综述：水凝胶赋能智慧农业：制备、性能、应用与未来展望

这篇综述系统总结了水凝胶在智慧农业中的最新研究进展，涵盖数据采集（如植物监测、农药检测）、精准施肥、土壤改良和作物栽培等多种农业场景。重点探讨了水凝胶的制备方法（物理/化学交联）、关键特性（机械性能、缓释性、传感性、粘附性、保水性、生物降解性）及其在农业智能化中的应用潜力，并分析了当前挑战与未来发展方向（如高性能、低成本、可降解性）。

　　

水凝胶赋能智慧农业

1. 引言

随着全球人口增长和气候变化加剧，传统农业面临资源浪费、土壤退化等挑战。水凝胶作为具有三维网络结构的功能高分子材料，在智慧农业中展现出独特优势：其可设计的结构和功能能实现数据交互与智能调控，为精准农业提供创新解决方案。过去14年，Web of Science中"农业用水凝胶"相关研究呈指数增长，表明该领域受到广泛关注。

2. 水凝胶的制备

材料选择：

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  天然材料：如纤维素（Cellulose）、壳聚糖（CS）、海藻酸钠（SA）和木质素（Lignin），具有生物相容性和可降解性。例如，SA通过Ca²⁺离子交联形成稳定网络，适用于农药包埋。

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  合成材料：如聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙烯醇（PVA），机械强度高，PVA可通过氢键形成弹性网络，适合制作种子涂层。

交联方法：

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  物理交联：通过氢键或静电作用形成可逆网络，如CS/Fe³⁺凝胶。

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  化学交联：共价键构建稳定结构，如丙烯酰胺（AM）与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的自由基聚合。

3. 关键性能

机械性能：双网络结构水凝胶（如PAM/SA）平衡强度与韧性，可承受植物生长应力。

缓释性能：交联密度和孔隙结构调控释放速率，如尿素接枝淀粉水凝胶实现氮素长效释放（28天释放73.4%）。

传感性能：导电水凝胶（如PVA/AC）监测叶片湿度，电阻变化反映水分状态。

粘附性：聚多巴胺（PDA）修饰的水凝胶通过氢键和疏水作用增强叶片粘附，减少农药流失26%。

4. 应用场景

数据采集：

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  植物监测：穿戴式水凝胶传感器实时追踪叶片电信号，预警干旱胁迫。

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  农药检测：荧光水凝胶（如BSA/AuNCs@ZIF）通过比色法快速识别农药残留。

精准农化：

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  控释肥料：pH响应水凝胶在酸性土壤中加速磷释放，提高利用率81%。

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  靶向施药：温度响应水凝胶（如UiO-66/SA）在45℃时农药释放率达93.5%，抑制地下害虫。

土壤改良：

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  保水剂：大豆渣基水凝胶在干旱条件下提升幼苗存活率80%。

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  重金属吸附：木质素凝胶对Cu²⁺吸附量>380 mg/g。

植物栽培基质：

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  种子萌发：纤维素水凝胶孔隙结构促进绿豆发芽率提升40%。

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  气培系统：海藻酸钠/蛋壳粉复合凝胶优化生菜钙吸收，叶片面积增加149%。

5. 挑战与展望

当前限制包括野外稳定性验证不足、规模化成本较高。未来需结合物联网（IoT）技术构建"感知-决策-执行"闭环，例如通过水凝胶传感器数据驱动智能灌溉。可降解天然材料（如纤维素/木质素复合凝胶）将是实现农业可持续发展的关键。