释功能的技术可行性，其包封率逾90%，持效期可延至40 d以上，其中乙草胺聚脲微胶囊淋溶损失较乳油削减40%。然而，其不可降解性导致土壤半衰期常逾一年，构成潜在的微塑料污染源。第二代天然生物质壁材（纤维素、木质素、壳聚糖等）顺应了环境相容性需求，土壤半衰期可控制在30～90 d。Li等利用磺化纤维素纳米晶构建的丙草胺微胶囊，载药量达74.8%，14 d土壤降解率逾80%，证实了生物质材料在效能与环保间的平衡潜力，但天然原料的结构异质性引发的批次波动仍是规模化应用的瓶颈。第三代功能化仿生材料（聚多巴胺、金属有机配位络合物）实现了从结构封装向功能赋权的跃迁，如聚多巴胺涂层可将叶面滞留延长3倍、抗光解提升5倍；Fe3+-单宁酸体系则可在pH或近红外触发下解体，实现按需释放。三代材料虽循着稳定持效、绿色可降解到智能响应的方向发展，但彼此并非简单的替代关系，而是依据应用场景与技术成熟度形成互补格局。目前第三代多停留于概念验证阶段，其对田间微域复杂理化梯度与微生物干扰的适配性不足，确保智能响应在田间的可靠性仍是下一阶段的核心任务。
1.3 制备方法
界面聚合、原位聚合与Pickering乳液模板法构成除草剂微胶囊制备的三大支柱，三者的技术成熟度与环境友好性呈递进梯度（图3）。界面聚合法依托油水界面缩聚，是合成高分子微胶囊最成熟的工业化路线，产物持效期长，已实现产业化；然而，成囊速率对剪切、温度及单体配比高度敏感，放大过程中反应器内场的不均匀易致粒径展宽与包封率衰减。鲁陈琳等以氟乐灵为模型通过界面聚合制备微囊悬浮剂时，发现乳化剂、保护胶体等的参数对粒径分布具有显著调控作用，印证了该工艺的敏感性，而该研究以产业化剂型为目标也佐证了其工程成熟度。原位聚合法将单体与引发剂共溶于连续相，通过pH或温度调控在分散相表面沉积成囊，批次重现性优于前者，但三聚氰胺-甲醛壁材的不可降解性尚未突破。Patil等采用脲醛树脂壁材原位包覆丙草胺，制得平均粒径185μm的微胶囊并展示了良好的释放可控性，但其壁材体系暴露了不可降解的本质局限。Pickering乳液模板法以固体颗粒（如纤维素纳米晶）稳定界面，无需有机溶剂，且便于引入响应基团，实现绿色与智能的统一。Deng等基于该法的丙草胺微胶囊完成500 kg级中试，其防效逾92%，对水生生物毒性显著降低。
同时，界面聚合、原位聚合与Pickering乳液模板法三者并非替代关系：界面与原位聚合的工程积累仍是当前产业化的主体支撑，Pickering乳液模板法则为绿色转型提供了可行路径，共同构成从实验室设计走向田间应用的方法论基础。
图3 囊壁材料的三代演进与制备方法演进时间轴
1.4 场景驱动的协同设计
上述技术要素的系统集成须以应用场景为锚点，集成的核心在于使形态、壁材与制备方法围绕场景约束形成协同，而非各自独立优选。土壤封闭处理的核心约束是持效期和抗淋溶能力，要求活性成分在表土层持续驻留30 d以上并维持有效药膜。由这一约束出发，设计层面形成了明确的匹配路径：单室球形构型壳层均一、扩散路径可预测，合成高分子壁材结构致密、降解缓慢，两者协同能够同时满足长周期零级释放与抗淋溶的双重需求；制备方法选择界面聚合，原因在于其工艺成熟且对释放速率的调控经验最为丰富。茎叶处理场景的约束则转向沉积效率、叶面附着与紫外屏蔽，对持效期要求相对宽松。该场景下的协同路径有所不同：构型上采用碟形或帽状，利用其与叶片蜡质结构的机械互锁提升沉积量和抗冲刷性；壁材上倾向天然生物质，以兼顾紫外屏障和快速降解；制备环节选用Pickering乳液模板法，便于引入功能基团并避免有机溶剂残留。三者叠加使沉积优势与生态安全得以兼容。
两类场景的设计逻辑根植于各自的功能需求，本质上是同一控释平台在″驻留″与″附着″两种目标下的差异化配置。未来发展的重点不在于单一技术的极致优化，而在于确立以场景约束为起点的协同设计原则，使材料选择、方法适配与形态构筑形成闭环，推动除草剂微胶囊从可控释放向精准递送跨越，最终服务于除草剂减量与农业绿色转型的战略目标。
02
控释机制的演进路径
控释机制是链接壁材设计与田间效能的核心环节。对于除草剂而言，从杂草萌发到幼苗的狭窄窗口期内必须维持致死浓度，释放动力学稍有偏差（过早则持效不足，过晚则靶标错失），防效将彻底丧失。这一严苛的时间约束，使释放动力学的精确设计成为除草剂微胶囊化区别于杀虫剂、杀菌剂的核心命题。如图4所示，从Fick扩散到壁材降解再到环境信号门控，控释策略的递进折射出从被动缓释到主动应答的范式转换，但每一类机制均存在不可逾越的适用边界。
图4 控释机制的演进路径
2.1 扩散驱动的物理缓释
扩散控释是应用最广泛的基础缓释机制，活性成分在浓度梯度驱动下穿越壁材致密网络或微孔通道，释放速率受Fick定律支配，受膜厚、交联度、自由体积分数及活性成分与壁材相互作用强度等参数影响。乙基纤维素、聚乳酸（PLA）等疏水壁材为典型载体，通过调节致孔剂比例或共混组成，可在突释与近零级释放之间对释放曲线进行调控。例如以乙基纤维素包覆氯代乙酰胺类除草剂的微胶囊制剂，在土壤柱淋溶试验中可将总淋溶损失从98%降至59%，持效期延至30 d以上，已实现土壤封闭处理的规模化应用。然而，扩散控释的局限植根于其工作原理本身：释放速率仅由壁材本征结构及浓度梯度决定，无法响应杂草发生的时序信号。一个常被忽视的风险在于，其释放曲线通常呈指数衰减，后期浓度逐渐滑入亚致死区间，这恰好构成诱导杂草抗性演化的选择压力，但现有研究对此隐患的重视程度依然不足。这种被动控制的固有短板，驱使控释策略由单纯依赖物理屏障转向基于化学不稳定性的环境感知路径。
2.2 壁材降解的时序控制
降解控释将释放起点锚定于壁材自身的化学不稳定性。聚酯、聚碳酸酯及天然高分子交联体在壁材完整期内保持低渗漏，触发后因水解、酶解或本体溶蚀逐步崩解，实现集中释放，更贴合杂草萌发的脉冲式需求。以PLA微囊化二甲戊灵为例，调节乳酸与乙醇酸比例可使降解速率匹配春季杂草出苗高峰，温室试验已证实其时序匹配潜力。天然生物质壁材则借助土壤微生物分泌的酶系实现环境响应性降解，将微生物活性转化为控释驱动力。但降解控释的田间可预测性始终是突出短板，土壤酶活的空间异质性与微生物群落差异，可使同一制剂在不同田块的降解半衰期相差数倍。实验室缓冲液中建立的降解动力学曲线对田间行为的预测价值有限，这一鸿沟至今未被有效弥合。
2.3 根际信号的智能响应
刺激响应控释标志着从时间编程向信号解码的质变。通过将pH敏感基团、酶切位点或氧化还原响应键嵌入壁材网络，微胶囊可识别杂草根际化学信号，触发构象转变或共价键断裂，实现脉冲式释放。该策略的核心优势在于释放的时空特异性，理论上活性成分仅在靶标区域出现响应信号时才被释放，脱靶损失可降至理论最低。典型代表如pH响应体系，壳聚糖氨基在根际弱酸性环境中质子化引发溶胀，通透性急剧增大；酶响应体系则利用杂草根系分泌的特异性酶或根际微生物胞外酶为触发器，理论上识别精度优于pH体系的广谱波动。然而，当前刺激响应设计的主要障碍集中于信号辨识的信噪比，土壤有机酸、腐殖质及微生物代谢产物构成的复杂化学背景，使单一信号响应极易产生假阳性，且这一交叉干扰在离体试验中常被严重低估。刺激响应虽能提升靶向精度，但信号可靠性不足的挑战难以回避。因此，单一机制难以同时兼顾响应性、可预测性与信噪比，成为制约该技术走向田间应用的关键症结。
2.4 多机制协同与集成释放
单一机制的固有局限催生了多机制协同的设计理念，其核心逻辑在于以不同机制的互补来突破各自的效能边界（图4）。扩散降解耦合体系是其中颇具实用前景的路径：外层扩散屏障维持基础缓释，内层降解基质响应特定信号触发集中释放，使释放曲线兼具持续性与脉冲性。例如界面聚合法制备的双层微胶囊（外层致密聚脲，内层酶降解聚酯），其可行性已在水稻田间试验中得到初步验证。部分研究进一步探索了双因子正交响应策略，将pH与酶响应串联，仅当两种信号并存时才触发释放，有效提升了响应特异性，为解决单一信号假阳性问题提供了新思路。未来，将扩散控释的工程成熟度、降解控释的环境时序性与刺激响应的空间靶向性集成于同一递送平台，有望实现感知—响应—释放的完整闭环。正如近期的前瞻性研究所指出的，纳米农药的未来设计必须从单纯的机制探索转向工程化协同与逻辑闭环的构建。但机制的叠加常伴随制备复杂度与成本的非线性增长，所以在设计阶段须审慎权衡功能增益与产业化可行性。归根结底，控释策略的选择并非以机制的新颖性为判据，而应以田间实际需求为锚点，在效能、可靠性与可制造性之间寻求最优平衡。
03
生物活性与环境安全性评估
微胶囊技术的最终判据不在实验室，而在田间复杂环境中。从均质溶液到土壤多相体系、从恒定温湿度到昼夜波动的跨越，往往伴随性能的显著衰减与风险的重新分配。在延缓释放的同时，控释制剂是否引入了新的环境代价，如壁材残留、降解产物毒性及非靶标生物的慢性暴露，这些问题的答案直接决定着技术的产业化边界。表1针对土壤封闭与茎叶处理两大应用场景，梳理了当前微胶囊除草剂在持效期、释放特征与安全诉求上的差异化设计要求。
表1 微胶囊除草剂在不同应用场景的控释要求
3.1 除草活性与作物安全性
微胶囊除草剂具有双面效应。释放若与杂草萌发同步，微胶囊在减量施药下可维持甚至超越常规剂型的防效。如乙草胺聚脲微胶囊持效期可达乳油的两倍，淋溶损失减少40%，水稻单次施药即可有效控草；磺化纤维素纳米晶包覆的丙草胺微胶囊对稗草防效超92%，安全性优于常规剂型。然而，缓释非高效。速率过低会致土壤浓度亚致死（亚致死浓度的持续暴露会加速杂草抗性富集），对稗草、马唐的防效反不及常规。″无效缓释″暴露了单释放曲线的固有短板。作物安全上，微囊化可降低急性药害，但壁材集中释放也可能造成二次冲击，且后茬作物残留风险尚缺乏定量评估。另外，当前田间试验多集中于水稻、玉米、蔬菜及其他经济作物，适用性数据仍较为有限。
3.2 环境归趋与非靶标效应
微胶囊进入土壤后，其环境行为远比原药复杂。释放动力学改变重塑了活性成分的时空分布，影响其降解、吸附解吸与淋溶。微囊化可有效削减高挥发性除草剂的大气散失，滞留活性成分于萌发层并降低地下水迁移；但聚脲、三聚氰胺-甲醛树脂等合成壁材半衰期常逾1年，持续输入构成微塑料污染源，对土壤团聚体、微生物及蚯蚓的慢性效应缺乏长期追踪。可降解壁材的中间产物安全性亦存疑，壳聚糖、PLA碎片是否干扰根际有益菌或酶活性，尚无定论。非靶标毒性方面，微胶囊依靠壁材阻隔原药瞬时接触，能够显著降低生物急性暴露风险。已有多项毒理对比研究证实，乙草胺剂型改造呈现明显的毒性分化规律（表2）：制剂改造后，斑马鱼、蚯蚓的急性毒性显著下降，但药剂长效缓释拉长了暴露周期，对大型溞的繁殖毒性、对土壤微生物的长期抑制效应反而有所上升。这种将短期高浓度急性胁迫转化为长期低剂量慢性暴露的现象，对浮游生物、底栖生物繁殖及食物链的潜在影响应予以重视。另外，当前毒理学评估沿用原药急性标准，针对控释剂长周期、低剂量特征的专属评价方法尚属空白，成为产业化的隐性障碍。
表2 乙草胺微囊悬浮剂与乳油对非靶标生物的毒性分化规律
3.3 评价体系的重构方向
除草剂微胶囊的田间效果与环境安全性构成了一体两面的权衡：释放越持久，环境持久性风险往往越高；而壁材降解越彻底，控释功能越难以维持。打破这一困境需从根本上重构评价范式：首先应建立覆盖原药、壁材及降解产物全生命周期的环境归趋追踪体系，将微塑料残留与降解中间产物毒性纳入必评指标；其次，开发反映控释制剂暴露特征的慢性毒理学方法，以低剂量长期暴露替代高剂量急性暴露作为生态风险评价的核心场景；再者，将杂草抗性演化风险纳入制剂评价框架，使亚致死浓度暴露的持续时间成为配方优化的关键约束；最后，推动评价重心从制剂化学性能向田间农学效果与环境生态后果的综合评估转移，在实验室释放曲线与田间行为之间建立可预测的定量关联。唯有在效能与安全的平衡点上建立科学的度量衡，除草剂微胶囊技术才能从实验室创新真正走向可持续的田间实践。
04
结论与展望
从形态结构、壁材体系、制备方法、控释机制及田间效果五个维度，系统梳理了微胶囊技术在除草剂领域的研究进展。壁材体系已完成从合成高分子、天然生物质到功能化仿生材料的三次更迭，功能导向由单一的持久封装向智能响应转变；控释模式从浓度梯度驱动的物理扩散，演进为基于化学键断裂或酶解的可控降解，再发展到对外界刺激产生反馈的门控释放；制备方法则依托界面聚合法、原位聚合法及Pickering乳液模板法构建了技术梯队，在工艺成熟度和环境相容性之间寻求动态平衡。上述理论与技术积累，共同奠定了除草剂微胶囊从分子设计走向田间应用的科学基础，为解决传统喷施技术下的农药利用率低、过量使用、风险累积的恶性循环提供了新的思路。
然而，技术积累的背后仍存在制约深层发展的核心问题：壁材分子结构、工艺参数与田间释放行为之间的构效关系尚未量化，配方筛选长期依赖经验试错，缺乏理性的设计准则；多数智能响应研究停留在均相体系中对单一因素的响应验证，忽略了土壤多相体系中理化梯度波动及微生物干扰对信号识别的衰减效应。同时，亚致死浓度暴露诱导的抗性演化风险尚未被纳入制剂设计的核心约束框架。这种″重材料创制、轻生物效应″的倾向，是导致论文成果丰硕而产品转化率低迷的深层次原因。
面向未来，除草剂微胶囊的研发范式亟需从″经验试错″向″数据驱动″转型。应着力构建壁材结构、释放动力学及田间防效的多尺度预测模型，借助计算模拟辅助设计，降低配方开发的成本与周期。同时，应引入微流控与原位表征技术，精准解析壁材在土壤微域中的时空演变规律，弥合实验室微观机理与田间宏观表现之间的鸿沟。针对当前智能响应设计对单一因素过度敏感的缺陷，未来的壁材设计应探索多重刺激响应机制，模拟生物膜的信号整合功能，提高微胶囊在复杂土壤环境中的抗干扰能力与靶向特异性，实现真正的″按需给药″。
在应用层面，评价体系与技术路径的革新需同步匹配产业需求。评价标准亟需将壁材降解产物全生命周期毒性及亚致死浓度下的抗性演化风险列为必评指标，填补现行标准在控释制剂专属评价方法上的空白。技术路径的选择应回归农业实际需求，在除草效能、生态安全与成本可行性三重约束的交汇处寻求最优解，摒弃脱离应用场景的设计误区。总体而言，除草剂微胶囊的终极价值不在于剂型的新颖性，而在于其能否切实服务于农药减量增效与农业可持续发展的战略目标。
