《Gels》：Hydrogel-Enabled Delivery Systems for Agricultural Resilience: Controlled Release, Soil Interactions and Performance Constraints: A Review
水凝胶（Hydrogels, HGs）因其高保水能力以及作为农用化学品、养分、微生物和生物活性化合物的控释平台的能力，已成为可持续农业中极具前景的多功能材料。其应用正日益受到关注，以应对与气候变化、水资源短缺、土壤盐渍化以及传统肥料低效率相关的全球性挑战，这些挑战导致了环境退化并降低了作物生产力。本综述对基于水凝胶的农业应用系统进行了批判性概述，特别关注在非生物胁迫条件下用于土壤修复和作物保护的生物活性组分封装。遵循PRISMA指南，使用Scopus数据库进行了系统性文献综述，最终分析了2003年至2024年间发表的548项研究。文献计量分析显示，自2021年以来研究活动显著增加，主要受保水技术、纳米复合水凝胶、控释系统和生物活性封装策略的进展驱动。本综述讨论了决定水凝胶功能性的主要因素，包括溶胀行为、交联密度、生物降解性以及与土壤-植物系统的相互作用。特别关注了近期将微生物、纳米颗粒、微量营养素和农用化学品掺入可生物降解水凝胶基质中的进展，以改善养分有效性、缓解盐胁迫并减少农用化学品损失。最后，讨论了与可扩展性、环境稳定性和田间验证相关的挑战，强调了基于水凝胶的生物活性递送系统在开发具有韧性和资源高效型农业系统方面的潜力。
1. 引言
根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球人口预计到2050年将达到100亿。这种加速的人口增长要求农业产量大幅增加，这导致了对矿物肥料更大的依赖。然而，据估计这些肥料中只有50%被植物有效吸收；其余部分则通过挥发、土壤化学反应和淋溶进入地下水体等过程损失。这表明当前的农业模式效率低下、不可持续且对环境有害。同时，气候变化的影响加剧了这种情况。根据政府间气候变化专门委员会第五次评估报告，全球变暖与极端事件、海平面上升、作物生长和产量改变以及水资源压力增加有关。同样，荒漠化、土壤退化和盐渍化等过程的加剧也已被记录在案，这与气候和土地利用之间的相互作用密切相关。根据FAO开发的全球盐渍土分布图（GSASmap），盐渍化影响全球8.33亿公顷的底土（深度在30至100厘米之间）和超过4.24亿公顷的表土（0至30厘米）。更具体地说，3.97亿公顷被归类为盐渍土，4.34亿公顷为钠质土。这些区域主要位于脆弱的生态系统中，其中37%位于干旱沙漠，27%位于干草原，包括温暖和寒冷的干草原。
土壤盐渍化的一个初步研究由Gutierrez等人报道，他们利用描述1990年、2000年、2010年和2020年5公里网格土壤侵蚀速率的图，分析了南美国家农业用地相关的土壤退化情况。结果表明，集约化农业和化学肥料的过度使用是土壤退化的主要来源，近几十年来表现为盐渍化和土壤污染等过程，确定了两个高盐浓度（>16 dS/m）的关键点，一个在秘鲁的阿雷基帕市，另一个在玻利维亚的拉巴斯。高盐浓度的一些影响包括诱导高渗休克和离子失衡，导致营养紊乱、氧化应激甚至细胞死亡。过量的Na+和Cl?降低了土壤的渗透势，阻碍水分吸收并导致植物组织脱水和细胞毒性积累；此外，盐分通过进入蒸腾流对细胞造成损害。此外，已有报道指出发芽率下降和农业产量显著减少，影响了豆荚和种子数量、重量、株高、生物量和叶面积等变量，这些均与土壤盐分浓度相关。
为了改善和应对这些作物生产力挑战，开发促进更可持续和更具韧性农业的创新替代方案至关重要，重点是在不损害自然资源的情况下提高生产力。一些旨在优化作物养分吸收效率的技术基于聚合物材料，应用于医学、工程和农业等不同领域。
这些聚合物材料在农业中最有前景的应用之一是开发水凝胶（HG）球体，也称为微珠，由生物或化学来源的多糖制成。由于其功能特性，这些材料近几十年来在农业领域获得了关注。尽管它们的形态与传统的聚合物颗粒相似，但这些结构提供了封装活性成分和纳米颗粒的优势，允许生物活性化合物的控释。这种缓释能力减少了土壤物理化学退化过程、农用化学品淋溶以及盐度引起的非生物胁迫。此外，HG球体可用于封装在生物和非生物胁迫条件下具有生物保护功能（生物修复）的生物活性化合物和细菌。这样，减少了储存和运输阶段的污染，促进了植物生长。
在此背景下，本综述旨在全面概述生物活性化合物在水凝胶（HGs）中的封装过程，及其在农业和受非生物胁迫（盐度）和水分胁迫退化的土壤修复中的应用，以提高作物中控释和养分利用效率。首先，对HGs及其农业应用进行了文献计量分析。基于此元分析，讨论了HGs作为农用化学品递送系统的作用，随后介绍了该技术的现状以及对研究格局和HG在农业中使用成熟度的分析。随后，确定了影响其功能性的主要因素以及封装微生物、生物活性化合物和/或农用化学品的最新趋势。最后，确定了在真实农业环境中使用HGs所面临的挑战，并探讨了它们为提高生产力和减轻盐度及水分胁迫影响所提供的机遇。本综述深入探讨了使用生物活性组分作为胁迫条件下农业集约化的策略。本综述的新颖之处在于其聚焦于封装在HGs中的生物活性组分的整合，详细分析了这种组合如何能够强化可持续农业并有助于修复受盐度和水资源短缺影响的土壤。
2. 材料与方法
2.1. 文献检索
于2025年6月15日在Scopus数据库进行了系统性文献检索。该综述根据系统综述和元分析首选报告项目（PRISMA）指南进行。在标题、摘要和关键词中使用了以下关键词：“水凝胶合成”AND“农业”。排除了重复文章、综述文章、会议论文以及非英语撰写的文章。尽管此策略确保了数据集的一致性和可重复性，但使用单一文献数据库和预定义检索字符串可能会排除在其他数据库中索引或使用替代术语发表的相关研究。
2.2. 筛选标准
在分析摘要后，排除了那些未涉及在生物或合成来源的基质中封装微生物或农用化学品以用于农业目的土壤应用的文章。
此外，在Espacenet数据库中进行了专利检索，使用关键词“水凝胶合成”AND“农业”以补充收集的文献。该检索是独立进行的。
2.3. 数据分析与研究领域
在Scopus数据库中进行了检索，该数据库被公认为可靠的数据收集来源之一。为了开展农业领域HGs的研究，使用了VOSviewer 1.6.20版本软件，该软件允许基于共现关系构建文献计量图谱。特别地，生成了关键词共现图谱，将其组织成聚类，并根据术语在文献中共同出现的频率定义为彼此密切相关的术语组。同时，开发了时间可视化以识别这些术语随时间的演变。探索性和描述性分析的工作流程如图1所示。
3. 结果与讨论
检索识别出743条记录，仅有一篇重复文章，最终总计742篇文章。对摘要进行了初步阅读，以筛选不符合选择标准的文章，排除了与农业应用无关或专注于药理学和医学研究的文章。应用选择标准后，剩余548篇文章，将用于撰写本综述文章。经过此筛选过程，呈现了农业中HGs的全面概述，结构如下：（1）农业中HGs研究的主题结构和演变；（2）HGs作为递送系统的作用；（3）研究格局和技术成熟度水平；（4）影响水凝胶在农业中功能性的因素；（5）封装微生物、生物活性化合物和农用化学品的最新趋势；以及（6）水凝胶在农业中面临的挑战。
3.1. 农业中水凝胶研究的主题结构与演变
VOSviewer软件是一种根据关键词相似性绘制文献信息和图形表示图的创新工具。在本研究中，文献计量分析能够识别2003年至2024年期间应用于农业的HGs领域的主要研究趋势。结果被分为四个主要聚类（图2a），代表了过去二十一年文献库中可用的信息。第一个聚类（绿色）涵盖了与HGs在土壤中应用相关的文献，如保水和释放速率。第二个聚类（红色）聚焦于纳米颗粒（从使用木质素和其他多糖等材料合成纳米凝胶到纳米复合水凝胶）。第三个聚类（黄色）与土壤中的吸附过程相关（动力学、相互作用和重金属吸附）。最后，第四个聚类（蓝色）涉及HGs的主要配方组分（单体、配方、共聚和交联）。
此外，还应用了随时间变化的趋势分析（图2b）来定义近期研究领域。分析显示，第一个聚类（与土壤应用、沙质土壤保水处理以及某些农用化学品的缓释相关的方法）对应于最新的研究（黄色≥2020），而2015年至2020年间进行的研究更侧重于HG配方。最后，当前趋势更与农业应用技术相关，如高吸水性聚合物和共聚。
3.2. 水凝胶技术作为递送系统在农业发展中的作用
水凝胶是具有高吸水能力的三维聚合物材料。其中，高吸水性水凝胶是一类特殊的亲水性聚合物网络，能够吸收和保留大量水分或水溶液，同时保持其结构完整性而不溶解。这些高吸水性结构可以保留大量水分并逐渐释放所保留的内容物，使水和生物活性化合物能够以持续的方式在植物根区可用，这对于非生物胁迫条件下植物的发育至关重要，如图3示意所示。
在传统灌溉系统中，大部分施用的水通过蒸发或渗入更深土层而损失，这限制了其向根部的可用性，并导致作物水分胁迫。在这种情况下，使用HGs作为控释递送系统代表了一种有效的替代方案，可以节约土壤水分并减少灌溉频率，同时促进养分、植物激素、农药或有益微生物的逐渐和局部递送。
HGs在农业应用中的功能性不仅仅在于其保水能力。可以开发具有控释特性的配方，封装活性成分并以受调节的方式递送它们，从而优化其有效性并减少因过量使用农药造成的环境影响。一种常见的方法是使用聚合物基质，其中活性化合物溶解或均匀分布，随着HG溶胀或降解而允许持续释放。
通过减少农业投入品因淋溶或蒸发造成的损失，HGs有助于实现更清洁、更具成本效益和气候适应型的农业。将其纳入集约化生产系统可以在向可持续农业模式过渡中发挥关键作用，通过提高水分利用效率、减少农用化学品污染以及提高退化土壤或受水分胁迫影响土壤的生产力。
3.3. 农业中的水凝胶：研究格局与技术成熟度水平
如图4a所示，应用于农业的HG合成领域在过去二十年中研究活动显著增长，大约从2003年开始。在早期，该领域的科学产出有限，反映了这项技术的新兴性质及其初步探索阶段。然而，自2021年以来，观察到出版物数量呈指数级增长，在743项检索到的研究中，有559项（75.2%）发表于2021年至2024年间，表明人们对使用HGs作为缓解作物水分胁迫的技术解决方案的兴趣日益浓厚。这一兴趣在2024年得到巩固，该年记录了约198篇出版物，标志着年度科学产出的显著高峰。
这种加速增长可能归因于全球对开发更可持续和高效农业解决方案的需求，凸显了HGs作为高吸水性材料的潜力。这些系统不仅改善了保水性，还使得细菌、纳米颗粒、微量营养素和其他生物活性化合物得以封装。此外，它们由低成本的生物和化学来源聚合物材料合成，增强了其在多样化农业背景下的适用性。
在2019年至2023年间，年均出版物数量约为89篇，表明对该领域的兴趣持续且稳定。在地域贡献方面，中国和印度领先科学产出，分别约有228篇和107篇出版物，占比30%和14%，反映了这些国家在应用于农业的HGs和生物技术封装研究方面的重大投资（图4b）。这些国家在HG应用研究上的成功与亚洲的绿色革命有关，该革命推动了对先进农业技术的投资。其次是美国，有近46篇出版物，而伊朗、巴基斯坦、巴西和韩国等其他相关国家各自产出了超过30篇出版物。欧盟内部的其他国家在专门针对应用于农业的HGs出版物上参与度较低，尽管一些欧洲国家在更广泛领域（如材料科学或生物医学）的HG研究中发挥着重要作用。
这种地域分布凸显了国际社会对HGs作为减少水足迹、提高作物韧性和促进大规模农业系统全球粮食安全的潜在途径的共识。尽管拉丁美洲整体在专门针对应用于农业的HGs出版物上参与度较低，但巴西已成为该地区推动这一研究领域的国家之一，部分原因是农业在其经济中的结构性重要性以及第一代作物的主导地位，这些作物对水分利用效率解决方案有很高的需求。这一事实为开发适应其农业气候条件和农业出口生产需求的生物技术解决方案开辟了道路。
过去十年出版物的持续增长凸显了这项技术日益增长的相关性，不仅因为其技术有效性，还因为其低成本和与可生物降解材料的兼容性，这允许掺入促进土壤健康的微生物或生物活性颗粒。尽管兴趣日益增长，但目前大多数关于HG合成的研究仍处于较低的技术就绪水平（TRLs），主要介于TRL 3和4之间，对应于实验室研究和原型验证。只有少数研究达到了TRL 6，即在试点工厂规模上证明了功能性；然而，这些研究仍然很少，需要更多时间来验证其在真实条件下的性能，优化工艺可扩展性，并确保所开发系统的技术和经济可行性。总的来说，HG研究涵盖从TRL 1到TRL 6，从概念开发到受控环境中的产品验证。向更高水平（TRL 8-9）的进展，这是商业实施所必需的，涉及克服与工业可扩展性、运营稳定性和盈利能力相关的挑战，以及使商业利益与可持续性标准和环境法规合规性保持一致。这一技术差距凸显了需要加大对研究、创新和公私合作的投入，以促进HGs从实验室向大规模工业应用的转变。尽管挑战重大，但在致力于开发可持续农业技术的政府、研究机构和公司的协调支持下，这一挑战是可以克服的。
值得注意的是，在Espacenet数据库中进行的检索，使用关键词“水凝胶合成”AND“农业”，揭示了专利领域的活跃格局，主要侧重于改善吸水性和通过开发具有农业应用的高吸水性材料来封装生物活性颗粒。共识别出58项专利，其中一些在表1中呈现。这些专利根据HG开发的重点分为五类：（i）用于农业及其他领域的HG合成（31.03%）；（ii）营养素和其他功能化合物的封装（13.79%）；（iii）旨在改善HG性能的添加剂或设计修改的开发（24.14%）；（iv）用作金属和其他污染物吸附剂的HG合成（6.90%）；以及（v）其他专利（24.14%）。
总的来说，这些发明提出了各种创新配方，结合了生物来源的材料，如壳聚糖、淀粉，以及功能化合物，包括石墨烯衍生物，旨在合成具有更高交联能力的HGs，从而提高其作为高吸水性剂的性能。其他研究表明，这些HGs结合了细菌遗传资源、微生物或其他生物来源，使其能够赋予额外的生物活性特性，并扩大其在农业应用中的功能潜力。
许多这些专利详细说明了优化温度、组分比例和凝胶化条件等参数的具体技术程序，以及它们不仅在农业中而且在林业等领域的应用。此外，一些申请涉及这些HGs储存盐分、肥料和农用化学品的能力，作为控释系统发挥作用。然而，在其中几个案例中，所提及的功能特性并未经过实验验证，仍处于理论或概念阶段。专利领域的这一趋势反映了将HGs转化为功能性、低成本且适应性强的材料的持续兴趣，这些材料能够在水分胁迫和其他非生物因素下改善作物条件，与全球推动绿色、高效和生物基技术发展的趋势一致。
3.4. 水凝胶的分类
HGs的分类不是一维的；相反，它包含多种分类方案，从合成原料的性质、聚合物组成、交联过程、结构架构、形态和聚合物网络的电荷，到它们对环境刺激的响应性以及每个应用领域的具体要求。
根据聚合物来源，水凝胶被分为天然、合成和半合成或混合系统。天然水凝胶由源自自然的生物大分子组成，如海藻酸盐、壳聚糖、纤维素、胶原蛋白、明胶和果胶等。另一方面，合成水凝胶由石油衍生的单体生产；在农业中最广泛使用的包括聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、甲基丙烯酸2-羟乙酯（HEMA）和聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM），它们以其非凡的高吸水性溶胀能力而著称。
混合或半合成系统源于天然聚合物的化学改性，例如纤维素的羧甲基化，以将合成链接枝到可生物降解的主链上。这一类别还包括将无机填料（如粘土、生物炭和纳米二氧化硅等）掺入聚合物基质中。关于其大分子组成，这些结构细分为均聚物（单一单体种类）、共聚物（两种或多种单体）、互穿聚合物网络（IPNs，两个缠结的网络）和半互穿聚合物网络（semi-IPNs，未交联网络内的线性链）。
水凝胶还根据其内部物理结构（无定形和半结晶）进行区分：无定形链随机取向，而半结晶系统表现出有序的结晶域嵌入无定形基质中（如纳米晶纤维素水凝胶的情况）。
基于农业土壤应用中封装形态的分类是控制生物活性化合物释放的关键因素。区分了两种主要构型：基质微球（包埋基质），其将活性成分均匀分布以通过扩散和侵蚀进行连续释放，以及核-壳微胶囊。后者将生物质容纳在由聚合物壳保护的核内，该壳充当抵抗干燥、渗透胁迫和紫外线辐射的物理屏障，从而优化系统渗透性和微生物存活率。
这些不同分类标准的共存既不是表面的，也不是纯粹描述性的；每个物理化学类别都对机械稳定性、溶胀动力学、生物降解速率、渗透响应以及与封装的活性成分或生物体的相容性施加直接限制。水凝胶分类与土壤性能之间的相互作用表明，选择水凝胶类别不是一个任意参数，而是一个核心设计决策，它决定了控释系统的成功，特别是当水凝胶作为活微生物的载体时。
3.5. 合成方法
HGs的合成可以通过多种方法进行，这些方法通常分为物理和化学技术。物理技术包括冻融循环、离子相互作用和老化。这些策略的特点是消除或最小化有毒试剂的使用，这是材料可持续性的关键因素。
另一方面，化学技术包括各种聚合方法（本体、辐射和溶液共聚）、接枝和点击化学，它们提供了优越的可扩展性指标。最近，出现了创新技术，如乳液模板、酶促交联和3D打印，使得能够合成具有高精度结构控制的HGs。最终，选择理想的合成方法在很大程度上取决于所需的交联类型、聚合物的化学性质、预期的最终应用以及所需的生物相容性。
3.6. 影响水凝胶在农业中功能性的因素
HGs在农业应用中的功能性取决于决定其田间性能的多个因素。这些因素包括配方参数、土壤气候条件和农业功能特性。图5提供了需要仔细考虑和控制以提高HGs在田间功能性的变量的综合概述。
3.6.1. 关键配方参数
功能性HGs的设计取决于几个决定其物理化学性质和在农业应用中性能的配方参数。其中最相关的是单体类型、聚合过程和封装化合物的释放动力学。特别是，单体类型构成了HG的结构基础，因为它定义了聚合物网络中存在的亲水基团的性质和密度。这一特性直接影响吸水能力，因此更高密度的亲水官能团促进保水性和材料性能的提高。
第二个参数是交联剂，它通过共价键连接单体链，生成三维网络结构。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）在聚合物从液态转变为凝胶或固态的过程中起着关键作用。此外，这些试剂可以改变HG的关键性质，如弹性、粘度、溶解度、强度和韧性。除了共价交联，离子和物理交联也被广泛使用，特别是在多糖基水凝胶中。离子交联，常用于海藻酸盐、壳聚糖和羧甲基纤维素水凝胶，依赖于多价阳离子来稳定聚合物网络并调节机械强度、孔隙率和溶胀行为。物理交联基于可逆的非共价相互作用，如氢键、静电相互作用和链缠结，这提供了自修复能力。例如，基于几丁质纳米纤维的水凝胶已通过尿素的热分解进行物理交联，这促进了氨基的去质子化，减少了静电排斥，并诱导纳米纤维缠结形成稳定的三维网络，展示了其作为缓释肥料以改善土壤健康的潜力。
配方中的第三个关键参数是引发剂，它对单体的聚合至关重要。这种化合物，如过氧化苯甲酰或过硫酸铵，激活聚合物链的形成。例如，Liu等人使用过硫酸铵作为引发剂合成了一种生物基高吸水性HG，该HG在8小时后表现出88.8%的保水率。
第四个参数是中和度（DN），它通过改变离子基团的数量及其在溶液中的行为直接影响聚合物的结构和功能。适当的中和度改善了交联和吸水；然而，过量的中和度会产生负面影响，如自交联或离子屏蔽。
第五个参数是HG电荷。基于此，它们可以分为离子型和非离子型。离子型HGs与介质中存在的阳离子（胺）或阴离子（羧酸盐或磺酸盐）进行静电相互作用。例如，Haripriya和Vijayakrishna等人研究的基于丙烯酸或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷的HGs具有赋予阴离子特性和高吸水能力以及污染物吸附系统的羧酸根基团。Hydayat等人进行的一项研究开发了一种基于海藻酸盐的HG与丙烯酸，用于封装鸟粪石并改善盐渍土壤中养分的控释。另一方面，非离子型HGs不具有净电荷，吸水主要通过氢键发生。一种方法是Omar和Alsharaeh等人的研究，其中评估了基于聚丙烯酰胺的HG以改善沙质土壤的保水性，这是一种非离子型HG。其他组分，如聚乙烯醇（一种非离子聚合物）和丙烯酸，已证明具有更强的耐盐性和更高的吸水能力。另一个例子是聚丙烯酸钠，一种阴离子聚合物，用作HG，已成功用于沙质土壤的农业试验。在这种类型的土壤中，使用HGs不仅增加了植物生长，还促进了养分吸收和积累，从而提高了肥料利用效率。
最后一个参数对应于HG形态，包括厚度、尺寸、孔隙率和表面电荷，这些直接影响其吸水性能和/或生物活性化合物的释放。已证明，明确的多孔结构有利于保水和化合物的控释。考虑到这些特性，海藻酸钠因其生物相容性而成为合成可生物降解HGs中使用最广泛的多糖之一，尽管其机械强度有限。在一项研究中，Abdukerim等人评估了使用负载枯草芽孢杆菌ZF71的海藻酸盐基HG包衣黄瓜种子，用于防治由镰刀菌引起的根腐病。结果显示形成了具有高密度活细胞的生物膜样结构，提高了系统功效并将疾病发生率降低了53.26%。
3.6.2. 土壤气候条件对水凝胶功能性的影响
第二个基本因素与HG施用地的土壤气候条件有关。由于土壤类型和气候条件的多样性，这些条件对HG性能起着至关重要的作用。例如，已知温度强烈影响封装养分的释放，呈直接正比关系，温度越高释放越多。土壤pH被认为是土壤化学中的关键变量，因为它决定了植物养分的有效性。在HGs中，其活性也受到影响；例如，酸性pH适合不同官能团的释放和解离，而碱性pH会降低溶胀并导致较低的扩散速率或养分释放。水凝胶的pH响应性溶胀行为受其化学组成严格控制，特别是受可电离官能团的类型和密度以及聚合物网络架构的影响。在含有羧酸根或磺酸根基团的阴离子水凝胶中，当pH升高超过pKa时，由于官能团去质子化，溶胀通常会增加，这增加了网络内的静电排斥和渗透压。相反，富含氨基的阳离子水凝胶在酸性条件下表现出更大的溶胀，因为质子化增加了正电荷密度，而在碱性条件下，随着聚合物链收缩，溶胀减少。含有阴离子和阳离子基团的两性水凝胶表现出更复杂的溶胀行为，因为两种电离机制同时发生。此外，网络组成也起着重要作用，因为增加交联密度通常会减少自由体积和吸水，而掺入亲水性或可电离单体则增强了pH敏感性。在农业条件下，溶解的盐和多价阳离子可能通过电荷屏蔽或形成额外的离子交联进一步减少溶胀，从而影响水、养分和农用化学品从水凝胶基质中的释放。
HG施用时的土壤水分条件也很重要。在最佳水分条件下施用HG可提高发芽率和根系生长。此外，有机质含量、盐度和土壤类型等土壤参数会影响HG的生物降解性。例如，当农业土壤中的有机质含量较低时，由于土壤微生物将HG用作碳源，生物降解性更高。相比之下，在自然土壤或盐渍土壤中，生物降解性较低，因为这些土壤的酸性pH和高盐浓度分别会减缓HG的生物降解。
最后，另一个相关的土壤方面是饱和导水率，这是农艺学和土壤科学中的一个关键参数。HG添加对该性质的影响显示出不一致的结果，因为它在很大程度上取决于土壤质地和HG浓度之间的相互作用。在某些情况下，其掺入可能导致孔隙堵塞和土壤颗粒、HG与水之间摩擦的增加，最终减少进入土壤剖面的水分入渗。
土壤微生物活性可以通过掺入HGs而改变，特别是当它们作为微生物或生物活性化合物的封装基质时，从而影响微生物群落的结构和多样性。在根际，HGs通过促进微生物相互作用和相关的功能过程产生有益效果。例如，Wang等人证明，枯草芽孢杆菌等细菌可以将六价铬含量降低17%，同时还显著增加了与重金属胁迫耐受性相关的其他功能细菌种群（变形菌门、放线菌门和绿弯菌门）的丰度，这有力地促进了微生物之间的相互作用和关联。同样，Abdukerim等人评估了掺入枯草芽孢杆菌ZF71的HG应用于黄瓜种子以防治由镰刀菌引起的根腐病，观察到疾病发生率降低了53.26%。使用HG产生的其他效应包括增加土壤基础呼吸和土壤微生物活性。
3.6.3. 水凝胶应用中的农业功能因素
HG性能的最后一个决定因素与农业功能特性有关。这些涉及施用方式、剂量、作物类型和HG类型。例如，Kumar等人使用印度农业研究所（新德里）开发的Pusa HG评估了玉米的生产力，将HG与干土以1：10 w/w的比例混合在10厘米深度，使用两种不同剂量，2.5和5 kg ha?1，以及一个不含HG的对照组。玉米的生长和产量结果显示，在较高剂量（5 kg ha?1）下，产量高出10%。在另一项由Zangana和Aljburi等人进行的研究中，评估了HG（Real Fine）在不同土壤水分条件下播种小麦之前的效果。每3 m2施用24克HG，大约在7-8厘米深度，施用在播种行中，在充足灌溉条件（喷灌）和水分胁迫条件下进行。在充足灌溉条件下使用HG的处理实现了约3.3 t ha?1的籽粒产量，而未使用HG的对照为2.8 t ha?1。
在降水稀少且土壤为沙质或砂壤土的地区，有限的保水能力和通过渗漏造成的高水分损失是限制作物生长和生产力的关键因素。在这些条件下，使用HGs已被证明是改善根区水分可用性和减轻水分胁迫的策略。例如，Yang等人评估了在干旱半干旱地区砂壤土上建立的玉米作物中，土壤施用HGs和叶面施用黄腐酸的组合效应。HG在播种时以两种剂量（0和45 kg ha?1）施用于20厘米深度，而黄腐酸以1和2 g L?1的浓度叶面施用。结果表明，未使用HG的处理籽粒产量从8.3 t ha?1增加到掺入该材料时的9.4 t ha?1。这一增加主要归因于砂壤土保水能力的提高、渗漏损失的减少以及由此导致的植物水分胁迫的降低。
报道的HG生命周期主要根据所用材料的类型而变化。一般来说，生物来源的HGs由于其在土壤中更容易受到微生物降解，寿命较短，而合成来源的HGs往往表现出更大的结构稳定性。然而，除了材料类型之外，HGs的持续时间和有效性还取决于环境条件、土壤特性和施用时间。Kumar等人估计，HGs的寿命范围在2至5年之间，具体取决于土壤和气候因素。同样，Yang等人观察到，在两年周期内施用高吸水性聚合物在评估的第二年产生了更高的产量，这归因于材料在土壤中的累积效应。
HG的生命周期至关重要，因为它会增加作物系统的成本。对于生物来源的HGs，其降解比使用合成材料生产的HGs快得多。然而，恢复因集约化农业而退化的土壤的成本因对土壤的影响和恢复策略而异，估计约为185美元/公顷至3012美元/公顷。此外，退化土壤的恢复时间超过10年。因此，在作物系统中采用HGs代表了一种功能性替代方案，通过提高水分利用效率来减轻退化过程，对系统可持续性和作物生产力都有积极影响。然而，水凝胶在田间条件下的长期农艺和环境性能仍未得到充分记录。特别是，需要进一步研究来评估其在土壤中的持久性、生物降解行为以及在不同种植系统下的成本效益，然后才能完全支持其大规模采用。
4. 水凝胶球体中微生物、生物活性颗粒和农用化学品封装的最新研究趋势
将生物活性化合物整合到水凝胶基质中可以通过各种封装策略实现，其中凝聚和乳化因其能够保护功能剂并调节其从聚合物基质中的释放而使用最广泛。因此，在HG球体中的封装已成为一种有前景的策略，用于保留和控释各种功能剂，包括微生物、生物活性颗粒和农用化合物。
对于微生物而言，该技术已被广泛应用于提高其在土壤或根际中的稳定性、活力和逐渐释放。多项研究报告了具有农业潜力的物种的封装，包括哈茨木霉、巴西固氮螺菌Sp7和FP2（野生型）、氧化硫硫杆菌和枯草芽孢杆菌。尽管每项研究都有具体目标，但共同目的是提高农业生产力，特别是增加各种水果、园艺和豆类作物等的产量。
功能性HGs的一个关键指标是封装效率，如前所述。这是通过琼脂培养基中的菌落形成单位数量来确定的，反映了微生物有效固定的程度。然而，这些系统的有效性不仅取决于物理封装能力，还取决于所用菌株的生理和代谢特性。在这方面，遗传工程和基因编辑工具已开始用于优化封装微生物的性能并增强其在土壤中的有益功能。例如，Shafi等人描述了使用CRISPR-Cas系统对植物促生根际细菌（PGPR）进行分子操作以改善铁载体产生的进展，铁载体是根际铁捕获和可用性的关键化合物。Gou等人的研究是遗传工程应用于PGPR潜力的另一个例子。在这项工作中，作者对芽孢杆菌菌株进行了基因改造，以增加抗菌化合物的产生，这显著增强了其抑制植物病原细菌的能力。同样，Nie等人证明，基于CRISPR系统的工具可用于重编程绿针假单胞菌的代谢，从而优化与生物防治和环境胁迫适应相关的代谢物合成。Chauhan等人采用的另一种方法使用解淀粉芽孢杆菌SN13和水稻作为模型系统，以揭示盐胁迫下植物-PGPR相互作用的调控网络。接种SN13增加了生物量、相对含水量以及脯氨酸和可溶性糖的积累，同时减少了脂质过氧化和电解质渗漏，通过组学技术证明了盐度下的实质性生理改善。这些策略允许设计具有更强功能能力的微生物菌株，这在用于HG封装系统时尤其相关，因为它提高了接种剂的生物效率及其在土壤中释放后的性能。
通过基因改造细菌以提高其产生目标代谢物的能力是有前景的；然而，使用CRISPR-Cas9等工具不仅限于微生物，也已应用于植物，提供了增加其韧性、生产力和生物活性化合物合成的可能性。然而，其大规模实施引发了重要的伦理和监管问题，例如对生态系统可能产生的意外影响、基因向野生近缘种的转移、对生物多样性的影响以及技术利益获取的不平等。由于这些不确定性和异构的监管框架，一些国家采取预防性立场，限制或不授权使用CRISPR-Cas9进行基因编辑植物的种植。
在HG基质中封装PGPR或其他微生物提供了一种替代策略，以保护修饰或未修饰的微生物，保持其活力并在根际逐渐释放其化合物。该技术优化了它们在非生物胁迫土壤中的生物刺激和生物防治活性，构成了一种加强土壤健康和改善农业生产力高效工具。
另一方面，HGs可以封装源自微藻的生物活性颗粒，其中包括多种活性化合物，如类胡萝卜素、多糖、生物活性肽和维生素。同样，源自微藻的其他具有生物活性的代谢物是生物刺激素，它们不仅调节生理过程，还优化作物生产力、改善养分吸收、减少肥料使用并提高其效率。微藻生物质含有高含量的植物激素，被认为是生物刺激素，富含生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯、油菜素内酯、水杨酸、茉莉酸和独脚金内酯。将基于微藻的生物刺激素用于作物改良是一个最近的研究领域，被认为是减少土壤退化和加强作物对非生物胁迫韧性的有效生态替代方案。然而，它在使用中存在一些局限性，源于配方缺乏标准化，导致结果不一致，以及缺乏监管。缺乏监管框架限制了其比较评估和商业接受度。
最后，在由可生物降解材料制成的HGs中封装农用化学品构成了一种有前景的策略，用于农业中必需养分的控释，其中氮是植物生长最相关的养分之一。在氮源中，尿素已被广泛研究用于封装系统，以提高其效率并减少淋溶损失。在一项方法中，Pandya和Mungray等人应用了壳聚糖基质与卡拉胶核中的离子凝胶化（CK-CU 10），实现了121%的溶胀指数和从0.350克初始浓度中70.4%的尿素控释。同样，其他研究采用海藻酸盐基质用于尿素的缓释，显示出养分效率的改善及其对作物的逐渐可用性。
此外，不仅有机肥料已被封装，还报道了构建智能农药释放系统，如B-氯氰菊酯，在称为OMt/Alg/PNIPAM的HG基质中具有环境刺激敏感特性，农药负载量为82.06%，释放量为3.9%，最大限度地减少了环境污染。农药敌敌畏从2000 ppm农药溶液中封装在HG基质中。其释放量在44小时后为1024.4 ppm，具有非菲克扩散机制，这意味着敌敌畏的释放速率与HG基质的松弛时间相当。封装不同化合物的可能性取决于农民在可持续性和改善农业生产框架内的需求。表2总结了关于微生物、生物活性颗粒和农用化学品封装的最重要文章。
对表2的综合分析证明了可持续农业材料设计的范式演变，从纯保水土壤调理剂向智能和多功能基质系统转变。这项技术的核心在于聚合物基质的化学组成与其物理化学性质之间的密切关系。观察到合成丙烯酸聚合物（用纤维素纳米填料改性，如与纤维素纳米晶体或纳米纤维互穿的聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）网络）与由天然生物聚合物（如海藻酸盐、壳聚糖、淀粉或芦荟）组成的基质之间存在明显对比。虽然交联的合成基质实现了从14,700%到41,200%的巨大溶胀指数，但天然生物聚合物表现出更适中的吸水能力（在121%至2630%之间）。然而，天然基质中较低的保水性被显著优越的生物相容性所抵消，这是有益微生物细胞固定化的基本方面。
由改性多糖配制的基质在两周至三个月的时间内显示出40%至94%之间的生物降解率，将其定位为生态安全的替代品。然而，检查当前文献中的应用规模揭示了一个工业放大的关键差距：超过80%的研究仅限于实验室试验或温室条件下的盆栽试验，开放田间研究的代表性不足。
5. 水凝胶在土壤中的环境注意事项
尽管已经描述了在农业应用中使用HGs的众多优势和益处，但必须仔细考虑其降解副产物对环境影响的担忧。为了最大限度地减少这种生态足迹，许多研究集中于HGs的可持续设计，优先考虑材料的生物降解性和生物惰性。其中，设计用于在降解时释放惰性和无毒化合物的混合聚合物尤为突出，为农民提供了季节性施用HG不会导致聚合物残留物在土壤中逐渐积累的保证。
为减轻这些影响而考虑的其他策略包括应用绿色化学原理和在功能聚合物设计阶段整合生命周期评估（LCA）。同样，必须特别注意功能性HGs的开发和环境行为，因为它们与土壤基质的相互作用可能引发不利影响，如不必要的养分固定化或土壤微生物群落的改变。评估这些因素对于保证这项技术的整体可持续性至关重要。
6. 批判性评估、矛盾发现与研究空白
尽管水凝胶已证明在改善农业保水和控释方面具有相当大的潜力，但其大规模实施仍存在若干不一致之处。主要争议之一涉及其经济可行性。一些研究报告了与减少灌溉需求和增加作物生产力相关的正收益-成本比，特别是在水分受限的条件下。例如，Songara和Patel报告称，瓜尔胶基水凝胶使作物产量增加了5.5-8.0%，土壤水分提高了10.5-17.0%，2.5和5 kg ha?1瓜尔胶基水凝胶的收益-成本比分别为2.7和2.1。相比之下，其他研究发现，由于材料的初始成本高，特别是在发展中国家，水凝胶的应用降低了与传统做法相比的经济回报。例如，收益-成本比从未经处理的对照组的2.15下降到施用10、15、20、25和30 kg ha?1水凝胶后的1.86、1.72、1.52、1.36和1.24，表明增加施用量并不一定能提高经济盈利能力。
另一个重要的差异涉及水凝胶在实验室和田间条件下的性能。通常在蒸馏水条件下报道的吸水能力通常超过1400-600 g g?1，而在农业土壤中测量的值通常低于100 g g?1，原因是盐度、离子强度、土壤压实和多价阳离子。这些差异表明，实验室结果不能直接外推到田间性能，并强调需要在现实的农业环境条件下制定标准化评估协议。
环境可持续性也仍然存在争议。虽然可生物降解水凝胶被提议作为环保替代品，但其降解速率因土壤性质、温度和微生物活性而有很大差异。相反，合成水凝胶可能在土壤中持续存在，产生残留物或微塑料样碎片，并可能改变土壤微生物群落、通气性和养分循环。
7. 水凝胶开发中的挑战与提高农业生产和应对水分及非生物胁迫的机遇
在某种程度上，HG技术满足了可持续农业的基本要求（减少水足迹和实现某些物质的控释），这些要求必须在增加农业生产和减少矿物肥
