文章题目：Oligosaccharide modified alginate/biochar composites hydrogel to fabricate slow-release fertilizer

发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules

影响因子：8.5（2025）

通讯单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所等

        现代农业中氮肥的广泛施用有效提升了作物产量，但氮肥利用率低、淋溶挥发严重等问题，引发了农业面源污染，干旱半干旱地区普遍存在的水肥不同步难题，也进一步制约了农业高效可持续发展。针对这一现状，开发兼具保水与缓释功能的绿色肥料载体材料，成为解决水肥利用失衡、降低农业污染的关键路径。本文分享的相关研究依托天然多糖材料的绿色优势，构建了纤维素寡糖（cellulose oligosaccharides ,COS）改性海藻酸钠（alginate sodium, SA）/生物炭复合水凝胶缓释肥料体系，通过调控材料内部氢键网络与水分存在状态，同步优化材料土壤保水能力与养分缓释性能，并通过盆栽试验验证了其对叶菜生长的促进作用，为干旱地区绿色缓释肥料的设计与应用提供了全新的技术思路与理论支撑。

        该研究采用绿色简易的制备工艺，以钙离子交联海藻酸钠构建稳定的三维凝胶骨架，引入玉米秸秆生物炭提升尿素负载能力，同时利用纤维素寡糖的多羟基结构调控体系氢键网络，制备得到系列复合缓释肥料材料，明确了纤维素寡糖的改性作用机制（图1）。

图1 COS调控聚合物网络中水态分布的示意图

        宏观形貌观测显示，纯海藻酸钠凝胶颗粒呈白色球状，掺入生物炭后复合材料颗粒整体呈黑色，形貌完整均一（图2a）。元素分布表征结果表明，钙元素均匀分布于复合材料整体结构中，构成稳定交联骨架，碳、氧元素来源于海藻酸钠与生物炭，氮元素的均匀分布证明尿素已成功负载于复合材料内部（图2b）。微观形貌观测可见，生物炭具备发达的孔道结构，可为养分负载与传输提供充足空间（图2c）。纯海藻酸钠材料表面光滑、孔隙较少，截面呈现层状堆叠结构，有效储水储养分位点不足（图2d₁、2d₂）；掺入生物炭与尿素后，复合材料表面粗糙度显著提升，内部嵌入大量颗粒结构，形成了丰富的微观储留位点（图2e₁、2e₂）；经纤维素寡糖改性后，材料内部结构更加致密规整，凝胶相可有效包覆生物炭，大幅提升了复合材料的结构完整性（图2f₁、2f₂）。

图2 样品形貌与表征

        研究通过多项表征手段解析了复合材料的化学结构与键合机制。X射线光电子能谱测试结果证实，未负载尿素的材料仅含碳、氧、钙元素，负载尿素后新增氮元素特征峰，且纤维素寡糖改性可显著提升材料内部含氧官能团占比，优化材料化学结构环境（图3）。傅里叶变换红外光谱分析表明，尿素特征官能团峰在复合材料中稳定存在，证明尿素通过氢键作用稳定结合于凝胶网络中，并非简单物理吸附，同时纤维素寡糖的掺入可强化体系氢键作用，实现氢键强弱分布的重构。

图3 CABs的化学性质

        拉曼光谱与差示扫描量热测试结果印证，纤维素寡糖可有效调控体系水分存在状态，促进自由水向中间水转化，大幅提升体系束缚水分的能力，优化材料保水基础性能（图4）。流变性能测试显示，纤维素寡糖改性可有效提升凝胶体系交联密度，稳定聚合物网络结构，适度的寡糖掺量可构建均匀致密的物理交联网络，限制水分子与养分分子的扩散迁移，为水肥缓释协同作用提供结构支撑。

图4 拉曼光谱和差示扫描量热曲线等

        研究系统探究了复合材料的水肥协同性能与环境适应性（图5）。尿素负载性能测试表明，该复合体系具备优异的养分负载能力，可满足缓释肥料的实际应用标准。养分缓释试验证实，未改性复合材料存在明显的前期养分暴释问题，纤维素寡糖改性可有效抑制肥料初期释放速率，优化30天全程养分释放曲线，实现养分平稳缓释。不同酸碱度环境下的溶胀试验表明，复合材料具备良好的酸碱适应性，可适配酸性、中性与盐碱土壤环境，且寡糖改性可进一步提升材料吸水溶胀性能。土壤保水保肥测试结果显示，复合材料可显著提升土壤持水能力，纤维素寡糖改性样品具备更优异的长期保水性能，可有效减缓土壤水分蒸发流失。

图5 CABs的保水缓释性能

        为验证材料实际应用价值，研究开展了叶菜盆栽种植试验。常规灌溉条件下，相较于空白对照组、纯尿素组及未改性复合材料组，纤维素寡糖改性复合材料可显著提升小白菜、塌菜的株高、茎长及叶绿素含量，有效促进叶菜生长与光合物质积累（图6）。干旱胁迫试验结果显示，停水胁迫后，空白组与纯尿素组植株出现明显萎蔫枯萎，未改性组植株长势一般，而寡糖改性组植株可维持良好的生长状态，株高与叶绿素含量显著优于其他组别，展现出优异的干旱耐受辅助效果（图7）。整体应用机制表现为，改性复合材料可在土壤中形成局部微储水结构，通过调控水分与养分的缓慢释放，实现水肥同步供给，持续为作物生长提供营养与水分支撑（图8）。

图6 盆栽试验

图7 不同处理条件下乌塌菜的生长状况

图8 纯尿素与CAB-U-5% COS对土壤中植物生长的影响对比

        综上所述，该研究成功利用纤维素寡糖的氢键调控作用，优化了海藻酸钠/生物炭复合水凝胶的微观结构与理化性能，实现了土壤保水与尿素缓释性能的协同提升。纤维素寡糖的引入可有效重构体系水分分布状态，强化凝胶网络结构稳定性，解决了传统海藻酸钠基肥料养分暴释、保水能力薄弱的短板。盆栽试验充分证实了改性复合材料在促进作物生长、提升作物抗旱能力方面的显著优势。该研究基于天然绿色生物质材料完成改性优化，工艺环保、性能优异，为干旱半干旱地区生态友好型缓释肥料的研发与农田水肥高效管控提供了可靠的理论依据与实践参考，具备良好的农业应用前景。

        原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.152815

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作者：汪浩

审核：李全才、邵萌

编辑：郭青云

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