保水剂对土壤物理性质的影响
保水剂自身有多种官能团，能与周边土壤发生各种物理化学反应而促进土壤结构改变，增加土壤的团聚体数量。保水剂直接作用土壤水分的效应为40%，其余效应为其提高土壤吸水能力，增加土壤含水量，保水剂改良土壤结构的效应则占其效应力的60%。正是该效应使土壤的容重下降、孔隙度增加，土壤的水、肥、气、热得到协调（黄占斌等，2016）。
（一）保水剂对土壤持水能力的影响
保水剂吸水性强，加入土壤后能提高土壤对灌水及降水的吸收能力。受土壤溶液中各种盐基离子及土壤颗粒对水分吸持作用的影响，保水剂常常达不到其在纯水中的吸水倍率。试验表明，在一定范围内土壤吸水能力随保水剂用量的增加而增加，但用量达到一定限度后，对土壤吸水能力的影响变得不明显。保水剂不仅能增强土壤的吸水能力，提高土壤的吸水速度，而且能缓慢释放出大部分水量，成为作物吸收利用的有效水；经测定，性能好的保水剂，90%以上的水能被作物吸收利用成为有效水，性能差的保水剂，有效水占吸持水分的比例为2/3左右，1/3左右的水分成为无效水（黄占斌等，1999）。
有研究表明，在一定范围内保水剂的保水能力与其使用浓度呈极显著正相关。在土壤低吸力段（0～80 kPa），随保水剂用量的增加，土壤持水容量增大，从而增加了作物可利用的有效水；在相同含水率时，土壤水能态随保水剂用量增大而降低；但在相同水分能态下，土壤含水率随保水剂的增加而明显增加（李云开等，2002）。由于土壤质地组成不同，持水量（有效含水量）的增加也有差别。保水剂与土壤以1∶50混合，细沙有效含水量比不加保水剂增加1倍以上，而壤土有效含水量增加50%（谢伯承等，2003）。蔡典雄等（1999）研究也表明，施用保水剂可提高土壤持水量。保水剂与土壤混合比例不同，持水量（有效含水量）的增幅也不相同。研究发现，保水剂与壤土混合比例为1∶50时，土壤有效含水量由不加保水剂时的15.67%增加为23.77%；比例为1∶100时，土壤有效含水量增加到19.63%，比例为1∶500和1∶1 000时，土壤有效含水量基本没有变化。
（二）保水剂对土壤水分的影响
保水剂的吸水持水性，使其施入土壤后能大幅度提高土壤对水分的吸收能力，使水“固化”在树脂网络结构中，起到保水的作用（李晶晶和白岗栓，2018）。李云开等（2002）认为，保水剂不仅能增强土壤的吸水能力，提高土壤的吸水速率，而且能缓慢释放出大部分水，成为作物吸收利用的有效水。有研究（袁普金等，2002；蔡典雄和赵兴宝，2000）表明，保水剂的使用效果与土壤水分含量高低有很大关系。有研究表明，土壤含水量与保水剂浓度呈正相关趋势，土壤含水量随着保水剂浓度的增加而提高（宋永莲等，2003；黄占斌等，2004；孙宏义等，2005）。吴德瑜（1991）研究表明，施用保水剂之后，可大幅提高土壤含水量，在干旱期间缓慢释放储存的水分，使种子、植株根系周围的土壤可利用水增加，显著抑制土壤水分蒸发消耗，减缓了旱情。蔡典雄等（1999）发现，当水势相同处于0～0.6 MPa时，0.2%～1.2%梯度的保水剂与沙土混合之后，土壤含水量随保水剂梯度增大而增大，土壤含水量较不施保水剂（对照）提高1.5～35.4倍。黄占斌等（2004）研究发现，将2%的保水剂与砂壤土或重壤土混合施用使砂壤土和重壤土的土壤含水量比对照分别高76%和69%，且保水剂吸收的水分有90%可供给作物直接吸收利用。陈宝玉等（2008）研究表明，向土壤中分别施入保水剂0.5%、1.0%、1.5%并混合拌匀，施入保水剂处理的田间含水率、自然含水率、毛管含水率、饱和含水率等均比对照有一定提高，且随保水剂的施用量增大而增大。
（三）保水剂对土壤容重的影响
保水剂施用于土壤之后迅速吸水膨胀，使土壤中分散颗粒黏结成块状，增加了土壤总孔隙度及非毛管孔隙度，使土壤容重降低（纪冰祎等，2018）。将不同用量的保水剂与土壤混合后，土壤毛管水饱和时的固、液、气三相组成发生了不同程度的变化，随保水剂施用量的增大，土壤液相组成比例（相当于毛管孔隙度）增加，固相、气相组成比例相对减少，土壤容重明显降低。而总孔隙度增大，主要是增加毛管孔隙度（包括毛管孔隙和无效孔隙），即增大了毛管持水容量。保水剂保水供水的内在机制除了与其本身吸水较多有关外，其吸水膨胀后对土壤孔隙性的改善，尤其是提高毛管孔隙度也有重要作用。
施用保水剂后，随保水剂用量增加，土壤容重下降，总孔隙度和毛管孔隙度则呈上升趋势。高超等（2005）将聚丙烯酸钾盐型保水剂施用在红壤上发现，因为保水剂吸水膨胀，使土壤也发生膨胀，变得疏松，孔隙度增加容重降低，土壤容重随着使用保水剂量的增加，降低的程度增大。何传龙等（2002）用新型抗旱保水剂处理在砂姜黑土上发现，土壤容重下降13.5%，毛管持水量、总孔隙度分别提高18.3%、9.4%；高有机质砂姜黑土容重下降9.6%，毛管持水量、总孔隙度分别提高9.1%、6.3%；盐碱土容重下降23.8%，毛管持水量、总孔隙度分别提55.2%、23.5%；黄棕壤容重下降9.7%，毛管持水量、总孔隙度分别提高28.6%、8.5%。龙明杰等（2002）通过试验也得出类似结论：各保水剂处理的土壤容重均比对照减小，减小幅度为4.9%～11.3%；土壤坚实度减小范围达52.4%～113.8%。施入保水剂后也使土壤总孔隙度有大幅度增加，提高幅度为7.5%～15.5%，非毛管孔隙比对照提高9.1%～37.9%，较好地改善了土壤的通气性和透水性；毛管孔隙度比对照增加7.3%～11.9%，显著提高土壤吸水能力（刘瑞凤等，2005；林文杰等，2004）。
（四）保水剂对土壤蒸发的影响
保水剂具有明显抑制蒸发、保持水分的效果。其原因可能有以下两方面：一是保水剂改善了土壤孔隙的组成，毛管上升水被团粒间的毛管孔隙吸持而减少，同时它还与团粒内非毛管孔隙增加而切断表面土毛管联系相关；二是由于聚合电解质的作用，影响水分形态，使其发生变化，降低水压，从而降低土壤水分的蒸发强度，增加土壤的持水量（张国桢等，2003）。黄占斌等（2004）证明，保水剂可改变土壤孔隙的组成，降低土壤不饱和导水率，使表层土与下层土的水势梯度变陡，减缓了土面蒸发（王志玉等，2004）。
在干旱胁迫的条件下，保水剂的浓度越大，抑制土壤水分蒸发的能力越强，但随着时间的延长，不同含量的保水剂抑制土壤水分蒸发的差异会变小（安琪和李红影，2011）。也有研究认为，施用保水剂对土壤蒸发没有明显影响，反而在轻壤土和重壤土中施加保水剂之后累积蒸发量有所增加（张富仓和康绍忠，1999），而且肥料能够降低保水剂抑制土壤蒸发量的能力（李继成等，2008；Yu，et al.，2012）。赵霞等（2013）经过大田试验对比发现，保水剂结合播后镇压及秸秆覆盖能够有效抑制土壤水分蒸发。也有研究发现，保水剂与生物炭结合能够有效地抑制土壤水分的蒸发并增强土壤的保水效果、降低土壤水分蒸发速率（程红胜等，2017）。李兴等（2012）把不同粒径的保水剂对土壤的蒸发过程进行了比较，发现保水剂与土壤水分蒸发间的关系不受粒径大小的影响，但马生丽等（2012）通过试验得出，较小粒径的保水剂更能抑制水分的蒸发，而且水分的稳定蒸发期随着保水剂用量的增大而变长。对于以上这几种观点的不一致，可能与在试验设计中选取保水剂的粒径大小范围不同有关。
（五）保水剂对土壤入渗的影响
在土壤中加入保水剂不仅能有效提高土壤对灌水和降水的吸收，提高土壤的持水性，而且还能提高土壤的入渗率，加快土壤的吸水速度，以及降低土壤水分的蒸发损耗，防止因土面蒸发而造成的土壤水分损失。员学锋等（2005a）用入渗透仪法测定了轻壤土、中壤土和重壤土3种土壤加入1%BP保水剂后土壤饱和导水率。研究结果表明，3种土壤加入BP保水剂使土壤饱和导水率降低1个数量级左右，其原因是在溶胀过程中体积膨大使土壤中大孔隙不断减小而使土壤饱和导水率逐渐降低。龙明杰等（2002）根据试验得出，施用聚丙烯酰胺的土壤渗透系数比对照增加，土壤结构的改善使土壤的孔隙增多，从而也使其渗透性增强，因而可减少降水或灌溉时的地表径流，并使水土流失降低。另外亦有试验研究（员学锋等，2005a）表明，在土壤中加入聚丙烯酰胺浓度为1/10 000时可以增加土壤入渗速率，当聚丙烯酰胺以4/10 000和8/10 000的比例与土壤混合时，土壤的稳渗速率大幅度降低，二者分别较对照土壤的稳渗速率减少65.9%和88.2%。
刘亚敏等（2011）研究了层施保水剂用量对水分入渗特性的影响，结果表明保水剂对水分有阻渗作用，且施用量越大，阻渗作用越强；在降水较少时，保水剂吸水保持水分，减少蒸发，但当降水强度较大时，保水剂大量吸水，使土壤孔隙状况发生改变，产生阻渗作用，减弱水分的下渗。黄占斌等（2002）研究表明，含0.1%保水剂土壤第一次、第二次降水中土壤水分最终入渗率分别提高43%和44%。王慧勇等（2011）研究结果表明，混施保水剂不同程度上减小砂质土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离；保水剂混施用量越多，入渗率的降低程度越大，累积入渗量和湿润锋运移距离越小。白文波等（2010）研究结果表明，层施和混施保水剂都能不同程度地增加土壤入渗。层施保水剂对土壤入渗增加的效应有限，浓度过高不仅会抑制土壤入渗，而且抑制效应会随着保水剂浓度的进一步增加而加剧；但混施条件下保水剂可使土壤累积入渗量120 min内增加1.1～2.1倍，且土壤入渗的增加与保水剂浓度呈正相关。
（六）对土壤团粒结构的影响
施用保水剂可增加土壤团粒结构的百分率，增加孔隙的比例（黄占斌等，1999；刘春生等，2003），在红壤中也有相似的变化趋势（高超等，2005）。然而，当保水剂用量超过某临界值时，团粒含量下降，土壤结构可能遭到破坏（杨红善等，2005）。添加的保水剂高分子链结构可增强易分散微粒间的黏结力，使微粒能够彼此黏结，团聚成水稳性团粒，从而引起粒径组成的变化，形成较大团粒结构（庄文化等，2007）。大量试验研究证明，在土壤中加入高分子保水剂有利于土壤团粒结构的形成，特别是大于1 mm的团聚体比例增长迅速（黄占斌等，2004；张国桢等，2003；员学锋等，2005b）。而且随着保水剂用量的增加，土壤团聚体的含量提高，但并非呈线性关系。当土壤中保水剂含量小于某一值时，随着加入量的增加，团聚体含量明显提高。王正辉等（2005）研究聚乙烯醇对砂土的作用后发现，土壤中的团粒数从6.7%～63%增至7.5%～79%。周岩（2011）研究保水剂对土壤结构性能的影响结果表明，随营养型抗旱保水剂用量增加，保水剂对砂土>0.25 mm粒径团聚体的影响显著，并随用量增加而增大，对砂壤土团聚体含量也有所提高。黄占斌等（2002）试验表明，保水剂对0.5～5.0 mm土壤粒径的大团粒形成效应明显，经过比较发现，保水剂添加土壤0.005%～0.010%量使土壤团聚体增加效果最明显。保水剂对土壤团粒结构的形成有促进作用，特别是对土壤中0.5～5.0 mm粒径的团粒结构形成最明显（李云开等，2002）。
（七）保水剂对土壤温度、pH值的影响
保水剂能够吸收大量的水分，对土壤温度的升降有一定的缓冲作用，因此保水剂可在不同的气温下调节土壤温度，提高作物的抗旱性能，促进作物的生长（纪冰祎等，2018）。已有试验表明，在土壤中施用不同种类的保水剂后，对地表以下不同深度的温度变化进行观察，发现保水剂均能够有效地调节地温，能够起到稳定土壤温度的作用（陈宝玉等，2008）。方锋和黄占斌（2003）在陕西延安地区的试验中发现，在田间使用保水剂可提高土壤温度1.5～2.5℃，在全生育期增加有效积温200～300℃。但保水剂的不同种类以及不同施用方式对调节土壤温度的差异并不明显（周东果等，2011；杜社妮等，2012）。在砂壤土上进行试验表明，6 d内保水剂处理的最高地温比对照低3℃，最低气温比对照却高1.5℃，地温日变化量比对照缩小近5℃（李云开等，2002）。另外一些研究也表明，施用保水剂能使地温的日变化量缩小（李秋梅等，2000）。保水剂对土壤pH的影响研究尚有争议。有研究表明，在苗圃熟土与沙子按2∶1比例混合的土壤中添加丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物保水剂，随保水剂用量的增加pH稍微减小，几乎无影响（陈宝玉等，2008）。有研究认为，合适用量的保水剂能显著降低碱性土的pH（魏胜林等，2011）。有研究也发现，保水剂的施用使土壤向碱性方向变化，而且随保水剂用量的增加，土壤pH逐渐增大，在保水剂用量大于0.1%时增大趋势更加明显（杨红善等，2005）。由于保水剂的生产材料和性质的一些差别，土壤pH增加趋势可能会有所不同。刘春生等（2003）研究表明，KD-1型抗旱保水剂对土壤酸碱度的影响作用不明显。