人工纳米材料（engineered nanomaterials,ENMs）的环境地球化学过程是环境地球科学领域的研究热点。经过近二十年的不懈努力,这方面的研究取得了显著进展。诸多研究已表明,ENMs在农业生态系统中具有“低促高抑”的生物效应,这就为确保农业环境健康提供了可能。近期,Nature Nanotechnology等国际顶级期刊连续发表多篇关于ENMs在农业生态系统与作物相互作用的评论性文章,阐述了ENMs调节作物产量、品质及其抗性的关键地球化学过程,降低资源投入、减少农业环境污染的巨大应用前景。然而,ENMs在作物体内的吸收和转运、ENMs促进作物生长的作用机制仍不清楚。本论文以硒（Se）、氧化硅（SiO2）两种环境友好型ENMs作为供试材料,构建了其促进作物生长的最适体系,以期探明其在作物内的吸收、转运过程,揭示其调控作物产量、品质及抗性的内在机制。取得如下主要结论:（1）明确了SiO2 ENMs促进水稻幼苗生长最适浓度(5 mg·L-1)。在此浓度下,水稻幼苗的鲜重和干重分别增加33.6%和65.2%。利用激光共聚焦显微镜（CLSM）证明SiO2 ENMs能够被水稻根系吸收并转运至地上部,并促进硅质细胞的形成。通过转录组分析发现,SiO2 ENMs增强了水稻对碳（C）的固定和代谢,诱导3-Indoleacetic acid（IAA）信号转导进而促进水稻的生长;促进了木质素、长链蜡质的合成,强化了水稻幼苗的细胞壁;触发细胞程序性坏死,激发水稻的自我防御机制;增强水稻清除活性氧（ROS）的能力,缓解由褐飞虱入侵导致的ROS。说明SiO2 ENMs主要通过增强水稻幼苗的物理防御机制（强化细胞壁以及形成硅质细胞）来提高水稻对褐飞虱的抗性。这些结果为研发新型纳米农药提供了重要的理论依据。（2）利用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）明确了Se ENMs在土壤中能稳定存在,且Se ENMs能够被圣女果根系吸收、转运至叶片和果实中,导致果实中的Se含量显著增加333.5%,而Na Se O3(Se O32-)处理下只增加了103.3%。显现出Se ENMs具有更高的生物有效性。另外,Se ENMs(75μg·kg-1)处理之后圣女果的产量在第70、80和90天分别增加45.1、59.5和78.5%。这主要是因为Se ENMs促进了圣女果叶片的光合作用,产生更多的碳水化合物;而且Se ENMs也诱导了花形态、果实形成和发育、C分配的关键基因上调,进而促进了果实膨大,产量增加。代谢组学的结果表明,Se ENMs可以促进糖酵解、苯丙氨酸代谢、丙酮酸以及三羧酸（TCA）循环等一系列代谢通路的反应,促进了果实中的C、氮（N）代谢,增加了抗性物质（抗坏血酸、谷胱甘肽、氨基酸和类黄酮）的合成,提高了圣女果的品质。（3）采用单颗粒电感耦合等离子质谱（sp ICP-MS）证明了叶面喷施Se ENMs能够被樱桃萝卜叶片吸收并转运至地下部。进入植物内部的Se ENMs能有效的促进樱桃萝卜叶片的光合作用（17.4～42.9%）,使得产量显著增加（比对照增加了67.6%）,而Se O32-处理组产量只比对照增加7.4%。同时,樱桃萝卜果皮和果肉中的Se含量分别为118.4和155.2μg/100 g,而Se O32-处理后果皮和果肉Se含量分别为61.0和64.0μg/100 g。Se ENMs表现出更高的生物有效性。根系中,Se ENMs通过诱导IAA和细胞分裂素（CTK）的合成与转导、上调形成层基因的表达、加速了根部碳水化合物代谢等过程,促进了樱桃萝卜主根的径向生长和膨大,进而提高了萝卜产量。此外,转录组学和代谢组学的分析结果表明,Se ENMs可以调节樱桃萝卜果实发育过程中糖酵解、戊糖磷酸化、丙酮酸以及TCA循环等代谢通路的反应及相关基因的上调表达,加速C、N代谢过程,增加了类黄酮、氨基酸和维生素C等有益物质的含量,最终樱桃萝卜品质得到改善。综上,环境友好型的Se ENMs和SiO2ENMs不仅能提高作物产量、改善作物品质,还能够提高作物对生物胁迫的防御能力。另外,相较于无机盐离子,Se ENMs和SiO2ENMs表现出更佳的生物有效性,这不仅能降低肥料、农药的使用量,同时还能减少传统农用化学品在环境中的累积,降低环境风险,在可持续的农业生产中具有良好的应用前景。