王小彬，閆湘，李秀英，孫兆凱，涂成

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081

我國(guó)是嚴(yán)重缺水的國(guó)家，干旱和半干旱耕地面積占全國(guó)總耕地面積的51%[1]。有專家指出，我國(guó)糧食安全的主要限制因子是水資源短缺或有限水資源沒(méi)有得到高效利用。也就是說(shuō)，我國(guó)的糧食安全問(wèn)題，其實(shí)就是水資源安全問(wèn)題[2]。保水劑是一類人工合成的高分子吸水材料，由于具有超高吸水和保水性能，在土壤保水、灌溉節(jié)水、作物保苗、抗旱增產(chǎn)、農(nóng)林園藝、沙漠綠化和水土保持等方面發(fā)揮重要作用，尤其在旱地農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉領(lǐng)域受到關(guān)注[3-4]。為解決干旱地區(qū)農(nóng)林土壤缺水問(wèn)題，從國(guó)家“七五”計(jì)劃（1986—1990）旱農(nóng)科研項(xiàng)目研究開始，以化學(xué)合成聚合物類為主的保水劑作為一項(xiàng)農(nóng)林抗旱保水技術(shù)產(chǎn)品的研制已經(jīng)受到關(guān)注[5]。2005 年黃占斌[4]對(duì)農(nóng)用保水劑應(yīng)用的原理和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)論述，總結(jié)歸納了保水劑的四大作用原理：一是保水劑自身吸水、保水和釋水原理；二是保水劑的改土保水原理；三是保水劑對(duì)肥料和農(nóng)藥等農(nóng)化材料的效應(yīng)原理；四是對(duì)植物生理調(diào)節(jié)的生理節(jié)水原理。研究揭示了農(nóng)林保水劑應(yīng)用對(duì)土壤水分、土壤結(jié)構(gòu)、肥料保持、作物增產(chǎn)和環(huán)境效應(yīng)等方面的直接和間接的影響。

農(nóng)林保水劑是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料登記的產(chǎn)品之一。我國(guó)《農(nóng)林保水劑》（NY 886）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[6]于2004年頒布，2010、2016 和2022 年3 次修改，但至今沒(méi)有相關(guān)配套田間試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。為確保農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的安全有效適用，有必要研究制定該類產(chǎn)品相關(guān)配套的田間試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)林保水劑研發(fā)與應(yīng)用效果等文獻(xiàn)分析，主要涉及：（1）農(nóng)林保水劑產(chǎn)品效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需求；（2）農(nóng)林保水劑效果試驗(yàn)研究；（3）農(nóng)林保水劑效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)；（4）影響農(nóng)林保水劑效果的主要因素分析；（5）關(guān)于農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的環(huán)境安全性，進(jìn)而為農(nóng)林保水劑效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 農(nóng)林保水劑產(chǎn)品效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需求

農(nóng)林保水劑是一類改善土壤水分性狀的土壤調(diào)理劑，是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肥料登記的產(chǎn)品之一。目前農(nóng)林保水劑產(chǎn)品執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 886—2022[6]。根據(jù)NY/T 886—2022 第3.1.1 條，農(nóng)林保水劑是指“用于改善植物根系或種子周圍土壤水分性狀的土壤調(diào)理劑”。其產(chǎn)品是以合成聚合型、淀粉接枝聚合型、纖維素接枝聚合型等吸水性樹脂聚合物和有機(jī)無(wú)機(jī)聚合型為主要原料加工而成，用于農(nóng)林業(yè)土壤保水保肥、種子包衣、苗木移栽或肥料添加劑等[6]。

農(nóng)林保水劑產(chǎn)品原料來(lái)源較多，主要包括淀粉系、纖維素系、聚合物系、蛋白質(zhì)系、其他天然物及其衍生物、共混物及復(fù)合物系，通過(guò)田間試驗(yàn)評(píng)價(jià)產(chǎn)品效果是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的必要環(huán)節(jié)。目前農(nóng)林保水劑的效果試驗(yàn)主要存在以下問(wèn)題：一是試驗(yàn)周期短，某些效果試驗(yàn)選取生菜、小油菜等綠葉菜類蔬菜進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，其生長(zhǎng)周期只有30—40 d，無(wú)法有效對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行效果評(píng)價(jià)；二是評(píng)價(jià)指標(biāo)不清，某些效果試驗(yàn)只針對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，而缺少與“改善土壤水分性狀”相關(guān)的基本觀測(cè)數(shù)據(jù)和量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前我國(guó)已有的《農(nóng)林保水劑》（NY/T 886—2022）[6]推薦性產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和《土壤調(diào)理劑效果試驗(yàn)和評(píng)價(jià)通用要求》（NY/T 2271—2016）[7]等標(biāo)準(zhǔn)均不能用以指導(dǎo)農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的田間試驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)。因此有必要研究制定農(nóng)林保水劑效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)農(nóng)林保水劑生產(chǎn)企業(yè)規(guī)范產(chǎn)品效果試驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)。

2 國(guó)內(nèi)外農(nóng)林保水劑效果試驗(yàn)研究

保水劑或高吸水性樹脂（super absorbent polymer，SAP）的研究可追溯到20 世紀(jì)50—60 年代，早期研究處于實(shí)驗(yàn)室階段，采用的有機(jī)材料如多糖、瓜爾豆提取液、淀粉共聚物，以及大量的人工合成材料包括水解聚丙烯腈（hydrolyzed polyacrylonitrile，HPAN）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）、聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）及其各種共聚物等，主要用作土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑[8]。80 年代后期，美國(guó)等一些國(guó)家對(duì)于高吸水性樹脂作為農(nóng)用保水劑的研究給予很大關(guān)注，其應(yīng)用范圍包括農(nóng)業(yè)、溫室、庭院、菜園或植樹造林、重建植被、機(jī)械化農(nóng)業(yè)、草坪和自然景觀等領(lǐng)域。

據(jù)國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)報(bào)道[5]，以化學(xué)保水劑為主的我國(guó)土壤保水劑的研制和生產(chǎn)起步較晚，系統(tǒng)的應(yīng)用研究從國(guó)家“七五”計(jì)劃（1986—1990）開始。之后，保水劑在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用研究，特別是干旱缺水地區(qū)應(yīng)用保水劑對(duì)土壤水分等物理特性影響及其對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量效果不斷引起關(guān)注。蔡典雄等[3]試驗(yàn)研究表明，保水劑因具有吸水膨脹特性，對(duì)于快速吸持和保蓄水分、消除地表積水、減少土壤蒸發(fā)、提高土壤貯水量，因此可為作物提供較多有效水分，尤其對(duì)于提高砂土有效水分及其持水保水能力效果明顯，這對(duì)緩解作物苗期干旱脅迫極其重要。根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所在山西、河南、甘肅、內(nèi)蒙古、北京、河北、山東、浙江、云南和四川等地開展的保水劑應(yīng)用效果試驗(yàn)研究[5]，保水劑包衣處理的種子提前發(fā)芽，出苗率提高。使用內(nèi)含5%保水劑的種衣劑后，冬小麥增產(chǎn)11%—12%，春玉米增產(chǎn)30%，夏玉米增產(chǎn)14%。保水劑田間施用187.5 kg·hm-2，冬小麥增產(chǎn)15%—30%，蔬菜類增產(chǎn)20%—40%，瓜果類增產(chǎn)12%—40%，塊莖類作物增產(chǎn)14%—25%。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（包括Science Direct、SpringerLink、Wiley Online Library 和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）等）中公開發(fā)表的關(guān)于農(nóng)林保水劑效果試驗(yàn)研究文獻(xiàn)進(jìn)行檢索調(diào)研，收集查閱了1990—2023 年國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研文獻(xiàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等115 篇，其中包括我國(guó)干旱半干旱地區(qū)（如新疆[9-10]、甘肅[11-13]、內(nèi)蒙古[14-19]、寧夏[20-22]、西藏[23]、青海[24]等地）、半濕潤(rùn)偏旱地區(qū)（如吉林[25]、遼寧[26]、北京[27-30]、山西[31-35]、陜西[16,36]、河北[37-38]和河南[39-42]等地）、少數(shù)濕潤(rùn)地區(qū)（如廣東、貴州、重慶等地[43-45]），以及一些干旱半干旱氣候區(qū)的國(guó)家（如伊朗、黎巴嫩、印度、巴基斯坦、斯里蘭卡、突尼斯、烏干達(dá)、英國(guó)、意大利、德國(guó)、波蘭、加拿大和美國(guó)等[46-67]）的相關(guān)試驗(yàn)研究。由國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研分析，保水劑效果試驗(yàn)研究大多實(shí)施于干旱半干旱氣候或干旱缺水條件下，并涉及不同土壤質(zhì)地、作物種類、保水劑類型及其施用方式和用量等，主要考察保水劑對(duì)土壤水分、作物出苗和產(chǎn)量及水分利用效率（water use efficiency，WUE）等的影響。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究結(jié)果表明，保水劑具有改善土壤（尤其砂質(zhì)土）蓄水保水能力，促進(jìn)作物抗旱保苗增產(chǎn)和改善WUE 等作用，尤其對(duì)于干旱缺水地區(qū)節(jié)水增產(chǎn)具有積極作用。

3 農(nóng)林保水劑應(yīng)用效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

表1 是對(duì)近十多年來(lái)（2006—2019 年）我國(guó)干旱半干旱（如新疆[9-10]、甘肅[12]、內(nèi)蒙古[15,18-19]、寧夏[20-21]、西藏[23]等地）以及半濕潤(rùn)偏旱地區(qū)（如陜西[36]和河南[40-42]等地）農(nóng)林保水劑效果試驗(yàn)研究文獻(xiàn)中關(guān)于保水劑效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析匯總。結(jié)果顯示，保水劑處理的平均增產(chǎn)率和平均WUE 增幅分別為11.5%（-6.9%—50.7%）和15.6%（-4.3%—65.3%）；一些地區(qū)作物的保水劑效果試驗(yàn)出現(xiàn)減產(chǎn)或增產(chǎn)效果不明顯[9-10,15,20-21,23,41-42]，其原因可能涉及地區(qū)水分條件、保水劑類型及其應(yīng)用措施等各種因素的影響。通過(guò)對(duì)保水劑田間效果試驗(yàn)（包括不同地區(qū)氣候條件、水分狀況和土壤質(zhì)地對(duì)不同作物種類的保水劑應(yīng)用（包括保水劑類型及其施用方式及用量）對(duì)土壤水分、作物出苗、作物產(chǎn)量及其WUE 等影響）的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而提出適用于農(nóng)林保水劑效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括土壤貯水量、作物耗水量、作物產(chǎn)量及其WUE 等指標(biāo)。此外，農(nóng)林保水劑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益也是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)者所關(guān)注的一個(gè)重要指標(biāo)。

表1 農(nóng)林保水劑應(yīng)用效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)（2006—2019 年）Table 1 Assessment indicators on the application efficacy of super absorbent polymer (SAP) for agriculture and forestry (2006-2019)

由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上保水劑的價(jià)格相對(duì)較高（高達(dá)45 元/kg），一些地區(qū)作物的保水劑應(yīng)用出現(xiàn)負(fù)收益或增產(chǎn)不增收。如杜太生[13]在位于干旱地區(qū)的甘肅民勤縣小壩口灌溉試驗(yàn)站（年均降雨量110 mm，補(bǔ)灌 750 mm）砂壤土春小麥-玉米作物的保水劑（聚丙烯酸鈉型（PAA(Na)），用量分為15 和30 kg·hm-2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，保水劑低用量（如 15 kg·hm-2）處理下對(duì)產(chǎn)量影響不大，且出現(xiàn)負(fù)收益（-104 元/hm2）。有試驗(yàn)研究表明，從保水劑的施用方式來(lái)看，種子包衣或拌種處理保水劑用量較少，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠[37]，但對(duì)土壤水分的影響不大，保水效果相對(duì)較小[13]；而溝施或穴施處理保水劑用量較大，生產(chǎn)投入成本相對(duì)高，但對(duì)土壤保水效果較好[13,38]。如高會(huì)東等[38]在河北邯鄲旱地輕壤褐土比較保水劑種子包衣和穴追施處理對(duì)夏花生土壤的保水效果，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)2 種施用方式下土壤含水量分別為13.3%和15.7%，表明保水劑穴追施保水效果優(yōu)于種子包衣。因此，建議對(duì)于有灌溉條件的土壤可采取保水劑種子包衣，而對(duì)于無(wú)灌溉條件的土壤，采取保水劑溝施或穴施。從保水劑應(yīng)用的作物種類來(lái)看，保水劑用于玉米、小麥等傳統(tǒng)作物，由于糧食價(jià)格較低，增收效益可能不明顯，而對(duì)附加值較高的種植業(yè)如花卉、蔬菜、瓜果等，應(yīng)用保水劑的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高[13]。如鄒超煜等[16]通過(guò)對(duì)旱農(nóng)地區(qū)不同種類作物的保水劑應(yīng)用效果試驗(yàn)得出，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)干旱區(qū)（年均降雨量142.7 mm）不同作物種類（如向日葵、玉米、春小麥和番茄等（分別補(bǔ)灌255、540、330 和100 mm））的保水劑（PAA(Na)型），用量為45 kg·hm-2）應(yīng)用收益依次為：向日葵（11 476 元/hm2）、玉米（6 034 元/hm2）、番茄（1 775 元/hm2）、春小麥（1 528元/hm2），其增產(chǎn)率分別為27%、31%、11%和23%；在陜北安塞干旱半干旱區(qū)（年均降雨量549.1 mm）不同作物種類（如馬鈴薯、西瓜和玉米等）的保水劑（ 丙烯酸/ 丙烯酰胺- 無(wú)機(jī)礦物復(fù)合型（AA/AM-Atta））應(yīng)用收益依次為：馬鈴薯（22 536元/hm2）、西瓜（2 637 元/hm2）、玉米（1 908 元/hm2），其增產(chǎn)率分別為約57%、35%和增產(chǎn)率18%。說(shuō)明保水劑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益受到地區(qū)水分條件的影響，還與其施用方式及用量、施用于作物種類以及保水劑的成本等因素有關(guān)。

4 影響農(nóng)林保水劑應(yīng)用效果的主要因素

綜上試驗(yàn)結(jié)果（表1），如果參考農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《肥料登記指南》（附件5 登記肥料肥效試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程（暫行）要求“田間試驗(yàn)結(jié)果平均增產(chǎn)率5%以上”[68]，一些地區(qū)作物的保水劑效果試驗(yàn)出現(xiàn)減產(chǎn)或增產(chǎn)效果不明顯[9-10,15,20-21,23,41-42]，還有的出現(xiàn)負(fù)收益或增產(chǎn)不增收[13]，說(shuō)明保水劑對(duì)作物的應(yīng)用效果受到地區(qū)氣候環(huán)境、水分狀況和土壤質(zhì)地等條件的影響，不同地區(qū)作物類型對(duì)保水劑類型及其施用方式和用量的有效性和適宜性也不同，可能涉及一種或多種因素的影響。

4.1 水分條件

研究表明[5]，保水劑主要應(yīng)用于干旱缺水條件，然而，保水劑不是造水劑，通常在旱地土壤上使用時(shí)一般應(yīng)在雨季前施用，才有利于發(fā)揮保水劑蓄納雨水的功能。對(duì)隨作物種子一起施用保水劑（非拌種）情況，土壤墑情需在出苗臨界水分以上3—5 個(gè)百分點(diǎn)為宜，而在出苗臨界點(diǎn)或以下將會(huì)產(chǎn)生相反的結(jié)果。雷巧等[41]在河南鄭州半濕潤(rùn)偏旱區(qū)砂質(zhì)潮土上小麥不同水分處理（灌水量按0—40 cm 土層田間持水量（FC）的20%、40%、60%和80%）的保水劑（用量為45 kg·hm-2）效果試驗(yàn)顯示，F(xiàn)C 的20%和80%水分處理和FC 的40%和60%水分處理的小麥增產(chǎn)率分別為2.2%—2.9%和12.4%—15.8%，WUE 增幅分別為4.0%—5.1%和15.1%—18.3%，表明土壤水分過(guò)少或過(guò)多都會(huì)影響保水劑的施用效果。李中陽(yáng)等[42]在河南新鄉(xiāng)半干旱區(qū)黏壤土上冬小麥滴灌（越冬水+拔節(jié)水+灌漿水共180 mm）下的保水劑效果試驗(yàn)顯示，3 種類型保水劑（PAA(Na)型、淀粉接枝AA 型和PAM 型，兩個(gè)用量為30 和60 kg·hm-2）的小麥增產(chǎn)率分別為2.4%—2.7%、1.3%—3.6%和3.2%—5.0%，其施用效果不明顯可能與該區(qū)小麥生育期滴灌補(bǔ)水，加之黏壤土持水狀況較好，作物水分脅迫較小有關(guān)。李磐等[9]在新疆阿克蘇地區(qū)（年均降雨量45 mm）砂壤土上棉花不同灌水量處理（分為300、390 和480 mm）的保水劑（用量分為15、30 和45 kg·hm-2）效果試驗(yàn)顯示，保水劑的施用效果隨灌水量增加而遞減，如在灌水量480 mm，保水劑用量15 和30 kg·hm-2處理的棉花增產(chǎn)率和WUE 增幅均較低，分別為2.5%—3.7%和1.7%—3.4%（表1）。以上研究表明保水劑施用效果與土壤水分狀況關(guān)系密切，當(dāng)水分充足時(shí)施用保水劑效果不大；而當(dāng)水分虧缺時(shí)施用保水劑首先要滿足自身吸水需求，因此，需注意保水劑與作物爭(zhēng)水現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 土壤質(zhì)地

蔡典雄等[3]對(duì)保水劑（淀粉類聚合物，用量分為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.2%）對(duì)沙土物理特性如持水-脫水性能、脹縮性以及作物種子發(fā)芽的影響測(cè)試結(jié)果顯示，保水劑具有良好的膨脹性、吸水快和減少蒸發(fā)等特性，尤其對(duì)于提高沙土持水保水能力和增加沙土有效水分含量效果明顯。如不同水勢(shì)（0—-600 kPa）范圍內(nèi)，沙土持水量隨保水劑用量增加而明顯增加（較對(duì)照高1.5—35.4 倍），且隨水勢(shì)下降（至-600 kPa）沙土持水量增加明顯（較對(duì)照高3.6—35.4 倍）；保水劑試驗(yàn)用量范圍內(nèi)，沙土地冬小麥提前出苗1—4 d，出苗率提高10%—30%，表明保水劑在限水條件下對(duì)沙土地作物抗旱保苗效果較好。陳海麗等[69]對(duì)2 種類型保水劑（淀粉類（Starch）和聚丙烯酸鹽類（PAA））在2 種質(zhì)地土壤（砂土和壤土）的吸水保水特性進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)2 種類型保水劑處理均對(duì)砂土含水量增加作用比壤土明顯。AGABA 等[59]在烏干達(dá)通過(guò)盆栽試驗(yàn)比較保水劑（德國(guó)產(chǎn)PAA 型，用量分為0.2%和0.4%）用于5 種質(zhì)地土壤（砂土、砂壤、粉砂壤、壤土和黏土）對(duì)9 種林木苗的植物有效水含量和存活率的影響，結(jié)果顯示，保水劑處理的砂土、壤土和黏土的有效水含量較對(duì)照分別提高2—2.7 倍、1.1—1.5 倍和1.1—1.2 倍；樹苗存活率較對(duì)照分別提高2.1—3.1倍、1.7—2 倍和1.1—1.2 倍，其中保水劑用于砂土的效果較好。EL-ASMAR 等[54]在黎巴嫩貝魯特通過(guò)盆栽試驗(yàn)比較2 種質(zhì)地土壤（砂質(zhì)黏壤和黏土）上保水劑（德國(guó)產(chǎn)交聯(lián)型PAA(K)，用量分為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%）對(duì)土壤水分的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在土壤水基質(zhì)勢(shì)為-100 kPa 下，測(cè)得保水劑用量為0.4%處理的砂質(zhì)黏壤土的持水率達(dá)33%，而黏土的持水率變化不大，約4%。

4.3 保水劑類型

SU 等[14]在內(nèi)蒙古鄂爾多斯干旱氣候（年均降雨量33.6 mm）毛烏素沙地風(fēng)沙土比較5 種類型國(guó)產(chǎn)保水劑（PAM 型、PAA(Na)型、PVA 型、AM-AA(K)共聚型、AM-AA(Na)共聚型）用于檸條種子包衣對(duì)檸條種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，5 種類型保水劑種子包衣的效果依次為：AM-AA(K)＞AM-AA(Na)＞PAA(Na)＞PAM＞PVA，出苗率較對(duì)照分別提高3 倍、2.7 倍、1.5 倍、1.46 倍和1.29 倍；干物重分別增加2.23 倍、2.22 倍、2.1 倍、1.9 倍和1.7倍，其中以AM-AA(K)/或(Na)共聚物類保水效果較好。JOHNSON 等[61]在英國(guó)利物浦溫室番茄盆栽試驗(yàn)比較3種類型保水劑（Starch-PAN、PVA-AA和PAM-AA(Na)共聚型），用量0.3%）用于砂質(zhì)土的效果顯示，3 種類型保水劑對(duì)番茄增產(chǎn)效果依次為：PAM-AA(Na)＞Starch-PAN 和PVA-AA，其中以PAM-AA(Na)的效果為最佳。ABDALLAH 等[67]在美國(guó)北卡羅來(lái)納州濕潤(rùn)亞熱帶氣候比較3 種類型保水劑（PAA 型，加拿大產(chǎn)Stockosorb 660；PAM 型，美國(guó)產(chǎn) Hydrosource；AM-AA(K)共聚物，加拿大產(chǎn)SuperAB A200），用量為0.15%、0.30%和0.45%）分別與壤質(zhì)砂土混合對(duì)土壤保水和玉米生長(zhǎng)的影響。模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果顯示，與對(duì)照（土壤滲濾水量約41.8%）比較，3 種類型保水劑處理的土壤滲漏損失分別為4.8%、5.5%和6.0%，其中以PAA 型對(duì)水分保蓄效果較好；玉米干物重較對(duì)照分別增加 1.1—2.7 倍、2.3—3.3 倍和1.6—2.8 倍，其中以PAM 型（用量0.45%）的效果較好。侯亞紅等[23]在西藏拉薩河谷區(qū)高原半干旱氣候（年均降雨量428.9 mm）砂壤土比較不同類型國(guó)產(chǎn)保水劑（Starch-AA 聚合物和PAA 類共聚型）對(duì)青稞產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示，不同類型保水劑對(duì)青稞產(chǎn)量影響差異很大（增產(chǎn)率0.5%—13.6%）（表1）。

綜上，保水劑效果試驗(yàn)研究文獻(xiàn)來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外的保水劑主要分為化學(xué)合成聚合物類（包括交聯(lián)型PAM 或PAA、AM-AA 共聚物等）和淀粉接枝聚合物類（如Starch-AA 聚合物）等兩大類。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[70]，因成分和合成方法不同，各類型產(chǎn)品吸持水分的特點(diǎn)各異。如在國(guó)際上，法國(guó)、德國(guó)、日本、美國(guó)和比利時(shí)等國(guó)生產(chǎn)的保水劑大多為交聯(lián)型PAM，其特點(diǎn)是使用周期和壽命較長(zhǎng)，吸水速度相對(duì)較慢，在土壤中的蓄水保墑能力可維持4 年左右；國(guó)內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的保水劑為PAA 型（如PAA(K)/或(Na)/或(NH4)型等），其特點(diǎn)是吸水能力較強(qiáng)，且吸水速度快，如在土壤中遇充分給水0.5—1 h 后便可迅速吸收自重130—140倍的水分，但保水性能最多為2 年。由于PAA(Na)型會(huì)造成土壤中Na 離子增加，因此建議以選擇PAA(K)型為宜。Starch-AA 聚合物吸水倍率和吸水速度等性狀極佳，但保存困難，如在遇水后15—20 min 內(nèi)即可吸收自重150—160 倍的水分，但在用于造林地蓄水保墑時(shí)，使用壽命一般只能維持1 年左右。

從保水劑自身水分吸持性看，同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低，一般吸水倍數(shù)和速率相對(duì)較高，其保水性、穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度相對(duì)較低；對(duì)于使用周期較長(zhǎng)的保水劑需要較高的交聯(lián)度，而不宜追求高吸水倍數(shù)和速率。凝膠強(qiáng)度高的保水劑吸水后有一定形狀，不易解體，吸放水可逆性好，重復(fù)吸水-釋水性穩(wěn)定，其所吸80%—95%的水能夠被植物利用[71]。因而選用保水劑時(shí)，不能單以保水劑高吸水倍數(shù)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[5]。從產(chǎn)品適用性來(lái)看，建議對(duì)于作物秧苗移栽、種子包衣（包括林木苗蘸根、包衣等為提高樹苗成活率），可選粉狀和凝膠強(qiáng)度不一定很高的保水劑[5]；而以土壤蓄納雨水為目的拌土使用的保水劑，不宜追求過(guò)高吸水倍數(shù)，可選用顆粒狀和凝膠強(qiáng)度（壽命）高的保水劑[72]，如主要考慮保水劑重復(fù)吸水-釋水性能（交聯(lián)度），用以衡量保水劑對(duì)土壤保水的長(zhǎng)效性和作物用水的有效性。如姜銀光等[73]對(duì)3 種類型保水劑反復(fù)吸釋水特性測(cè)定，比較其反復(fù)吸釋水能力依次為：PAA(K)-AM 共聚型＞PAM 型＞PAA(Na)型。

4.4 保水劑施用方式

EL-ASMAR 等[54]在黎巴嫩貝魯特通過(guò)盆栽試驗(yàn)比較2 種施用方式（條帶施用和拌土）下2 種質(zhì)地土壤（砂質(zhì)黏壤和黏土）上保水劑（德國(guó)產(chǎn)交聯(lián)型PAA(K)，劑量為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%）對(duì)玉米生長(zhǎng)和松樹苗存活及WUE 的影響，結(jié)果顯示，在砂質(zhì)黏壤上保水劑（劑量0.4%）條帶施用的較之拌土處理的玉米地上鮮/干生物量提高11%—26%，松樹幼苗存活率提高24%，WUE 提高10%—13%。杜社妮等[36]在陜西安塞黃土高原丘陵溝壑區(qū)黃綿土上比較3 種施用方式（撒施、溝施和穴施）下玉米施用保水劑（AA/AM-Atta 復(fù)合型和PAM 型，劑量為45 kg·hm-2）的效果試驗(yàn)結(jié)果顯示，3 種施用方式下玉米增產(chǎn)率分別為5.5%—6.7%、18.1%—18.2%和16.9%—19.1%，WUE 增幅分別為11%—12%、33%—34%和32%—35%，其中以溝施和穴施效果明顯優(yōu)于撒施。趙敏等[37]在河北邯鄲旱地輕壤褐土對(duì)保水劑的夏玉米種子包衣（1%）和溝施（劑量45 kg·hm-2）效果比較，2 種施用方式下夏玉米增產(chǎn)率分別為6.6%和8.1%。高會(huì)東等[38]對(duì)保水劑的種子包衣和穴追施效果比較，2 種施用方式下夏花生增產(chǎn)率分別為5.3%和28.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明在灌溉水缺乏的雨養(yǎng)條件下，保水劑溝施或穴施的增產(chǎn)效果優(yōu)于種子包衣。

4.5 保水劑施用量

在干旱缺水條件下，保水劑施用量對(duì)作物生產(chǎn)效果影響較大。一般來(lái)說(shuō)，保水劑效果隨施用量提高而增強(qiáng)，但施用過(guò)量反而不利作物生長(zhǎng)[74]。如馬宗仁等[21]在寧夏中部同心縣半干旱區(qū)雨養(yǎng)條件下（年均降雨量349 mm）粉砂壤質(zhì)黃綿土上玉米的保水劑（美國(guó)產(chǎn)ZeBa 淀粉基保水劑，劑量為10、20、30 和40 kg·hm-2）效果試驗(yàn)顯示，劑量20 kg·hm-2處理（玉米增產(chǎn)率和WUE 增幅分別為33.7%和30.1%）明顯高于劑量40 kg·hm-2處理（增產(chǎn)率和WUE 增幅分別為-6.9%和-4.3%）。張蕊等[15]在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)（年均降雨量143 mm，灌水量約為100 mm）壤質(zhì)灌淤土上番茄定植前保水劑（AM-AA(Na)共聚型，劑量為30、37.5、45 和52.5 kg·hm-2）溝施處理，結(jié)果顯示，保水劑效果以劑量45 kg·hm-2處理較好，番茄增產(chǎn)率和WUE 增幅分別為11%和6.2%（表1）。LIANG等[10]在新疆庫(kù)爾勒市（年均降雨量70 mm，灌溉量為412.5—435 mm）砂質(zhì)土上棉花的保水劑（聚谷氨酸，劑量為20、40、80 和160 kg·hm-2）效果試驗(yàn)顯示，劑量40 和80 kg·hm-2處理較好，棉花增產(chǎn)率分別為16.1% —17.1%和15.9%—19.3%，而劑量160 kg·hm-2的增產(chǎn)率有所下降（7.1%—9.1%）。有研究指出[74]，農(nóng)用保水劑合成過(guò)程中不可避免地殘留某些有害組分，如AA 或AM 單體、Na 離子等，當(dāng)這些有害組分濃度水平較高時(shí)（尤其在干旱缺水條件下）可能會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害。

綜上，在不同地區(qū)氣候、水分狀況和土壤質(zhì)地等條件下，保水劑（不同類型、施用方式及用量等）對(duì)不同作物種類的效果不同。建議在保水劑應(yīng)用之前，需要通過(guò)對(duì)特定條件下（地區(qū)、水分和土質(zhì)等）保水劑（不同類型、施用方式及用量等）的效果進(jìn)行作物試驗(yàn)驗(yàn)證，以明確推薦作物適宜的保水劑類型、施用量及施用方式，確保該類產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)適用且安全環(huán)保。

5 農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的環(huán)境安全性

由于農(nóng)林保水劑（包括化學(xué)合成聚合物類和淀粉接枝聚合物類等）的合成都需要AA（acrylic acid）或AM（acrylamide）單體作為原料進(jìn)行聚合反應(yīng)，在其合成過(guò)程中沒(méi)有完全反應(yīng)的殘留AA或AM單體等會(huì)保留在產(chǎn)品中[74]，或者當(dāng)保水劑農(nóng)用時(shí)其降解產(chǎn)物（AA 或AM 單體）還會(huì)在土壤中繼續(xù)釋放和遷移，可能被植物吸收或滲入地下水，對(duì)水環(huán)境及人類健康存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，隨著保水劑產(chǎn)品在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用推廣，這類產(chǎn)品的環(huán)境安全性也是不可忽略的。

5.1 PAM 型產(chǎn)品中AM 單體的生物毒性

研究所知，PAM 本身對(duì)動(dòng)植物和環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，但是PAM 的分解產(chǎn)物AM 單體（主要來(lái)自PAM 合成時(shí)沒(méi)有完全反應(yīng)的殘留及其降解產(chǎn)物）卻是具有生物毒性的。早在1985 年，世界衛(wèi)生組織（WHO）已經(jīng)對(duì)AM 的環(huán)境暴露及其毒性影響高度關(guān)注，如在WHO國(guó)際化學(xué)品安全規(guī)劃（IPCS）出版的專著《環(huán)境衛(wèi)生基準(zhǔn)49：丙烯酰胺》中對(duì)AM 的環(huán)境安全性作出評(píng)估，由大量研究證實(shí)AM 單體具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性、生殖毒性、遺傳毒性和潛在致癌性[75]。1994 年在WHO 國(guó)際癌癥研究中心（WHO-IARC）系列專著《化學(xué)物對(duì)人類的致癌危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)》中將AM 單體歸類為2A級(jí)“很可能對(duì)人類致癌物，probably carcinogenic to humans”[76]。2007 年我國(guó)在《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 毒性物質(zhì)含量鑒別》：GB 5085.6—2007[77]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中將AM 列為“致突變性物質(zhì)，mutagenic substance”，被定義為人類的生殖細(xì)胞突變并能遺傳給后代的物質(zhì)。郭非凡等[78]通過(guò)急性和亞急性暴露試驗(yàn)研究了PAM和AM 對(duì)赤子愛勝蚓存活、生長(zhǎng)和繁殖的影響，結(jié)果顯示，PAM 和AM 對(duì)蚯蚓的半致死劑量（LC50）分別為大于2 000 和164 mg·kg-1，表明土壤中的PAM 殘留對(duì)土壤環(huán)境有潛在風(fēng)險(xiǎn)。趙丹等[79]通過(guò)急性毒性試驗(yàn)研究了PAM 對(duì)不同水生生物（藻類、濾食性浮游動(dòng)物及魚類等）的毒性影響結(jié)果顯示，AM 對(duì)斜生柵藻96 h 半抑制質(zhì)量濃度（IC50）、對(duì)大型蚤48 h 半效應(yīng)質(zhì)量濃度（EC50）和對(duì)斑馬魚48 h 半致死質(zhì)量濃度（LC50）分別為61.5、127.3 和14.8 mg·L-1，其中魚類對(duì)AM 最為敏感。在日本曾發(fā)生過(guò)因水污染導(dǎo)致人類急性AM 中毒事件，據(jù)IGISU 等[80]報(bào)道，井水污染與當(dāng)?shù)?974 年2 月18 日在工程地基中使用的化學(xué)灌漿材料中AM 滲出流入附近的井水有關(guān)。

為評(píng)估作物對(duì)AM 單體的吸收以及在植物體內(nèi)的積累風(fēng)險(xiǎn)，MROCZEK 等[81]通過(guò)水培生菜試驗(yàn)（采用2 個(gè)商售PAM 絮凝劑（水處理劑PAM 中AM 濃度分別為176 和763 mg·kg-1）配制成營(yíng)養(yǎng)液）觀察水培作物對(duì)AM 殘留單體的響應(yīng)，不同處理的水培生菜葉片中均檢出AM 單體（平均分別為10 和30 μg·kg-1）；并觀察到AM 對(duì)生菜生長(zhǎng)有不利影響，如降低了生菜鮮重和葉數(shù)。該研究證實(shí)了PAM 處理的營(yíng)養(yǎng)液中AM 單體可從水凝膠中遷移，被植物組織吸收和積累，表明AM 基保水劑的農(nóng)用可能存在食品安全風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 PAA 型產(chǎn)品中AA 單體的生物毒性

據(jù)CHEN 等綜述[82]，PAA(Na)型保水劑自1994年首次開發(fā)以來(lái)，交聯(lián)型PAA 型聚合物因其具有優(yōu)異的吸水性能而取代了先前的材料，目前已成為保水劑的主要類型，尤其PAA(Na)型已經(jīng)占高吸水性樹脂市場(chǎng)的最大份額。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[74]，以AA 為單體制備保水劑時(shí)，需用堿中和到70%以上，目前多采用NaOH，中和度70%的交聯(lián)PAA(Na)型保水劑產(chǎn)品中Na 含量將達(dá)到16%。因PAA(Na)型產(chǎn)品中含較多Na 離子，如長(zhǎng)期使用可能增加土壤積鹽和作物鹽害風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和作物生長(zhǎng)帶來(lái)不利影響。如CHEN 等[83]通過(guò)玉米幼苗培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PAA(Na)型保水劑處理的幼苗根中Na 離子為對(duì)照的10 倍以上，顯著抑制根系生長(zhǎng)。因此建議農(nóng)林保水劑以選擇PAA(K)型為宜[70]；然而，PAA 型產(chǎn)品中AA 單體殘留的環(huán)境安全性仍然引起人們關(guān)注。

1997 年，在WHO 國(guó)際化學(xué)品安全規(guī)劃（IPCS）出版的專著《環(huán)境衛(wèi)生基準(zhǔn)191：丙烯酸》中對(duì)AA的環(huán)境安全性作出評(píng)估，有大量研究數(shù)據(jù)顯示[84]，AA通過(guò)口服、吸入或皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，其對(duì)呼吸道有強(qiáng)刺激性，對(duì)皮膚和眼睛有腐蝕性或刺激性；AA 可溶于水，不易被土壤或沉積物吸附，當(dāng)釋放到水中時(shí)，在好氧條件下容易生物降解；AA 單體具有低至中度急性毒性。WHO-IARC 在1999 年[85]和2019年[86]出版的系列專著《化學(xué)物對(duì)人類的致癌危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)》中將AA 和AA 酯類單體分別歸類為3 級(jí)（不能對(duì)人類致癌性分類，not classifiable as to its carcinogenicity to humans）和2B 級(jí)“可能對(duì)人類致癌物，possibly carcinogenic to humans”。2007 年我國(guó)在《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 毒性物質(zhì)含量鑒別》：GB 5085.6—2007[77]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中將AA 列為“劇毒物質(zhì)，acutely toxic substance”，被定義為具有非常強(qiáng)烈毒性危害的化學(xué)物質(zhì)。STAPLES 等[87]研究了AA 類化合物對(duì)魚類和淡水水蚤類動(dòng)物的毒性特征，結(jié)果顯示，AA 對(duì)魚類和無(wú)脊椎動(dòng)物的急性毒性評(píng)級(jí)從無(wú)毒到輕度中毒的濃度范圍為27—236 mg·L-1。王朝暉等[88]通過(guò)急性毒性試驗(yàn)研究了AA 類物質(zhì)對(duì)不同水生生物（魚類、藻類及水生甲殼類等）的毒性，結(jié)果顯示，AA 對(duì)食蚊魚96 h 半致死質(zhì)量濃度（LC50）為15.30 mg·L-1；對(duì)3種海洋微藻96 h 生長(zhǎng)潛力半抑制質(zhì)量濃度（IC50）為50.73—72.41 mg·L-1；對(duì)2 種水生甲殼類48 h 半效應(yīng)質(zhì)量濃度（EC50）為135.41—143.50 mg·L-1，其中魚類對(duì)AA 類物質(zhì)最為敏感。

CHEN 等[44]通過(guò)PAA(Na)型保水劑盆栽（用量分為0.1%、0.3%和0.6%）和水培（AA 濃度分為0、2.5、5 和10 mg·L-1）試驗(yàn)對(duì)玉米種子發(fā)芽的安全性測(cè)試。盆栽試驗(yàn)顯示，PAA(Na)型保水劑可抑制玉米生長(zhǎng)，并改變根系形態(tài)；在保水劑水凝膠處理1 h 后，根中丙二醛（MDA）含量顯著增加，而超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）含量顯著降低；水培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)液AA 濃度為2.5 mg·L-1時(shí)，根和莖生長(zhǎng)受到抑制；AA 濃度超過(guò)5 mg·L-1時(shí)，根系生長(zhǎng)受阻。

5.3 PAM 或PAA 型相關(guān)產(chǎn)品中單體殘留限量

研究已知，PAM 或PAA 型相關(guān)產(chǎn)品或材料中因含有AM 或AA 單體殘留等物質(zhì)，具有不同程度的生物毒性及環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)，涉及水處理劑、洗滌助劑、衛(wèi)生用高吸收性樹脂、農(nóng)林保水劑等相關(guān)產(chǎn)品安全應(yīng)用。我國(guó)的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)部分產(chǎn)品中AM 或AA 殘留量已作出限量規(guī)定[89-93]，如《水處理劑 陰離子和非離子型聚丙烯酰胺》：GB 17514—2017（飲用水和污水處理AM 限量分別為≤0.025%和≤0.05%）[89]；《水處理劑 聚丙烯酸》：GB/T 10533—2014（工業(yè)水處理AA 限量≤0.5%）[90]；《洗滌助劑 聚丙烯酸鈉》：QB/T 5481—2020（AA 限量≤0.01%）[91]；《紙尿褲和衛(wèi)生巾用高吸收性樹脂》：GB 22875—2018（嬰兒紙尿褲用和成人衛(wèi)生巾用AA 限量分別為≤0.08%和≤0.10%）[92]；《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 吸收性衛(wèi)生用品》：HJ 1061—2019（AA 限量≤0.06%）[93]。此外，我國(guó)制定的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)AM 或AA 殘留量有嚴(yán)格限定，如《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》：GB 5749—2022（AM 和AA 限量分別為≤0.0005 mg·L-1和≤0.5 mg·L-1）[94]；《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》：GB 3838—2002（AM 限量≤0.0005 mg·L-1）[95]，然而，現(xiàn)行農(nóng)林保水劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AM或AA單體尚未限量要求。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的部分PAM或PAA 型相關(guān)產(chǎn)品中AM 或AA 單體殘留量存在不同程度超標(biāo)[74,81,96-102]（表2）。如王杰等[98]采用氣相色譜法對(duì)10種PAM高聚物樣品中AM殘留單體測(cè)定，測(cè)得AM 殘留量為0.10%—1.25%，超出《水處理劑 陰離子和非離子型聚丙烯酰胺》：GB 17514—2017[89]標(biāo)準(zhǔn)限量（I 類≤0.025%）占比高達(dá)100%。李朝暉[98]對(duì)國(guó)內(nèi)外市售12 種水處理劑PAM 產(chǎn)品中殘留AM 單體檢測(cè)，測(cè)得產(chǎn)品中AM 殘留量為0.0028%—0.44%，超出GB 17514—2017[89]中I 類標(biāo)準(zhǔn)占比達(dá)58.3%，其中國(guó)產(chǎn)PAM 中AM 單體為0.038%—0.44%，超標(biāo)率達(dá)100%。王成龍等[99]對(duì)市面上購(gòu)買6 種PAM 產(chǎn)品檢測(cè)，測(cè)得PAM 中殘留AM 范圍在0—0.43%，部分存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，如相關(guān)產(chǎn)品在食品應(yīng)用上（如食品添加劑）存在安全風(fēng)險(xiǎn)。MROCZEK 等[81]對(duì)8 種波蘭商售PAM 絮凝劑檢測(cè)，測(cè)得產(chǎn)品中AM 單體為34—1 005 mg·kg-1，其中超出水處理用I 類標(biāo)準(zhǔn)（≤0.025%）占比為62.5%。

表2 聚丙烯酰胺或聚丙烯酸（PAM 或PAA）型相關(guān)產(chǎn)品中丙烯酰胺或丙烯酸（AM 或AA）單體殘留及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Content of residual acrylamide or acrylic acid (AM or AA) monomers in polyacrylamide or polyacrylate (PAM or PAA)-based products, and relevant standard limits for residual AM or AA in the products

李杰等[102]采用高效液相色譜對(duì)PAA 型高吸水性樹脂中AA 單體殘留量測(cè)定，測(cè)得產(chǎn)品中AA 單體殘留量為0.0031%—0.4213%。符軍放等[101]對(duì)水處理劑PAA 產(chǎn)品中殘留的AA 單體測(cè)定，測(cè)得產(chǎn)品中AA 單體殘留量為0.97%—1.23%，遠(yuǎn)超出《水處理劑 聚丙烯酸》：GB/T 10533—2014[90]標(biāo)準(zhǔn)限量（工業(yè)水處理≤0.5%）占比高達(dá)100%。張莉莉等[102]對(duì)5 種衛(wèi)生用PAA 型高吸水性樹脂檢測(cè)，測(cè)得產(chǎn)品中AA 殘留量為0.0614%—0.246%，超出《紙尿褲和衛(wèi)生巾用高吸收性樹脂》：GB 22875—2018[92]標(biāo)準(zhǔn)限量（≤0.08%—0.1%）占比達(dá)60%（這是直接與人體接觸的，需要限定）。據(jù)司徒艷結(jié)等[74]報(bào)道，市售10 種農(nóng)用保水劑產(chǎn)品中AA 殘留量為390—7 940 mg·kg-1。賴鶯等[103]采用微波輔助萃取-氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)方法，對(duì)廈門口岸13 種進(jìn)出口AA 樹脂樣品中殘余單體（AA 及AA 酯類等）含量測(cè)定，測(cè)得AA 樹脂水溶液中AA 和甲基AA 單體殘留量分別為0—19 486 和0—4 134 mg·kg-1。

由表2 可知，市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的PAM 或PAA相關(guān)產(chǎn)品（包括農(nóng)林保水劑）被檢出AM 或AA 單體殘留量超標(biāo)占比分別為22%—100%和7.7%—100%。如前研究所述，隨著PAM 或PAA 型保水劑農(nóng)用，其產(chǎn)品中殘留的AM 或AA 單體以及PAM 或PAA型材料的降解產(chǎn)物可在土壤中遷移，還可能進(jìn)入植物體[44,74,81]或滲入地下供水系統(tǒng)[80]，以致可能對(duì)作物和水生物以及人類健康造成危害[44,74,78-80,81,87-88]。建議相關(guān)部門對(duì)于PAM 或PAA 型農(nóng)林保水劑產(chǎn)品加強(qiáng)殘留單體檢測(cè)及其殘留單體的環(huán)境安全閾值的研究，為農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的環(huán)境安全性提供保障。

5.4 PAM 或PAA 型聚合物的降解

農(nóng)林保水劑的環(huán)境安全性，除了涉及PAM 或PAA 型產(chǎn)品中AA 或AM 單體的生物毒性外，PAM或PAA 型材料的弱降解性及其降解物對(duì)環(huán)境安全的影響也已有關(guān)注。因PAM 或PAA 型材料具有高穩(wěn)定性的碳原子C-C 交聯(lián)主鏈，且具有高分子量和低水溶性，因而呈較差的（生物）降解性，為此也已經(jīng)引起人們對(duì)環(huán)境影響的擔(dān)憂[82]。

在自然條件下，PAM 型聚合物會(huì)發(fā)生緩慢的物理（熱、機(jī)械）、化學(xué)（水解、氧化以及催化氧化）和生物降解（微生物酶解），最終生成各種低聚物以及具有神經(jīng)毒性的劇毒AM 單體[104]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，PAM在土壤中的降解相對(duì)較慢，大約以每年10%的速率降解[105]。而AM 單體在酰胺降解酶的作用下，可在土壤中迅速降解。如SHANKER 等[106]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)30 ℃時(shí)，在花園土中加入AM（濃度為500 mg·kg-1），5 d后已檢測(cè)不到AM 單體。王璽洋[107]對(duì)施用PAM 后的茶園土壤和茶葉中AM 殘留量測(cè)定顯示，春、夏兩季茶園高溫多雨，微生物活動(dòng)可能加速了AM 降解，在土壤和茶葉樣品中均未檢出AM 殘留；而秋季茶園溫度降低，微生物活動(dòng)變?nèi)鯐?huì)減慢AM 降解，在土壤和茶葉中檢出AM 微量殘留（分別為0.008—0.036 和0.011—0.095 μg·L-1）。有研究表明[75]，在好氧土壤條件下，AM 的半衰期在20 ℃時(shí)為幾天，但隨溫度降低而延長(zhǎng)；在微生物活動(dòng)較弱的河流和沿海地區(qū)，AM殘留可能會(huì)駐留數(shù)日、數(shù)周或數(shù)月。LANDE 等[108]對(duì)AM 在美國(guó)紐約4 種質(zhì)地土壤（粉砂質(zhì)壤土、黏壤土、壤質(zhì)砂土和壤土）中降解和淋溶測(cè)定顯示，在22 ℃，70%的田間持水量時(shí)，AM（濃度為25 mg·kg-1）的半衰期為18—45 h，其降解速率隨AM 濃度提高和溫度降低而減弱；淋溶試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，AM 在土壤和水環(huán)境中移動(dòng)性較強(qiáng)，尤其在砂質(zhì)土壤中移動(dòng)性最強(qiáng)而降解相對(duì)較弱，表明AM 在砂質(zhì)土壤的易淋溶性對(duì)水污染存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

WILSKE 等[109]對(duì)PAA 型保水劑在德國(guó)的4 種質(zhì)地的農(nóng)業(yè)土壤（砂土、壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土和壤土）和3 種溫度（20、25 和30 ℃）下進(jìn)行生物降解試驗(yàn)，24 周后PAA 型保水劑的平均降解率在0.45%（壤質(zhì)砂土）到0.82%（壤土）之間，但不同土壤和不同溫度間的差異不大。該降解試驗(yàn)顯示，土壤中PAA 型保水劑主鏈大約以每6 個(gè)月為0.12%—0.24%的速率降解。CHEN 等[44]對(duì)PAA(Na)型保水劑降解試驗(yàn)顯示，保水劑中AA 的降解需15—20 d，其釋放和降解隨土壤濕度提高而加快，如在土壤田間持水量為41.3%條件下可快速降解和釋放，第3 天減少97.3%，第15 天凝膠中已檢測(cè)不到AA。然而，在干旱缺水的土壤，保水劑中AA 的降解速率將會(huì)減緩[74]。由于合成聚合物保水劑多應(yīng)用于旱作農(nóng)業(yè)土壤，對(duì)該類產(chǎn)品的生物降解性及其環(huán)境效應(yīng)也被引起關(guān)注[110]。

近年來(lái)，我國(guó)多地農(nóng)田土壤中已被檢出多種微塑料組分，鑒定出多種微塑料聚合物類型（表3），其中還有農(nóng)田土壤被檢出AA聚合物及AA酯共聚物類型的降解產(chǎn)物[111-114]（表3）。如ZHOU 等[111]通過(guò)對(duì)杭州灣東部沿海平原農(nóng)業(yè)土壤（水稻、玉米或高粱田）中的微塑料聚合物類型鑒定，確定了10 個(gè)聚合物類型（包括3 種共聚物），其中包括AA 類聚合物降解產(chǎn)物。劉夢(mèng)婷[112]通過(guò)對(duì)上海郊區(qū)12 個(gè)樣地的4 類土壤（潮土、黃棕壤土、水稻土和濱海鹽土）中的微塑料組分鑒定分析，檢出主要有5 種微塑料聚合物類型，其中AA 類聚合物降解產(chǎn)物占比15.2%。郝永麗[113]通過(guò)對(duì)黃土高原典型小流域土壤中微塑料組分檢測(cè)，檢出主要有8 種微塑料聚合物類型，而耕地土壤中微塑料組分主要以5 種聚合物類型為主，其中AA 類聚合物降解產(chǎn)物占比5.8%（表3）。胡佳妮[114]采用μ-FTIR（顯微傅里葉變換紅外光譜儀）分析技術(shù)對(duì)全國(guó)21 個(gè)省的30 片大型農(nóng)田土壤中微塑料聚合物類型進(jìn)行鑒定，檢出主要有7 種微塑料聚合物類型，其中PAA 類聚合物降解產(chǎn)物占比2.8%。該研究表明，我國(guó)旱地農(nóng)田耕層土壤中普遍存在微塑料污染，以干旱寒冷的北部地區(qū)和種植業(yè)高度發(fā)展的華中和華東地區(qū)污染較為嚴(yán)重，西南地區(qū)相對(duì)較輕[114]。綜上研究結(jié)果，我國(guó)農(nóng)田土壤中還存在AA 類聚合物降解產(chǎn)物[111-114]，表明AA 類聚合物農(nóng)用可能因其降解緩慢而在土壤中殘留和累積，或遷移進(jìn)入植物體和滲入地下水。

表3 我國(guó)農(nóng)田土壤中檢出丙烯酸（AA）類聚合物降解產(chǎn)物Table 3 Degradation products from acrylic acid (AA)-based polymers detected in cropland soils in China

鑒于目前市場(chǎng)上農(nóng)林保水劑產(chǎn)品多以化學(xué)合成聚合物類（包括PAM 或PAA 型）為主導(dǎo)，但由于這類材料生物降解性較差，其降解物在土壤中殘留和累積，可能還會(huì)進(jìn)入食物鏈[82]。對(duì)此，以各種可生物降解材料為主體的產(chǎn)品研發(fā)受到更多關(guān)注，如通過(guò)將多種官能團(tuán)（包括AA 或AM 等）接枝到天然聚合物材料（包括淀粉、纖維素和殼聚糖等）上的農(nóng)林保水劑（如淀粉接枝聚合物類等）將可能成為主導(dǎo)[82,110,115]，PAM或PAA 型保水劑材料將可能逐步被可生物降解性天然聚合物類材料所替代。

6 結(jié)論和建議

農(nóng)林保水劑是一類改善土壤水分性狀的土壤調(diào)理劑。根據(jù)對(duì)過(guò)去三十多年來(lái)（1990—2023 年）國(guó)內(nèi)外農(nóng)林保水劑效果的試驗(yàn)研究文獻(xiàn)分析，保水劑具有改善土壤（尤其砂質(zhì)土）蓄水保水能力。對(duì)干旱缺水地區(qū)的作物抗旱保苗、節(jié)水增產(chǎn)和改善WUE 具有積極作用。

我國(guó)于2003 年開始對(duì)農(nóng)林保水劑產(chǎn)品進(jìn)行登記。目前農(nóng)林保水劑產(chǎn)品執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 886—2022，但現(xiàn)行的農(nóng)林保水劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以及《土壤調(diào)理劑效果試驗(yàn)和評(píng)價(jià)通用要求》（NY/T 2271—2016）均不能用以指導(dǎo)農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的田間試驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)。為確保農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的安全有效應(yīng)用，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外30 多年來(lái)的相關(guān)研發(fā)與應(yīng)用文獻(xiàn)分析，針對(duì)農(nóng)林保水劑應(yīng)用對(duì)土壤保水、作物用水、作物產(chǎn)量及其環(huán)境影響等效果進(jìn)行綜述研究，提出如下建議。

（1）針對(duì)近十多年來(lái)（2006—2019 年）我國(guó)干旱半干旱地區(qū)農(nóng)林保水劑應(yīng)用效果（主要對(duì)土壤保水、作物用水、作物產(chǎn)量及其WUE 等）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出適用于農(nóng)林保水劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括土壤貯水量、作物耗水量、作物產(chǎn)量及其WUE 等指標(biāo)，用以指導(dǎo)農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的田間試驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)。建議有關(guān)部門組織研究，明確相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用條件、評(píng)價(jià)方法、量化指標(biāo)等，為農(nóng)林保水劑的效果評(píng)價(jià)提供技術(shù)指導(dǎo)。

（2）農(nóng)林保水劑效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)還顯示，一些地區(qū)作物施用保水劑增產(chǎn)效果不明顯或出現(xiàn)減產(chǎn)，還有的出現(xiàn)負(fù)收益或增產(chǎn)不增收等現(xiàn)象，說(shuō)明保水劑效果與地區(qū)水分狀況、土壤質(zhì)地、作物類型、保水劑類型及其施用技術(shù)等有關(guān)。因此，農(nóng)林保水劑應(yīng)用需要制定相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，明確作物適宜的保水劑類型及其施用方式和用量，以確保該類產(chǎn)品安全有效且經(jīng)濟(jì)適用。

（3）目前市場(chǎng)上農(nóng)林保水劑產(chǎn)品多以PAM 或PAA 型聚合物產(chǎn)品為主導(dǎo)，其產(chǎn)品的環(huán)境安全性主要涉及產(chǎn)品中殘留AM 或AA 單體的生物毒性，以及PAM 或PAA 型產(chǎn)品的生物降解性等。建議相關(guān)部門對(duì)于PAM 或PAA 型農(nóng)林保水劑產(chǎn)品加強(qiáng)殘留單體檢測(cè)及其殘留單體的環(huán)境安全閾值的研究；此外，對(duì)于產(chǎn)品的降解性指標(biāo)與土壤生態(tài)環(huán)境的安全性的關(guān)聯(lián)性還有待探討，以期為農(nóng)林保水劑產(chǎn)品的環(huán)境安全性提供保障。