农林保水剂效果评价及其环境风险探讨

王小彬，闫湘，李秀英，孙兆凯，涂成

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

我国是严重缺水的国家，干旱和半干旱耕地面积占全国总耕地面积的51%[1]。有专家指出，我国粮食安全的主要限制因子是水资源短缺或有限水资源没有得到高效利用。也就是说，我国的粮食安全问题，其实就是水资源安全问题[2]。保水剂是一类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、灌溉节水、作物保苗、抗旱增产、农林园艺、沙漠绿化和水土保持等方面发挥重要作用，尤其在旱地农业和节水灌溉领域受到关注[3-4]。为解决干旱地区农林土壤缺水问题，从国家“七五”计划（1986—1990）旱农科研项目研究开始，以化学合成聚合物类为主的保水剂作为一项农林抗旱保水技术产品的研制已经受到关注[5]。2005 年黄占斌[4]对农用保水剂应用的原理和技术进行了系统论述，总结归纳了保水剂的四大作用原理：一是保水剂自身吸水、保水和释水原理；二是保水剂的改土保水原理；三是保水剂对肥料和农药等农化材料的效应原理；四是对植物生理调节的生理节水原理。研究揭示了农林保水剂应用对土壤水分、土壤结构、肥料保持、作物增产和环境效应等方面的直接和间接的影响。

农林保水剂是农业农村部肥料登记的产品之一。我国《农林保水剂》（NY 886）产品标准[6]于2004年颁布，2010、2016 和2022 年3 次修改，但至今没有相关配套田间试验标准。为确保农林保水剂产品的安全有效适用，有必要研究制定该类产品相关配套的田间试验效果评价标准。本文通过对国内外农林保水剂研发与应用效果等文献分析，主要涉及：（1）农林保水剂产品效果评价标准需求；（2）农林保水剂效果试验研究；（3）农林保水剂效果的主要评价指标；（4）影响农林保水剂效果的主要因素分析；（5）关于农林保水剂产品的环境安全性，进而为农林保水剂效果评价标准的制定提供技术支持和科学依据。

1 农林保水剂产品效果评价标准需求

农林保水剂是一类改善土壤水分性状的土壤调理剂，是农业农村部肥料登记的产品之一。目前农林保水剂产品执行行业标准NY/T 886—2022[6]。根据NY/T 886—2022 第3.1.1 条，农林保水剂是指“用于改善植物根系或种子周围土壤水分性状的土壤调理剂”。其产品是以合成聚合型、淀粉接枝聚合型、纤维素接枝聚合型等吸水性树脂聚合物和有机无机聚合型为主要原料加工而成，用于农林业土壤保水保肥、种子包衣、苗木移栽或肥料添加剂等[6]。

农林保水剂产品原料来源较多，主要包括淀粉系、纤维素系、聚合物系、蛋白质系、其他天然物及其衍生物、共混物及复合物系，通过田间试验评价产品效果是评价产品质量的必要环节。目前农林保水剂的效果试验主要存在以下问题：一是试验周期短，某些效果试验选取生菜、小油菜等绿叶菜类蔬菜进行小区试验，其生长周期只有30—40 d，无法有效对产品进行效果评价；二是评价指标不清，某些效果试验只针对作物产量进行评价，而缺少与“改善土壤水分性状”相关的基本观测数据和量化评价指标。目前我国已有的《农林保水剂》（NY/T 886—2022）[6]推荐性产品标准和《土壤调理剂效果试验和评价通用要求》（NY/T 2271—2016）[7]等标准均不能用以指导农林保水剂产品的田间试验及其效果评价。因此有必要研究制定农林保水剂效果评价标准，以指导农林保水剂生产企业规范产品效果试验及其效果评价。

2 国内外农林保水剂效果试验研究

保水剂或高吸水性树脂（super absorbent polymer，SAP）的研究可追溯到20 世纪50—60 年代，早期研究处于实验室阶段，采用的有机材料如多糖、瓜尔豆提取液、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）及其各种共聚物等，主要用作土壤结构稳定剂[8]。80 年代后期，美国等一些国家对于高吸水性树脂作为农用保水剂的研究给予很大关注，其应用范围包括农业、温室、庭院、菜园或植树造林、重建植被、机械化农业、草坪和自然景观等领域。

据国内研究文献报道[5]，以化学保水剂为主的我国土壤保水剂的研制和生产起步较晚，系统的应用研究从国家“七五”计划（1986—1990）开始。之后，保水剂在农业上应用研究，特别是干旱缺水地区应用保水剂对土壤水分等物理特性影响及其对作物生长和产量效果不断引起关注。蔡典雄等[3]试验研究表明，保水剂因具有吸水膨胀特性，对于快速吸持和保蓄水分、消除地表积水、减少土壤蒸发、提高土壤贮水量，因此可为作物提供较多有效水分，尤其对于提高砂土有效水分及其持水保水能力效果明显，这对缓解作物苗期干旱胁迫极其重要。根据中国农业科学院土壤肥料研究所在山西、河南、甘肃、内蒙古、北京、河北、山东、浙江、云南和四川等地开展的保水剂应用效果试验研究[5]，保水剂包衣处理的种子提前发芽，出苗率提高。使用内含5%保水剂的种衣剂后，冬小麦增产11%—12%，春玉米增产30%，夏玉米增产14%。保水剂田间施用187.5 kg·hm-2，冬小麦增产15%—30%，蔬菜类增产20%—40%，瓜果类增产12%—40%，块茎类作物增产14%—25%。

本文通过对国内外科学文献数据库（包括Science Direct、SpringerLink、Wiley Online Library 和中国知网（CNKI）等）中公开发表的关于农林保水剂效果试验研究文献进行检索调研，收集查阅了1990—2023 年国内外相关科研文献及相关标准等115 篇，其中包括我国干旱半干旱地区（如新疆[9-10]、甘肃[11-13]、内蒙古[14-19]、宁夏[20-22]、西藏[23]、青海[24]等地）、半湿润偏旱地区（如吉林[25]、辽宁[26]、北京[27-30]、山西[31-35]、陕西[16,36]、河北[37-38]和河南[39-42]等地）、少数湿润地区（如广东、贵州、重庆等地[43-45]），以及一些干旱半干旱气候区的国家（如伊朗、黎巴嫩、印度、巴基斯坦、斯里兰卡、突尼斯、乌干达、英国、意大利、德国、波兰、加拿大和美国等[46-67]）的相关试验研究。由国内外文献调研分析，保水剂效果试验研究大多实施于干旱半干旱气候或干旱缺水条件下，并涉及不同土壤质地、作物种类、保水剂类型及其施用方式和用量等，主要考察保水剂对土壤水分、作物出苗和产量及水分利用效率（water use efficiency，WUE）等的影响。国内外试验研究结果表明，保水剂具有改善土壤（尤其砂质土）蓄水保水能力，促进作物抗旱保苗增产和改善WUE 等作用，尤其对于干旱缺水地区节水增产具有积极作用。

3 农林保水剂应用效果的主要评价指标

表1 是对近十多年来（2006—2019 年）我国干旱半干旱（如新疆[9-10]、甘肃[12]、内蒙古[15,18-19]、宁夏[20-21]、西藏[23]等地）以及半湿润偏旱地区（如陕西[36]和河南[40-42]等地）农林保水剂效果试验研究文献中关于保水剂效果的主要评价指标的数据分析汇总。结果显示，保水剂处理的平均增产率和平均WUE 增幅分别为11.5%（-6.9%—50.7%）和15.6%（-4.3%—65.3%）；一些地区作物的保水剂效果试验出现减产或增产效果不明显[9-10,15,20-21,23,41-42]，其原因可能涉及地区水分条件、保水剂类型及其应用措施等各种因素的影响。通过对保水剂田间效果试验（包括不同地区气候条件、水分状况和土壤质地对不同作物种类的保水剂应用（包括保水剂类型及其施用方式及用量）对土壤水分、作物出苗、作物产量及其WUE 等影响）的数据分析，进而提出适用于农林保水剂效果评价指标，主要包括土壤贮水量、作物耗水量、作物产量及其WUE 等指标。此外，农林保水剂应用的经济效益也是农林业生产者所关注的一个重要指标。

表1 农林保水剂应用效果的主要评价指标（2006—2019 年）Table 1 Assessment indicators on the application efficacy of super absorbent polymer (SAP) for agriculture and forestry (2006-2019)

由于国内市场上保水剂的价格相对较高（高达45 元/kg），一些地区作物的保水剂应用出现负收益或增产不增收。如杜太生[13]在位于干旱地区的甘肃民勤县小坝口灌溉试验站（年均降雨量110 mm，补灌 750 mm）砂壤土春小麦-玉米作物的保水剂（聚丙烯酸钠型（PAA(Na)），用量分为15 和30 kg·hm-2）试验结果显示，保水剂低用量（如 15 kg·hm-2）处理下对产量影响不大，且出现负收益（-104 元/hm2）。有试验研究表明，从保水剂的施用方式来看，种子包衣或拌种处理保水剂用量较少，比较经济实惠[37]，但对土壤水分的影响不大，保水效果相对较小[13]；而沟施或穴施处理保水剂用量较大，生产投入成本相对高，但对土壤保水效果较好[13,38]。如高会东等[38]在河北邯郸旱地轻壤褐土比较保水剂种子包衣和穴追施处理对夏花生土壤的保水效果，观测发现2 种施用方式下土壤含水量分别为13.3%和15.7%，表明保水剂穴追施保水效果优于种子包衣。因此，建议对于有灌溉条件的土壤可采取保水剂种子包衣，而对于无灌溉条件的土壤，采取保水剂沟施或穴施。从保水剂应用的作物种类来看，保水剂用于玉米、小麦等传统作物，由于粮食价格较低，增收效益可能不明显，而对附加值较高的种植业如花卉、蔬菜、瓜果等，应用保水剂的经济效益相对较高[13]。如邹超煜等[16]通过对旱农地区不同种类作物的保水剂应用效果试验得出，在内蒙古河套灌区干旱区（年均降雨量142.7 mm）不同作物种类（如向日葵、玉米、春小麦和番茄等（分别补灌255、540、330 和100 mm））的保水剂（PAA(Na)型），用量为45 kg·hm-2）应用收益依次为：向日葵（11 476 元/hm2）、玉米（6 034 元/hm2）、番茄（1 775 元/hm2）、春小麦（1 528元/hm2），其增产率分别为27%、31%、11%和23%；在陕北安塞干旱半干旱区（年均降雨量549.1 mm）不同作物种类（如马铃薯、西瓜和玉米等）的保水剂（ 丙烯酸/ 丙烯酰胺- 无机矿物复合型（AA/AM-Atta））应用收益依次为：马铃薯（22 536元/hm2）、西瓜（2 637 元/hm2）、玉米（1 908 元/hm2），其增产率分别为约57%、35%和增产率18%。说明保水剂应用的经济效益受到地区水分条件的影响，还与其施用方式及用量、施用于作物种类以及保水剂的成本等因素有关。

4 影响农林保水剂应用效果的主要因素

综上试验结果（表1），如果参考农业农村部《肥料登记指南》（附件5 登记肥料肥效试验技术规程（暂行）要求“田间试验结果平均增产率5%以上”[68]，一些地区作物的保水剂效果试验出现减产或增产效果不明显[9-10,15,20-21,23,41-42]，还有的出现负收益或增产不增收[13]，说明保水剂对作物的应用效果受到地区气候环境、水分状况和土壤质地等条件的影响，不同地区作物类型对保水剂类型及其施用方式和用量的有效性和适宜性也不同，可能涉及一种或多种因素的影响。

4.1 水分条件

研究表明[5]，保水剂主要应用于干旱缺水条件，然而，保水剂不是造水剂，通常在旱地土壤上使用时一般应在雨季前施用，才有利于发挥保水剂蓄纳雨水的功能。对随作物种子一起施用保水剂（非拌种）情况，土壤墒情需在出苗临界水分以上3—5 个百分点为宜，而在出苗临界点或以下将会产生相反的结果。雷巧等[41]在河南郑州半湿润偏旱区砂质潮土上小麦不同水分处理（灌水量按0—40 cm 土层田间持水量（FC）的20%、40%、60%和80%）的保水剂（用量为45 kg·hm-2）效果试验显示，FC 的20%和80%水分处理和FC 的40%和60%水分处理的小麦增产率分别为2.2%—2.9%和12.4%—15.8%，WUE 增幅分别为4.0%—5.1%和15.1%—18.3%，表明土壤水分过少或过多都会影响保水剂的施用效果。李中阳等[42]在河南新乡半干旱区黏壤土上冬小麦滴灌（越冬水+拔节水+灌浆水共180 mm）下的保水剂效果试验显示，3 种类型保水剂（PAA(Na)型、淀粉接枝AA 型和PAM 型，两个用量为30 和60 kg·hm-2）的小麦增产率分别为2.4%—2.7%、1.3%—3.6%和3.2%—5.0%，其施用效果不明显可能与该区小麦生育期滴灌补水，加之黏壤土持水状况较好，作物水分胁迫较小有关。李磐等[9]在新疆阿克苏地区（年均降雨量45 mm）砂壤土上棉花不同灌水量处理（分为300、390 和480 mm）的保水剂（用量分为15、30 和45 kg·hm-2）效果试验显示，保水剂的施用效果随灌水量增加而递减，如在灌水量480 mm，保水剂用量15 和30 kg·hm-2处理的棉花增产率和WUE 增幅均较低，分别为2.5%—3.7%和1.7%—3.4%（表1）。以上研究表明保水剂施用效果与土壤水分状况关系密切，当水分充足时施用保水剂效果不大；而当水分亏缺时施用保水剂首先要满足自身吸水需求，因此，需注意保水剂与作物争水现象发生。

4.2 土壤质地

蔡典雄等[3]对保水剂（淀粉类聚合物，用量分为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.2%）对沙土物理特性如持水-脱水性能、胀缩性以及作物种子发芽的影响测试结果显示，保水剂具有良好的膨胀性、吸水快和减少蒸发等特性，尤其对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显。如不同水势（0—-600 kPa）范围内，沙土持水量随保水剂用量增加而明显增加（较对照高1.5—35.4 倍），且随水势下降（至-600 kPa）沙土持水量增加明显（较对照高3.6—35.4 倍）；保水剂试验用量范围内，沙土地冬小麦提前出苗1—4 d，出苗率提高10%—30%，表明保水剂在限水条件下对沙土地作物抗旱保苗效果较好。陈海丽等[69]对2 种类型保水剂（淀粉类（Starch）和聚丙烯酸盐类（PAA））在2 种质地土壤（砂土和壤土）的吸水保水特性进行测定，发现2 种类型保水剂处理均对砂土含水量增加作用比壤土明显。AGABA 等[59]在乌干达通过盆栽试验比较保水剂（德国产PAA 型，用量分为0.2%和0.4%）用于5 种质地土壤（砂土、砂壤、粉砂壤、壤土和黏土）对9 种林木苗的植物有效水含量和存活率的影响，结果显示，保水剂处理的砂土、壤土和黏土的有效水含量较对照分别提高2—2.7 倍、1.1—1.5 倍和1.1—1.2 倍；树苗存活率较对照分别提高2.1—3.1倍、1.7—2 倍和1.1—1.2 倍，其中保水剂用于砂土的效果较好。EL-ASMAR 等[54]在黎巴嫩贝鲁特通过盆栽试验比较2 种质地土壤（砂质黏壤和黏土）上保水剂（德国产交联型PAA(K)，用量分为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%）对土壤水分的影响，试验结果显示，在土壤水基质势为-100 kPa 下，测得保水剂用量为0.4%处理的砂质黏壤土的持水率达33%，而黏土的持水率变化不大，约4%。

4.3 保水剂类型

SU 等[14]在内蒙古鄂尔多斯干旱气候（年均降雨量33.6 mm）毛乌素沙地风沙土比较5 种类型国产保水剂（PAM 型、PAA(Na)型、PVA 型、AM-AA(K)共聚型、AM-AA(Na)共聚型）用于柠条种子包衣对柠条种子萌发及幼苗生长的影响，试验结果显示，5 种类型保水剂种子包衣的效果依次为：AM-AA(K)＞AM-AA(Na)＞PAA(Na)＞PAM＞PVA，出苗率较对照分别提高3 倍、2.7 倍、1.5 倍、1.46 倍和1.29 倍；干物重分别增加2.23 倍、2.22 倍、2.1 倍、1.9 倍和1.7倍，其中以AM-AA(K)/或(Na)共聚物类保水效果较好。JOHNSON 等[61]在英国利物浦温室番茄盆栽试验比较3种类型保水剂（Starch-PAN、PVA-AA和PAM-AA(Na)共聚型），用量0.3%）用于砂质土的效果显示，3 种类型保水剂对番茄增产效果依次为：PAM-AA(Na)＞Starch-PAN 和PVA-AA，其中以PAM-AA(Na)的效果为最佳。ABDALLAH 等[67]在美国北卡罗来纳州湿润亚热带气候比较3 种类型保水剂（PAA 型，加拿大产Stockosorb 660；PAM 型，美国产 Hydrosource；AM-AA(K)共聚物，加拿大产SuperAB A200），用量为0.15%、0.30%和0.45%）分别与壤质砂土混合对土壤保水和玉米生长的影响。模拟降雨试验结果显示，与对照（土壤渗滤水量约41.8%）比较，3 种类型保水剂处理的土壤渗漏损失分别为4.8%、5.5%和6.0%，其中以PAA 型对水分保蓄效果较好；玉米干物重较对照分别增加 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%）的效果较好。侯亚红等[23]在西藏拉萨河谷区高原半干旱气候（年均降雨量428.9 mm）砂壤土比较不同类型国产保水剂（Starch-AA 聚合物和PAA 类共聚型）对青稞产量的影响，结果显示，不同类型保水剂对青稞产量影响差异很大（增产率0.5%—13.6%）（表1）。

综上，保水剂效果试验研究文献来看，目前国内外的保水剂主要分为化学合成聚合物类（包括交联型PAM 或PAA、AM-AA 共聚物等）和淀粉接枝聚合物类（如Starch-AA 聚合物）等两大类。据文献报道[70]，因成分和合成方法不同，各类型产品吸持水分的特点各异。如在国际上，法国、德国、日本、美国和比利时等国生产的保水剂大多为交联型PAM，其特点是使用周期和寿命较长，吸水速度相对较慢，在土壤中的蓄水保墒能力可维持4 年左右；国内部分厂家生产的保水剂为PAA 型（如PAA(K)/或(Na)/或(NH4)型等），其特点是吸水能力较强，且吸水速度快，如在土壤中遇充分给水0.5—1 h 后便可迅速吸收自重130—140倍的水分，但保水性能最多为2 年。由于PAA(Na)型会造成土壤中Na 离子增加，因此建议以选择PAA(K)型为宜。Starch-AA 聚合物吸水倍率和吸水速度等性状极佳，但保存困难，如在遇水后15—20 min 内即可吸收自重150—160 倍的水分，但在用于造林地蓄水保墒时，使用寿命一般只能维持1 年左右。

从保水剂自身水分吸持性看，同样组成的聚合物交联度越低，一般吸水倍数和速率相对较高，其保水性、稳定性和凝胶强度相对较低；对于使用周期较长的保水剂需要较高的交联度，而不宜追求高吸水倍数和速率。凝胶强度高的保水剂吸水后有一定形状，不易解体，吸放水可逆性好，重复吸水-释水性稳定，其所吸80%—95%的水能够被植物利用[71]。因而选用保水剂时，不能单以保水剂高吸水倍数作为评判标准[5]。从产品适用性来看，建议对于作物秧苗移栽、种子包衣（包括林木苗蘸根、包衣等为提高树苗成活率），可选粉状和凝胶强度不一定很高的保水剂[5]；而以土壤蓄纳雨水为目的拌土使用的保水剂，不宜追求过高吸水倍数，可选用颗粒状和凝胶强度（寿命）高的保水剂[72]，如主要考虑保水剂重复吸水-释水性能（交联度），用以衡量保水剂对土壤保水的长效性和作物用水的有效性。如姜银光等[73]对3 种类型保水剂反复吸释水特性测定，比较其反复吸释水能力依次为：PAA(K)-AM 共聚型＞PAM 型＞PAA(Na)型。

4.4 保水剂施用方式

EL-ASMAR 等[54]在黎巴嫩贝鲁特通过盆栽试验比较2 种施用方式（条带施用和拌土）下2 种质地土壤（砂质黏壤和黏土）上保水剂（德国产交联型PAA(K)，剂量为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%）对玉米生长和松树苗存活及WUE 的影响，结果显示，在砂质黏壤上保水剂（剂量0.4%）条带施用的较之拌土处理的玉米地上鲜/干生物量提高11%—26%，松树幼苗存活率提高24%，WUE 提高10%—13%。杜社妮等[36]在陕西安塞黄土高原丘陵沟壑区黄绵土上比较3 种施用方式（撒施、沟施和穴施）下玉米施用保水剂（AA/AM-Atta 复合型和PAM 型，剂量为45 kg·hm-2）的效果试验结果显示，3 种施用方式下玉米增产率分别为5.5%—6.7%、18.1%—18.2%和16.9%—19.1%，WUE 增幅分别为11%—12%、33%—34%和32%—35%，其中以沟施和穴施效果明显优于撒施。赵敏等[37]在河北邯郸旱地轻壤褐土对保水剂的夏玉米种子包衣（1%）和沟施（剂量45 kg·hm-2）效果比较，2 种施用方式下夏玉米增产率分别为6.6%和8.1%。高会东等[38]对保水剂的种子包衣和穴追施效果比较，2 种施用方式下夏花生增产率分别为5.3%和28.8%。试验结果表明在灌溉水缺乏的雨养条件下，保水剂沟施或穴施的增产效果优于种子包衣。

4.5 保水剂施用量

在干旱缺水条件下，保水剂施用量对作物生产效果影响较大。一般来说，保水剂效果随施用量提高而增强，但施用过量反而不利作物生长[74]。如马宗仁等[21]在宁夏中部同心县半干旱区雨养条件下（年均降雨量349 mm）粉砂壤质黄绵土上玉米的保水剂（美国产ZeBa 淀粉基保水剂，剂量为10、20、30 和40 kg·hm-2）效果试验显示，剂量20 kg·hm-2处理（玉米增产率和WUE 增幅分别为33.7%和30.1%）明显高于剂量40 kg·hm-2处理（增产率和WUE 增幅分别为-6.9%和-4.3%）。张蕊等[15]在内蒙古河套灌区（年均降雨量143 mm，灌水量约为100 mm）壤质灌淤土上番茄定植前保水剂（AM-AA(Na)共聚型，剂量为30、37.5、45 和52.5 kg·hm-2）沟施处理，结果显示，保水剂效果以剂量45 kg·hm-2处理较好，番茄增产率和WUE 增幅分别为11%和6.2%（表1）。LIANG等[10]在新疆库尔勒市（年均降雨量70 mm，灌溉量为412.5—435 mm）砂质土上棉花的保水剂（聚谷氨酸，剂量为20、40、80 和160 kg·hm-2）效果试验显示，剂量40 和80 kg·hm-2处理较好，棉花增产率分别为16.1% —17.1%和15.9%—19.3%，而剂量160 kg·hm-2的增产率有所下降（7.1%—9.1%）。有研究指出[74]，农用保水剂合成过程中不可避免地残留某些有害组分，如AA 或AM 单体、Na 离子等，当这些有害组分浓度水平较高时（尤其在干旱缺水条件下）可能会对作物产生毒害。

综上，在不同地区气候、水分状况和土壤质地等条件下，保水剂（不同类型、施用方式及用量等）对不同作物种类的效果不同。建议在保水剂应用之前，需要通过对特定条件下（地区、水分和土质等）保水剂（不同类型、施用方式及用量等）的效果进行作物试验验证，以明确推荐作物适宜的保水剂类型、施用量及施用方式，确保该类产品经济适用且安全环保。

5 农林保水剂产品的环境安全性

由于农林保水剂（包括化学合成聚合物类和淀粉接枝聚合物类等）的合成都需要AA（acrylic acid）或AM（acrylamide）单体作为原料进行聚合反应，在其合成过程中没有完全反应的残留AA或AM单体等会保留在产品中[74]，或者当保水剂农用时其降解产物（AA 或AM 单体）还会在土壤中继续释放和迁移，可能被植物吸收或渗入地下水，对水环境及人类健康存在潜在风险。因此，随着保水剂产品在节水农业中的应用推广，这类产品的环境安全性也是不可忽略的。

5.1 PAM 型产品中AM 单体的生物毒性

研究所知，PAM 本身对动植物和环境无毒无害，但是PAM 的分解产物AM 单体（主要来自PAM 合成时没有完全反应的残留及其降解产物）却是具有生物毒性的。早在1985 年，世界卫生组织（WHO）已经对AM 的环境暴露及其毒性影响高度关注，如在WHO国际化学品安全规划（IPCS）出版的专著《环境卫生基准49：丙烯酰胺》中对AM 的环境安全性作出评估，由大量研究证实AM 单体具有较强的神经毒性、生殖毒性、遗传毒性和潜在致癌性[75]。1994 年在WHO 国际癌症研究中心（WHO-IARC）系列专著《化学物对人类的致癌危险性综合评价》中将AM 单体归类为2A级“很可能对人类致癌物，probably carcinogenic to humans”[76]。2007 年我国在《危险废物鉴别标准 毒性物质含量鉴别》：GB 5085.6—2007[77]国家标准中将AM 列为“致突变性物质，mutagenic substance”，被定义为人类的生殖细胞突变并能遗传给后代的物质。郭非凡等[78]通过急性和亚急性暴露试验研究了PAM和AM 对赤子爱胜蚓存活、生长和繁殖的影响，结果显示，PAM 和AM 对蚯蚓的半致死剂量（LC50）分别为大于2 000 和164 mg·kg-1，表明土壤中的PAM 残留对土壤环境有潜在风险。赵丹等[79]通过急性毒性试验研究了PAM 对不同水生生物（藻类、滤食性浮游动物及鱼类等）的毒性影响结果显示，AM 对斜生栅藻96 h 半抑制质量浓度（IC50）、对大型蚤48 h 半效应质量浓度（EC50）和对斑马鱼48 h 半致死质量浓度（LC50）分别为61.5、127.3 和14.8 mg·L-1，其中鱼类对AM 最为敏感。在日本曾发生过因水污染导致人类急性AM 中毒事件，据IGISU 等[80]报道，井水污染与当地1974 年2 月18 日在工程地基中使用的化学灌浆材料中AM 渗出流入附近的井水有关。

为评估作物对AM 单体的吸收以及在植物体内的积累风险，MROCZEK 等[81]通过水培生菜试验（采用2 个商售PAM 絮凝剂（水处理剂PAM 中AM 浓度分别为176 和763 mg·kg-1）配制成营养液）观察水培作物对AM 残留单体的响应，不同处理的水培生菜叶片中均检出AM 单体（平均分别为10 和30 μg·kg-1）；并观察到AM 对生菜生长有不利影响，如降低了生菜鲜重和叶数。该研究证实了PAM 处理的营养液中AM 单体可从水凝胶中迁移，被植物组织吸收和积累，表明AM 基保水剂的农用可能存在食品安全风险。

5.2 PAA 型产品中AA 单体的生物毒性

据CHEN 等综述[82]，PAA(Na)型保水剂自1994年首次开发以来，交联型PAA 型聚合物因其具有优异的吸水性能而取代了先前的材料，目前已成为保水剂的主要类型，尤其PAA(Na)型已经占高吸水性树脂市场的最大份额。据文献报道[74]，以AA 为单体制备保水剂时，需用碱中和到70%以上，目前多采用NaOH，中和度70%的交联PAA(Na)型保水剂产品中Na 含量将达到16%。因PAA(Na)型产品中含较多Na 离子，如长期使用可能增加土壤积盐和作物盐害风险，对土壤结构和作物生长带来不利影响。如CHEN 等[83]通过玉米幼苗培养试验发现，PAA(Na)型保水剂处理的幼苗根中Na 离子为对照的10 倍以上，显著抑制根系生长。因此建议农林保水剂以选择PAA(K)型为宜[70]；然而，PAA 型产品中AA 单体残留的环境安全性仍然引起人们关注。

1997 年，在WHO 国际化学品安全规划（IPCS）出版的专著《环境卫生基准191：丙烯酸》中对AA的环境安全性作出评估，有大量研究数据显示[84]，AA通过口服、吸入或皮肤接触等途径进入人体，其对呼吸道有强刺激性，对皮肤和眼睛有腐蚀性或刺激性；AA 可溶于水，不易被土壤或沉积物吸附，当释放到水中时，在好氧条件下容易生物降解；AA 单体具有低至中度急性毒性。WHO-IARC 在1999 年[85]和2019年[86]出版的系列专著《化学物对人类的致癌危险性综合评价》中将AA 和AA 酯类单体分别归类为3 级（不能对人类致癌性分类，not classifiable as to its carcinogenicity to humans）和2B 级“可能对人类致癌物，possibly carcinogenic to humans”。2007 年我国在《危险废物鉴别标准 毒性物质含量鉴别》：GB 5085.6—2007[77]国家标准中将AA 列为“剧毒物质，acutely toxic substance”，被定义为具有非常强烈毒性危害的化学物质。STAPLES 等[87]研究了AA 类化合物对鱼类和淡水水蚤类动物的毒性特征，结果显示，AA 对鱼类和无脊椎动物的急性毒性评级从无毒到轻度中毒的浓度范围为27—236 mg·L-1。王朝晖等[88]通过急性毒性试验研究了AA 类物质对不同水生生物（鱼类、藻类及水生甲壳类等）的毒性，结果显示，AA 对食蚊鱼96 h 半致死质量浓度（LC50）为15.30 mg·L-1；对3种海洋微藻96 h 生长潜力半抑制质量浓度（IC50）为50.73—72.41 mg·L-1；对2 种水生甲壳类48 h 半效应质量浓度（EC50）为135.41—143.50 mg·L-1，其中鱼类对AA 类物质最为敏感。

CHEN 等[44]通过PAA(Na)型保水剂盆栽（用量分为0.1%、0.3%和0.6%）和水培（AA 浓度分为0、2.5、5 和10 mg·L-1）试验对玉米种子发芽的安全性测试。盆栽试验显示，PAA(Na)型保水剂可抑制玉米生长，并改变根系形态；在保水剂水凝胶处理1 h 后，根中丙二醛（MDA）含量显著增加，而超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）含量显著降低；水培试验发现，营养液AA 浓度为2.5 mg·L-1时，根和茎生长受到抑制；AA 浓度超过5 mg·L-1时，根系生长受阻。

5.3 PAM 或PAA 型相关产品中单体残留限量

研究已知，PAM 或PAA 型相关产品或材料中因含有AM 或AA 单体残留等物质，具有不同程度的生物毒性及环境安全风险，涉及水处理剂、洗涤助剂、卫生用高吸收性树脂、农林保水剂等相关产品安全应用。我国的相关产品标准对部分产品中AM 或AA 残留量已作出限量规定[89-93]，如《水处理剂 阴离子和非离子型聚丙烯酰胺》：GB 17514—2017（饮用水和污水处理AM 限量分别为≤0.025%和≤0.05%）[89]；《水处理剂 聚丙烯酸》：GB/T 10533—2014（工业水处理AA 限量≤0.5%）[90]；《洗涤助剂 聚丙烯酸钠》：QB/T 5481—2020（AA 限量≤0.01%）[91]；《纸尿裤和卫生巾用高吸收性树脂》：GB 22875—2018（婴儿纸尿裤用和成人卫生巾用AA 限量分别为≤0.08%和≤0.10%）[92]；《环境标志产品技术要求 吸收性卫生用品》：HJ 1061—2019（AA 限量≤0.06%）[93]。此外，我国制定的水环境质量标准也对AM 或AA 残留量有严格限定，如《生活饮用水卫生标准》：GB 5749—2022（AM 和AA 限量分别为≤0.0005 mg·L-1和≤0.5 mg·L-1）[94]；《地表水环境质量标准》：GB 3838—2002（AM 限量≤0.0005 mg·L-1）[95]，然而，现行农林保水剂产品标准对AM或AA单体尚未限量要求。

根据文献调研，市场上国内外生产的部分PAM或PAA 型相关产品中AM 或AA 单体残留量存在不同程度超标[74,81,96-102]（表2）。如王杰等[98]采用气相色谱法对10种PAM高聚物样品中AM残留单体测定，测得AM 残留量为0.10%—1.25%，超出《水处理剂 阴离子和非离子型聚丙烯酰胺》：GB 17514—2017[89]标准限量（I 类≤0.025%）占比高达100%。李朝晖[98]对国内外市售12 种水处理剂PAM 产品中残留AM 单体检测，测得产品中AM 残留量为0.0028%—0.44%，超出GB 17514—2017[89]中I 类标准占比达58.3%，其中国产PAM 中AM 单体为0.038%—0.44%，超标率达100%。王成龙等[99]对市面上购买6 种PAM 产品检测，测得PAM 中残留AM 范围在0—0.43%，部分存在超标风险，如相关产品在食品应用上（如食品添加剂）存在安全风险。MROCZEK 等[81]对8 种波兰商售PAM 絮凝剂检测，测得产品中AM 单体为34—1 005 mg·kg-1，其中超出水处理用I 类标准（≤0.025%）占比为62.5%。

表2 聚丙烯酰胺或聚丙烯酸（PAM 或PAA）型相关产品中丙烯酰胺或丙烯酸（AM 或AA）单体残留及其相关标准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]采用高效液相色谱对PAA 型高吸水性树脂中AA 单体残留量测定，测得产品中AA 单体残留量为0.0031%—0.4213%。符军放等[101]对水处理剂PAA 产品中残留的AA 单体测定，测得产品中AA 单体残留量为0.97%—1.23%，远超出《水处理剂 聚丙烯酸》：GB/T 10533—2014[90]标准限量（工业水处理≤0.5%）占比高达100%。张莉莉等[102]对5 种卫生用PAA 型高吸水性树脂检测，测得产品中AA 残留量为0.0614%—0.246%，超出《纸尿裤和卫生巾用高吸收性树脂》：GB 22875—2018[92]标准限量（≤0.08%—0.1%）占比达60%（这是直接与人体接触的，需要限定）。据司徒艳结等[74]报道，市售10 种农用保水剂产品中AA 残留量为390—7 940 mg·kg-1。赖莺等[103]采用微波辅助萃取-气相色谱-质谱检测方法，对厦门口岸13 种进出口AA 树脂样品中残余单体（AA 及AA 酯类等）含量测定，测得AA 树脂水溶液中AA 和甲基AA 单体残留量分别为0—19 486 和0—4 134 mg·kg-1。

由表2 可知，市场上国内外生产的PAM 或PAA相关产品（包括农林保水剂）被检出AM 或AA 单体残留量超标占比分别为22%—100%和7.7%—100%。如前研究所述，随着PAM 或PAA 型保水剂农用，其产品中残留的AM 或AA 单体以及PAM 或PAA型材料的降解产物可在土壤中迁移，还可能进入植物体[44,74,81]或渗入地下供水系统[80]，以致可能对作物和水生物以及人类健康造成危害[44,74,78-80,81,87-88]。建议相关部门对于PAM 或PAA 型农林保水剂产品加强残留单体检测及其残留单体的环境安全阈值的研究，为农林保水剂产品的环境安全性提供保障。

5.4 PAM 或PAA 型聚合物的降解

农林保水剂的环境安全性，除了涉及PAM 或PAA 型产品中AA 或AM 单体的生物毒性外，PAM或PAA 型材料的弱降解性及其降解物对环境安全的影响也已有关注。因PAM 或PAA 型材料具有高稳定性的碳原子C-C 交联主链，且具有高分子量和低水溶性，因而呈较差的（生物）降解性，为此也已经引起人们对环境影响的担忧[82]。

在自然条件下，PAM 型聚合物会发生缓慢的物理（热、机械）、化学（水解、氧化以及催化氧化）和生物降解（微生物酶解），最终生成各种低聚物以及具有神经毒性的剧毒AM 单体[104]。据文献报道，PAM在土壤中的降解相对较慢，大约以每年10%的速率降解[105]。而AM 单体在酰胺降解酶的作用下，可在土壤中迅速降解。如SHANKER 等[106]研究发现，当30 ℃时，在花园土中加入AM（浓度为500 mg·kg-1），5 d后已检测不到AM 单体。王玺洋[107]对施用PAM 后的茶园土壤和茶叶中AM 残留量测定显示，春、夏两季茶园高温多雨，微生物活动可能加速了AM 降解，在土壤和茶叶样品中均未检出AM 残留；而秋季茶园温度降低，微生物活动变弱会减慢AM 降解，在土壤和茶叶中检出AM 微量残留（分别为0.008—0.036 和0.011—0.095 μg·L-1）。有研究表明[75]，在好氧土壤条件下，AM 的半衰期在20 ℃时为几天，但随温度降低而延长；在微生物活动较弱的河流和沿海地区，AM残留可能会驻留数日、数周或数月。LANDE 等[108]对AM 在美国纽约4 种质地土壤（粉砂质壤土、黏壤土、壤质砂土和壤土）中降解和淋溶测定显示，在22 ℃，70%的田间持水量时，AM（浓度为25 mg·kg-1）的半衰期为18—45 h，其降解速率随AM 浓度提高和温度降低而减弱；淋溶试验数据显示，AM 在土壤和水环境中移动性较强，尤其在砂质土壤中移动性最强而降解相对较弱，表明AM 在砂质土壤的易淋溶性对水污染存在一定风险。

WILSKE 等[109]对PAA 型保水剂在德国的4 种质地的农业土壤（砂土、壤质砂土、砂质壤土和壤土）和3 种温度（20、25 和30 ℃）下进行生物降解试验，24 周后PAA 型保水剂的平均降解率在0.45%（壤质砂土）到0.82%（壤土）之间，但不同土壤和不同温度间的差异不大。该降解试验显示，土壤中PAA 型保水剂主链大约以每6 个月为0.12%—0.24%的速率降解。CHEN 等[44]对PAA(Na)型保水剂降解试验显示，保水剂中AA 的降解需15—20 d，其释放和降解随土壤湿度提高而加快，如在土壤田间持水量为41.3%条件下可快速降解和释放，第3 天减少97.3%，第15 天凝胶中已检测不到AA。然而，在干旱缺水的土壤，保水剂中AA 的降解速率将会减缓[74]。由于合成聚合物保水剂多应用于旱作农业土壤，对该类产品的生物降解性及其环境效应也被引起关注[110]。

近年来，我国多地农田土壤中已被检出多种微塑料组分，鉴定出多种微塑料聚合物类型（表3），其中还有农田土壤被检出AA聚合物及AA酯共聚物类型的降解产物[111-114]（表3）。如ZHOU 等[111]通过对杭州湾东部沿海平原农业土壤（水稻、玉米或高粱田）中的微塑料聚合物类型鉴定，确定了10 个聚合物类型（包括3 种共聚物），其中包括AA 类聚合物降解产物。刘梦婷[112]通过对上海郊区12 个样地的4 类土壤（潮土、黄棕壤土、水稻土和滨海盐土）中的微塑料组分鉴定分析，检出主要有5 种微塑料聚合物类型，其中AA 类聚合物降解产物占比15.2%。郝永丽[113]通过对黄土高原典型小流域土壤中微塑料组分检测，检出主要有8 种微塑料聚合物类型，而耕地土壤中微塑料组分主要以5 种聚合物类型为主，其中AA 类聚合物降解产物占比5.8%（表3）。胡佳妮[114]采用μ-FTIR（显微傅里叶变换红外光谱仪）分析技术对全国21 个省的30 片大型农田土壤中微塑料聚合物类型进行鉴定，检出主要有7 种微塑料聚合物类型，其中PAA 类聚合物降解产物占比2.8%。该研究表明，我国旱地农田耕层土壤中普遍存在微塑料污染，以干旱寒冷的北部地区和种植业高度发展的华中和华东地区污染较为严重，西南地区相对较轻[114]。综上研究结果，我国农田土壤中还存在AA 类聚合物降解产物[111-114]，表明AA 类聚合物农用可能因其降解缓慢而在土壤中残留和累积，或迁移进入植物体和渗入地下水。

表3 我国农田土壤中检出丙烯酸（AA）类聚合物降解产物Table 3 Degradation products from acrylic acid (AA)-based polymers detected in cropland soils in China

鉴于目前市场上农林保水剂产品多以化学合成聚合物类（包括PAM 或PAA 型）为主导，但由于这类材料生物降解性较差，其降解物在土壤中残留和累积，可能还会进入食物链[82]。对此，以各种可生物降解材料为主体的产品研发受到更多关注，如通过将多种官能团（包括AA 或AM 等）接枝到天然聚合物材料（包括淀粉、纤维素和壳聚糖等）上的农林保水剂（如淀粉接枝聚合物类等）将可能成为主导[82,110,115]，PAM或PAA 型保水剂材料将可能逐步被可生物降解性天然聚合物类材料所替代。

6 结论和建议

农林保水剂是一类改善土壤水分性状的土壤调理剂。根据对过去三十多年来（1990—2023 年）国内外农林保水剂效果的试验研究文献分析，保水剂具有改善土壤（尤其砂质土）蓄水保水能力。对干旱缺水地区的作物抗旱保苗、节水增产和改善WUE 具有积极作用。

我国于2003 年开始对农林保水剂产品进行登记。目前农林保水剂产品执行行业标准NY/T 886—2022，但现行的农林保水剂产品标准，以及《土壤调理剂效果试验和评价通用要求》（NY/T 2271—2016）均不能用以指导农林保水剂产品的田间试验及其效果评价。为确保农林保水剂产品的安全有效应用，本文结合国内外30 多年来的相关研发与应用文献分析，针对农林保水剂应用对土壤保水、作物用水、作物产量及其环境影响等效果进行综述研究，提出如下建议。

（1）针对近十多年来（2006—2019 年）我国干旱半干旱地区农林保水剂应用效果（主要对土壤保水、作物用水、作物产量及其WUE 等）的试验数据分析，提出适用于农林保水剂应用效果评价指标，主要包括土壤贮水量、作物耗水量、作物产量及其WUE 等指标，用以指导农林保水剂产品的田间试验及其效果评价。建议有关部门组织研究，明确相关评价指标的应用条件、评价方法、量化指标等，为农林保水剂的效果评价提供技术指导。

（2）农林保水剂效果试验数据还显示，一些地区作物施用保水剂增产效果不明显或出现减产，还有的出现负收益或增产不增收等现象，说明保水剂效果与地区水分状况、土壤质地、作物类型、保水剂类型及其施用技术等有关。因此，农林保水剂应用需要制定相应的应用技术规程，明确作物适宜的保水剂类型及其施用方式和用量，以确保该类产品安全有效且经济适用。

（3）目前市场上农林保水剂产品多以PAM 或PAA 型聚合物产品为主导，其产品的环境安全性主要涉及产品中残留AM 或AA 单体的生物毒性，以及PAM 或PAA 型产品的生物降解性等。建议相关部门对于PAM 或PAA 型农林保水剂产品加强残留单体检测及其残留单体的环境安全阈值的研究；此外，对于产品的降解性指标与土壤生态环境的安全性的关联性还有待探讨，以期为农林保水剂产品的环境安全性提供保障。