综述：可持续农业中的多功能水凝胶：结构设计、应用与未来挑战

《Gels》：Multifunctional Hydrogels in Sustainable Agriculture: Structure Design, Application and Future Challenges

　　

面对水资源短缺、化肥和农药过量使用以及土壤重金属污染等严峻的全球性挑战，传统农业技术在水分-肥料一体化管理和面源污染控制方面表现出显著局限性。凭借优异的保水能力、智能缓释特性和环境响应性，水凝胶为推进可持续农业发展提供了创新解决方案。本综述全面概述了水凝胶的基本类型、交联机制和关键功能特性，重点讨论了其在农业中作为高效土壤调理剂、肥料载体和农药载体的应用；阐释了三态水模型下的微观持水机制，描述了离子型与非离子型水凝胶在吸水和保水行为上的差异，并阐明了水凝胶在土壤改良过程中的循环持水与释放机制。本文进一步综述了水凝胶赋能的环境修复应用，其中土壤和水体中的重金属及农药残留通过官能团配位吸附或光催化降解得以去除；同时，水凝胶已被证能通过钙信号通路激活植物系统免疫，从而诱导广谱抗病毒防御反应。此外，水凝胶可集成到精准农业框架中，实现对作物生理状态的实时监测，并支持靶向灌溉和施肥管理。本工作还评估了水凝胶在促进种子萌发、根系发育、作物代谢调控和胁迫耐受性方面的作用，同时介绍了针对不同植物生长阶段的定制应用策略。其已记录的经济优势包括节水、提高作物产量、减少对合成肥料的依赖以及降低劳动力成本。然而，水凝胶的大规模实施仍面临多方面挑战——尤其是可降解性差和潜在的生态风险，因为常规聚丙烯酰胺（PAM）基凝胶抵抗土壤矿化并保留可能具有神经毒性的单体，导致关于其对本地土壤团聚体演变、孔隙分布和根际碳-氮足迹的非靶标干扰的多年度田间数据存在关键空白。在机制上，许多拉伸强度低于1 MPa的水凝胶在高盐渗透冲击和耕作机械应力下极易发生三维网络塌陷，在超过三次干湿循环后保水性急剧下降，原因是缺乏长期结构稳定性。加剧这些技术差距的是高昂的生产成本和较低的农民采用率，这源于缺乏针对质地的性能阈值——例如沙质土壤有效水增量≥40%——以及缺乏既定的生物基水凝胶生命周期成本模型和农民激励机制。展望未来，水凝胶技术应转向材料创新和降成本工程以拓宽其适用性，采用≥3年的多生境区域试验来界定生态效益-风险边界，并最终将水凝胶定位为可持续绿色农业范式的关键赋能者。

以下是对论文主体部分的学术性总结，保留了原文小标题，并去掉引用文献与图示标识。

**2. 水凝胶的类型与性质**

**2.1 基于合成方法的分类**
水凝胶按合成方法分为传统合成水凝胶、可生物降解水凝胶和杂化水凝胶。传统水凝胶以丙烯酰胺、丙烯酸或丙烯酸盐经化学交联而成，成本较低、吸水率高、机械强度较好，常用于干旱半干旱地区土壤保水调理，但部分产品难被微生物降解，可能残留有害物质。可生物降解水凝胶来源于明胶、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素和木质素等动植物或微生物原料，通过物理交联或温和化学交联形成，降解产物无害且可再生，但力学性能通常弱于合成水凝胶。杂化水凝胶通过天然与合成聚合物复合或掺入纳米二氧化钛等无机纳米粒子构建，旨在克服单一材料局限并实现协同增强，可获得高吸水率、优异机械强度及对温度、光、湿度、pH的智能响应。

**2.2 基于交联机制的分类**
物理交联水凝胶通过离子键、氢键、疏水相互作用、范德华力或链缠结等非共价作用形成三维网络，制备条件温和且可逆，具有刺激响应和自修复潜力，但机械强度较低。化学交联水凝胶通过共价键连接聚合物链，需交联剂、引发剂或高能辐射，网络稳定且力学性能优良，但可能引入生物毒性物质且结构不可逆。多重交联水凝胶同时利用物理相互作用和共价化学键构建协同网络，整合了两者优势，如聚乙烯醇/海藻酸钠双交联体系，显著提高压缩模量和抗疲劳性。交联方式直接影响网络的孔径、交联密度和网链平均分子量。

**2.3 水凝胶中水的类型**
水凝胶内部的水分子分为结合水、中间水和自由水。结合水通过氢键与聚合物亲水基团强结合，在-30 °C下仍不冻结，可增强韧性和抗冻性；中间水相互作用强度介于结合水和自由水之间，相变温度低于0 °C，在太阳能驱动水蒸发和光催化中可降低能量势垒；自由水疏松储存于网络孔隙中，冻结温度接近0 °C，干燥时最先释放，影响溶质扩散和药物释放，但比例过高会稀释网络并降低机械强度。

**2.4 水凝胶的性质**
溶胀能力源于网络中的亲水基团和交联密度，交联点越多，网络越致密，溶胀度可能下降。机械强度受交联密度影响，双网络水凝胶通过刚性脆性网络与柔软韧性网络交织实现高强度高韧性。可生物降解性使水凝胶分解后不留下有害残留，但部分合成水凝胶残留交联剂影响生物相容性。环境响应性使水凝胶能感知温度、pH或离子强度等微小变化，如温敏水凝胶在特定温度溶胀或收缩，pH敏感水凝胶可用于农用化学品的靶向递送。

**3. 水凝胶在可持续农业中的应用**

**3.1 水凝胶在农业蓄水中的应用**
水凝胶的蓄水效果依赖于其亲水基团和交联程度。聚合物链上的羟基、羧基、氨基等亲水基团通过毛细力、氢键和范德华力捕获水分子，电离产生的负电荷排斥使链伸展并进一步吸水。水凝胶在干旱或降水不均地区可吸收储存灌溉或雨水，并在干燥时缓慢释放，稳定土壤水分、减少灌溉频率。其对土壤保水效果的提升与土壤类型密切相关：在沙质土壤中效果显著，可减少深层渗漏；在壤土中可优化孔隙结构；在重黏土中效果相对有限。现有研究多为短期单一土壤类型试验，缺乏标准化评估框架和跨土壤类型长期田间验证。

**3.2 水凝胶的吸水保水机制**

**3.2.1 三态水模型的微观保水机制**
根据与水相互作用强度，水凝胶网络内的水分为强结合水、弱结合水和近本体水。强结合水与酰胺、羟基、羧基、氨基和磺酸基等高极性基团形成强氢键，在260–265 K以下不冻结，是保水的核心储备；弱结合水在260–265 K至273 K之间冻结；近本体水在约273 K结晶。吸水驱动力来自亲水基团锚定、电离基团静电排斥和毛细/渗透压协同作用。保水阶段由交联密度和网孔尺寸精细调控，Flory–Rehner方程描述交联密度与体积溶胀比的平衡关系。干燥过程呈现分级保水特征：近本体水先蒸发，随后弱结合水蒸发并建立气液界面，最后强结合水通过四面体氢键网络持久保留。

**3.2.2 离子型与非离子型水凝胶吸水保水机制的差异**
非离子型水凝胶如纯聚丙烯酰胺（PAM）主要依靠毛细作用和酰胺基氢键吸水，平衡溶胀容量仅约9 g/g，初始吸水速率常数较小。引入海藻酸钠后，羧基在pH约6.5下解离为-COO^-，网络内静电排斥驱动三维网络扩张，同时渗透压梯度促进水分进入，使4Alg:1PAM配方的平衡溶胀容量达65 g/g，吸水动力学符合伪二级模型。保水阶段两者均依赖交联网络的物理限制及氢键和范德华力。该离子型水凝胶在土壤中通过海藻酸糖苷键水解降解，5周内降解率达85%，降解产物低聚海藻酸盐兼作生物刺激素促进桉树幼苗生长。

**3.2.3 土壤改良情境下水凝胶的保水-释放循环机制**
以羧甲基纤维素钠（NaCMC）和羟乙基纤维素（HEC）经柠檬酸酯化交联构建的可降解超吸水水凝胶为例，其呈现“溶胀吸水—网络截留—根际控释—降解”的完整循环。2%水凝胶改良土壤的容重从1.16 g/cm³降至1.06 g/cm³，总孔隙度从53%升至57.1%，露天10天后保湿量比未改良土壤高约50%。交联网络作为根际“微水库”，抑制深层渗漏和表面蒸发，按计量速率向根-土界面释放水分，使作物水分利用效率提高25.25%–45.52%。纤维素基水凝胶经埋土逐步降解，避免石化基水凝胶的长期残留风险。

**3.3 提高水凝胶保水能力的策略**
封装策略通过疏水或亲水涂层构建物理屏障，如聚二甲基硅氧烷封装使72 h保水率从8.94%提高至80.45%，平均脱水速率降低97%以上。溶剂优化策略引入甘油、乙二醇或水合离子液体替代部分水相，改变氢键网络和蒸气压，赋予抗冻和抗干燥性能，如乙二醇/水体系使水凝胶在-60 °C至60 °C保持优异拉伸强度。离子引入策略利用Li⁺、Ca²⁺、Cl^-等吸湿性离子或聚电解质的强水合作用将自由水转化为结合水，如含CaCl₂的水凝胶可耐-58 °C低温，含LiCl的体系可耐-80 °C并具备自再生性。结构设计策略通过单网络、双网络、互穿网络或引入微胶囊和纳米填料限制水分子扩散，如半互穿网络水凝胶（CPAUH）具有0.169 MPa机械强度、121.65 g/g吸水能力，三次吸脱附循环后仍保持118 g/g，在盐碱土中施用后使土壤电导率降低39.16%。组合策略整合多种机制实现协同增强，如PDMS/甘油体系在-20 °C至80 °C范围内失重小于2%。

**3.4 水凝胶在控释缓释肥料中的应用**
水凝胶作为肥料载体，将养分封装于聚合物网络中，可响应土壤实际水分状况实现按需释放，提高肥料利用率、减少养分损失、改善土壤水分条件并增强作物抗旱性。通过三维网络和可调孔结构，水凝胶可精确调控包封活性分子的Fick扩散释放速率，避免突释效应。例如以葡萄茎废料中提取的纤维素和Salep共聚制备的冷冻干燥生物气凝胶，负载Zataria multiflora精油后用于碎牛肉气调包装，在7 °C储存9天后使总嗜温菌减少1.8 log₁₀ CFU/g，总嗜冷菌减少2 log₁₀ CFU/g，总大肠菌群减少1.4 log₁₀ CFU/g，证实了水凝胶载体在挥发性抗菌剂缓释中的有效性。但现有研究多局限于理想实验室条件，忽略田间温度、pH、离子强度、微生物活性和根系分泌物的复杂干扰，缺乏标准化评估标准。

**3.5 实现控释肥料的三种水凝胶形式**
膜材料水凝胶通过热敏或智能响应水凝胶包覆肥料颗粒，利用三维网络作为物理屏障调节养分释放。如山东农业大学开发的双层包膜肥料，外层为海藻酸钠与铜离子交联形成的水凝胶膜，内层为生物基聚氨酯，铜离子缓释可抑制土传病害。基质型水凝胶将肥料分子均匀分散或吸附于三维网络内，通过溶胀-扩散过程缓慢释放养分，释放动力学受交联密度、孔结构和渗透压调节。如以丙烯酰胺为单体、氧化还原引发体系合成的木质素基水凝胶（AM-g-AL-MBA）孔隙率达72%，14天内释放43%肥料；海藻酸钠/木聚糖微球同时包封ZnO纳米粒子和有益细菌，使细菌存活时间延长至1400 h，活菌数达7.17 × 10⁷ CFU/mL。复合水凝胶将水凝胶与其他功能材料结合，如掺入纳米TiO₂、生物炭或金属有机框架MIL-100(Fe)，通过吸附-解吸、离子交换或光催化降解引入多重控释机制。但现有研究缺乏三种形式的横向比较，尚不能指导用户根据土壤类型、作物需求和成本预算选择最优配方。

**3.6 水凝胶中肥料扩散的三种机制**
Fick扩散是水凝胶养分释放的基本传质机制，养分在浓度梯度驱动下从水凝胶内部扩散至周围土壤溶液，速率受孔径、路径曲折度和浓度梯度影响。溶胀控制扩散使刺激响应型水凝胶具有智能释放特性，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）在低于低临界溶液温度（LCST）时亲水溶胀开放通道，高于LCST时疏水收缩挤出养分，使释放速率与作物生长温度正相关。化学键控制扩散通过可断裂化学键将肥料分子共价接枝到聚合物主链上，养分释放依赖水解或微生物酶催化降解，可实现近零级释放动力学。但Fick模型假设介质均匀，未考虑水凝胶网络异质性；化学键控释的近零级动力学易受土壤酶活性和pH波动干扰。

**3.7 水凝胶在重金属吸附中的应用**
水凝胶所含羧基、氨基和磺酸基等官能团通过螯合、配位键、离子交换、静电吸引和物理吸附等机制高效选择性捕获重金属离子。如聚乙烯醇/黄原胶水凝胶可吸附亚甲基蓝和Pb²⁺，但在酸性条件下溶胀度下降导致吸附性能降低。复合水凝胶对Cr(VI)和Hg(II)的吸附受pH影响，pH≥2时HCrO₄^-易通过静电作用吸附到质子化水凝胶基质上。但土壤中Ca²⁺、Mg²⁺等共存离子会竞争吸附位点，再生和可回收性讨论较少，合成和回收成本高。

**3.8 水凝胶在农药残留处理中的应用**
水凝胶网络中大量官能团通过氢键、静电和疏水作用结合农药分子，将其固定于网络结构内，减少农药用量和环境残留。如基于聚乙烯醇和乳酸交联的水凝胶对克百威和灭多威的捕获量均达约0.064 mg/mg。将光催化材料CuS@MIL-100整合到纤维素水凝胶中，对四环素的降解效率达93.3%。将CdTe量子点嵌入聚乙烯醇/琼脂糖双网络水凝胶形成可穿戴荧光传感器，可现场快速检测福美双残留，检测限低。但水凝胶在田间条件下的长期稳定性和可重复使用性可能受有机质竞争、pH波动和微生物降解影响，光催化复合材料的降解副产物毒性未知。

**3.9 水凝胶在精准农业中的应用**
自供电水凝胶传感器可附着于植物叶片，通过监测叶片相对含水量变化实现无创判断植物水分胁迫状态，数据经物联网上传云端指导精准灌溉。吉林大学团队开发的荧光水凝胶传感器用于白菜上毒死蜱残留现场检测，检测限达0.2 ng/mL。pH响应型智能水凝胶肥料可根据土壤pH调节养分释放，如秸秆转化水凝胶28天内累计释放率低于75%。但自供电传感器在复杂田间环境的耐久性和信号稳定性、荧光传感器的抗干扰和长期储存性能以及水凝胶生产成本可控性等问题仍需解决。

**4. 水凝胶对植物生长的影响**

**4.1 水凝胶对土壤结构改善和植物根系的影响**
水凝胶分子链上的羧基、羟基等活性基团通过粘附作用连接分散土壤颗粒形成团聚体，优化土壤物理结构，使大于0.25 mm的水稳性团聚体比例增加30%，提高孔隙度和透气性，促进根系扩展。水凝胶的吸附缓释机制调节根区微环境，维持稳定湿润状态，减少氮肥挥发损失，促进更发达的根系系统形成。在铬污染土壤中，壳聚糖-枯草芽孢杆菌复合水凝胶微球通过吸附灭活铬离子并激活植物抗氧化酶系统，帮助生菜减少铬吸收。

**4.2 水凝胶对提高作物抗旱性和耐盐碱性的影响**

**4.2.1 增强作物抗旱性**
水凝胶可吸收并缓慢释放自身重量数百至数千倍的水，延长有效供水时间。在田间持水量40%的严重干旱条件下，2%羧甲基纤维素水凝胶处理将小麦种子萌发率从约45%提高至70%以上。肯尼亚玉米田试验显示，处理田土壤湿度比未处理田高25%，旱季玉米产量增加20%。生物炭复合水凝胶S-B-AA通过多级联机制增强烟草抗旱性：材料层面引入生物炭使平衡溶胀度提高44.7%，最大土壤含水量提高17.1%；植物生理层面提高叶片相对含水量和自由水比例，提升净光合速率和气孔导度，减少丙二醛积累28.4%，下调脱落酸和赤霉素水平；转录组层面差异表达基因富集于MAPK信号通路、植物激素信号转导和光合作用相关通路。

**4.2.2 增强作物耐盐碱性**
水凝胶通过物理吸附降低土壤盐离子有效性，改善水分调节。生物炭结合PEtOx-HEMA-CS复合水凝胶作为土壤调理剂，降低盐碱土盐分和交换性钠百分比，提高保水能力、有机质和阳离子交换量，胡萝卜根中氮、磷、钾含量相对增长率分别为36.36%、70%和72%，产量相对增长率提高49.63%。P(AA-co-AM)/XLG复合水凝胶可吸附固定盐碱土中镉，与盐生植物碱蓬协同修复复合污染，改善土壤微环境，促进株高增加43.9%，提高土壤微生物多样性。

**4.3 水凝胶对植物代谢和有益微生物递送的影响**
水凝胶的养分释放特性显著提高养分利用效率并优化初级代谢。半乳甘露聚糖-壳聚糖水凝胶包膜尿素比直接施用尿素更高效稳定地供给氮素，提高叶绿素含量，氮同化相关多种关键代谢物上调。西南大学开发的壳聚糖-透明质酸钙凝胶（CSL-gel）负载蘑菇多糖持续释放和钙离子，通过调节钙信号通路激活植物系统免疫，显著上调本氏烟中钙结合蛋白CML3的表达，诱导对烟草花叶病毒和烟草脆裂病毒的广谱抗性。聚合物水凝胶（PMH）包载有益根际细菌，促进其在酸性土壤中定殖，影响植物根和根际土壤微生物群落结构。液相色谱-质谱非靶向代谢组学分析显示，C5-PMH处理显著改变油菜根系代谢物，花生四烯酸代谢和抗坏血酸-醛酸代谢通路显著上调，丙酮酸和硫辛酰胺通路下调，有助于增强防御反应和优化能量利用。

**5. 不同植物生长阶段的水凝胶应用策略**

**5.1 种子和萌发阶段**
水凝胶可通过种子包衣在种子周围形成局部储水环境，提高发芽率和出苗均匀度。结冷胶水凝胶包衣小麦种子在缺水条件下存活时间比对照长10天。2%海藻酸钠溶液结合NPK和Cu²⁺/Zn²⁺/Mn²⁺微量元素溶液交联固化形成水凝胶种衣，外包蚯蚓蛋白氨基酸生物刺激素，养分淋溶≤10%，生物利用度达60%–100%，黄瓜幼苗鲜重增加约50%，根长增加约4倍。中国农业科学院团队将枯草芽孢杆菌ZF71包封于海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶中用于黄瓜种子包衣，37天储存后仍保持高活菌数，播种后对黄瓜镰刀菌根腐病的防治效果达53.26%。

**5.2 营养生长期**
此阶段水凝胶应用重点是调节水和养分释放节律，匹配作物需肥规律，改善根区微生态。海藻酸钠-聚丙烯酰胺（4Alg:1PAM）水凝胶具有65 g/g平衡溶胀容量，5周降解率约85%，降解产物低聚海藻酸盐作为诱导子增强干旱驯化；处理使缺水桉树幼苗的根颈直径相对生长率达0.012 mm·d^-1，接近充分灌溉组的80%，叶片黎明前水势稳定在-1.43至-1.72 MPa，净光合速率达3.11–3.51 μmol·m^-2·s^-1，瞬时水分利用效率提高至20.66–23.44 μmol·mol^-1，显著降低苗木死亡率。

**5.3 生殖生长期**
水凝胶通过智能水肥管理和根区环境优化支持高产优质。亚麻籽阿拉伯木聚糖与阿拉伯胶凝胶杂化水凝胶（GAXH）在35 °C沙土中30天保持140%土壤水分，樱桃番茄果实番茄红素、总类胡萝卜素和总多酚含量显著提高，抗氧化活性增强。采后阶段，CuLyz纳米酶水凝胶膜（PVA/TA/CuLyz）用于草莓保鲜，拉伸强度3.49 MPa，断裂伸长率615%，DPPH自由基清除率83.5%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率分别达96%和95%，6天失重率仅10.3%，结合YOLOv8机器学习算法可实时检测隐性瘀伤和初期腐败，将草莓货架期延长6天。

**6. 水凝胶的经济效益与成本考量**
水凝胶的经济效益体现在节水、增产和减少肥料使用。2%羧甲基纤维素钠/羟乙基纤维素土壤改良可使水分利用效率提高25.25%–45.52%。作为肥料和农药载体可实现缓释，提高利用率并减少用量。水凝胶还可减少灌溉频率从而节省劳动力成本，通过稳定土壤结构减缓水土流失，吸附固定污染物辅助土壤修复。但高质量合成聚合物水凝胶生产成本高、工艺复杂，初始投资大且短期回报不明显，普通小农户难以承受。利用农业废弃物制备水凝胶可实现资源回收并降低成本，水凝胶-反渗透集成系统预处理可节能51%。未来需通过材料创新和优化模型提高性价比，并采取政府补贴、财政激励或成本分摊计划鼓励农民采用。

**7. 水凝胶当前面临的挑战和环境问题**
传统聚丙烯酰胺基水凝胶难以被微生物降解，长期残留形成有机微塑料，残留单体丙烯酰胺对土壤微生物群落有毒，破坏土壤健康基础。许多水凝胶拉伸强度低于1 MPa，在高盐环境中氯离子渗透引发离子交换和渗透压变化，导致过度溶胀、力学性能陡降甚至网络崩解；多次干湿循环或耕作压力下易发生结构损伤和功能退化。自修复水凝胶如动态硼酸酯键和Hofmeister效应结合可实现95 min内近100%修复效率，修复后强度达23 MPa。生物相容性与功能需求有时冲突，化学交联剂或改性处理可能引入刺激性或毒性物质，为赋予特定功能而添加的纳米材料带来新的生物安全性问题。长期大规模应用水凝胶对土壤生态系统的非靶标效应仍不清楚，包括对土壤团聚体形成、孔隙分布、透气性、有机质循环和碳氮平衡的潜在影响，以及对外源添加物对微生物群落多样性、土壤动物安全和根际微生态的影响，均缺乏长期数据支持。

**8. 结论与未来展望**

**8.1 主要发现**
水凝胶作为三维亲水网络结构的功能材料，凭借优异保水和缓释能力及重金属吸附性能，可有效改善土壤结构，稳定根区水分和养分状况，固定土壤重金属，提高作物水分利用效率和养分吸收。水凝胶通过物理和生理双重机制增强作物抗旱、耐重金属和耐盐能力，包括在土壤-根界面作为微储水库，以及在植物水平触发抗氧化防御、激素平衡调控和生物活性代谢物积累。水凝胶还促进根系发育，在重金属吸附、农药残留降解和有益微生物载体方面发挥重要作用。但大规模应用仍面临可降解性差、机械强度不足、长期稳定性差、天然聚合物性能与成本平衡困难、土壤生态系统非靶标效应不明和初始投资高等挑战。

**8.2 未来展望**
农业水凝胶研究需从概念验证转向以量化指标约束的工程研发。应建立区域特异性标准化测试规程和市场准入标准，核心指标包括≥3次田间干湿循环后保水率≥60%、180天内原位土壤降解率≥70%等。针对不同质地土壤设定差异化性能基线，如沙土配方应在45%田间持水量下使植物有效水增加≥40%，黏土目标水凝胶不得使土壤通气孔隙度降低超过5%。商业化方面，生物质来源多功能水凝胶的干质量生产成本应低于国际商品级农用超吸水聚合物盈亏平衡点，优先发展农业废弃物的一锅接枝聚合，减少纯化步骤以降低加工能耗30%以上。未来应解码水凝胶-土壤相互作用，设计阈值响应型智能架构，如在土壤基质势≤-30 kPa时自动释放水分或根际pH低于6.0时启动养分释放，使水凝胶成为智能根区微环境调节器。水凝胶应更深融入精准农业基础设施，从主粮扩展到高价值保护作物和边际土地。政策方面，可参照生物有机肥推广模式，在主产区实行分级补贴试点，将水凝胶应用纳入高标准农田建设指标。最关键的是开展≥3年跨生态区定点田间试验，绘制土壤微生物群落演替和碳氮足迹图谱，系统评估长期生态影响并制定科学的安全评估行业标准。