南方茶園紅壤施用PAM對土壤理化性質和茶葉安全的影響

王璽洋，黃炎和，林金石，葛宏力，蔣芳市，朱高立，李洪康

福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002

南方茶園紅壤施用PAM對土壤理化性質和茶葉安全的影響

王璽洋，黃炎和*，林金石，葛宏力，蔣芳市，朱高立，李洪康

福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002

傳統的水土保持措施在坡地茶園上應用比較困難，而利用聚丙烯酰胺（PAM）來防治茶園土壤侵蝕的適宜性還有待研究。因此，在鐵觀音(Camellia sinensis)茶園設置6個不同PAM施用量的小區（0、2、4、6、8、10 g·m-2），并采集春、夏、秋3個收獲季節的土壤和茶葉樣品，通過分析茶園土壤理化性質和茶葉中丙烯酰胺殘留來評價PAM對土壤理化性質和茶葉安全品質的影響。結果表明：與對照小區相比，土壤容重在低PAM施用濃度小區中發生降低，土壤有機質在不同季節的各PAM處理之間差異不顯著，而土壤速效磷、堿解氮和速效鉀在3個收獲季節中的流失下降明顯，其中施用2 g·m-2PAM的小區其土壤速效磷、堿解氮和速效鉀含量最高。每個PAM處理的茶葉樣品和土壤樣品中單體丙烯酰胺的殘留量分別為0.011～0.095 μg·L-1和0.008～0.036 μg·L-1，均遠低于丙烯酰胺安全限值0.5 μg·L-1。文章認為紅壤茶園施用PAM不僅可以保持土壤肥力，而且對茶葉生產也是安全的。施用PAM是一種適宜的防治紅壤茶園土壤侵蝕的水保措施，且最佳用量為2 g·m-2。

PAM；土壤肥力；AMD殘留；土壤環境；茶葉安全

水土流失不僅是環境問題，而且還極大地制約著國民經濟的健康持續發展（許宜北等，2007）。近些年由于茶園的不合理開發，加之水土保持措施不到位，坡耕地梯田茶園遇到暴雨時節極易發生水土流失，造成土壤肥力下降，茶葉產量和品質降低(陳進火，2013)。因此，茶園水土流失治理已成為山地水土流失治理的重要內容。已有研究發現，經聚丙烯酰胺(PAM)處理的土壤，其水穩性團聚體含量明顯增加，且隨PAM濃度加大而含量上升，同時可以有效降低土壤容重，增大土壤總孔隙度(員學鋒等，2005)。員學鋒等（2002）通過大田試驗發現PAM不僅能增加土壤團聚體數量，還能使土壤較長時間保持較高水分含量。張蕊等（2012）研究認為，經過PAM處理的土壤，其有機質、速效氮、速效磷、速效鉀等含量顯著提高。張淑芬（2001）在坡耕地上施用PAM認為聚丙烯酰胺不只是減少了土壤侵蝕57%～77%，而且還能保持肥份50%。夏海江等（2001）研究認為PAM不僅可以減少地表徑流和土壤侵蝕，還使PAM區的玉米產量有所增加。以上研究表明，聚丙烯酰胺具有保水、保土、保肥、增產的效用。至于PAM對環境的影響，Seybold（1994）研究認為PAM對人體、動物、魚類和植物并無毒害，但其單體（丙烯酰胺）具有神經毒性，不過它可以被生物降解，并且在土壤中不會積累。Bologna等（1999）和Castle等（1991）通過PAM處理的土壤來培養農作物，并對它們內含的丙烯酰胺（AMD）殘留進行檢測，結果均小于10 μg·L-1。

目前，PAM在歐美國家農業上應用較多，直到1980年后期才介紹到我國且多在北方節水灌溉、農田水土保持方面研究和應用，并沒有關于茶園施用PAM的研究，而且人們對于茶園施用PAM的安全性也存在質疑。因此，本文通過在供試茶園施用不同量PAM來探討其對茶園土壤理化性質的影響，尤其是被人們高度關注的安全品質方面的影響，為PAM在茶園中的推廣應用提供有效的理論支持和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建省安溪縣龍涓鄉吉山村，處在東經117°45′～117°47′和北緯25°02′～25°04′。其地

貌類型主要為中山、低山丘陵，平均海拔為924 m；氣候屬于亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫16～18 ℃，全年無霜期230～265 d，年均降雨量1800 mm，年平均日照時數1857 h；春夏期間，常有云霧籠罩，氣候溫和濕潤，濕度較大，適宜茶樹生長。該地是安溪鐵觀音茶葉主產區之一，其出產的茶葉備受客商和消費者青睞。

1.2 試驗設計與方法

聚丙烯酰胺（PAM）選取相對分子質量為1500萬、水解度為10%的陰離子型；茶樹以3～4 a、長勢相對一致的鐵觀音(Camellia sinensis)為試材。在試驗地分別選取土壤肥力及茶葉品質均一且在當地屬中等水平，并具有該村代表性的鐵觀音茶園作為供試茶園。對原有土壤除了定期除草外不做任何處理。夏海江在探討聚丙烯酰胺防治水土流失適宜用量研究中，對小區噴施，設置了0.03～4.80 g·m-2水平梯度用量（夏海江和臧志剛，2009），員學鋒等（2005）在研究PAM對土壤物理性狀的影響試驗中，表面撒施PAM用量達到10 g·m-2，并表示，當PAM與土壤混合，質量分數達到16/10000時，水分幾乎不能滲透。綜合以上考慮，為了滿足本次試驗要求，設6個PAM施用水平，共6個梯度處理。于2012年12月噴施PAM溶液到茶園各試驗小區中，施用方案為0、2、4、6、8、10 g·m-2。各處理見表1。試驗設3次重復，隨機區組排列，共18個小區，每小區面積劃成1 m×3 m。

表1 不同處理茶園小區的PAM施用方法Table 1 The application methods of PAMfor different treated plots of tea garden

1.3 樣品采集與分析方法

根據閩南烏龍茶采制要求（駐芽中、小開面3～4葉），按小區采摘鮮葉，于2013年5月初（雨季來臨之前）、7月中旬（雨季后）、10月初分次采摘春、夏、秋3季茶葉鮮樣，部分制成干樣，并在各處理小區采用對角線布點，四分法取0～20 cm表層土樣。

土壤理化性質測定：土壤容重參照《土壤物理性質測定法》測定；有機質采用重鉻酸鉀（濃硫酸）氧化-外加熱法；速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效鉀采用1 mol·L-1中性醋酸銨浸提-火焰光度法。

茶葉（鮮葉樣、干葉樣）和土壤中PAM的單體丙烯酰胺（AMD）的殘留測定，參考EPA 8032A及其他溴化衍生-液液萃取利用GC-ECD測定植物(Bologna等，1999)、水質(董麗華等，2008)中的丙烯酰胺等方法來設計實驗。本次試驗采用Agilent7890A色譜儀，HP-INNOWAX（30 m×0.53 mm×1 μm）毛細色譜柱。進樣口溫度設為230 ℃；采用程序升溫，初始溫度設為80 ℃，保持3 min，以10 ℃·min-1速率升溫至200 ℃，保持17 min；μECD后檢測器溫度為230 ℃；載氣流量為4.0 mL·min-1；恒定尾吹氣流量為60.0 mL·min-1；采用不分流進樣，進樣量為1 μL。

開機預熱待儀器狀態運行穩定后，分別將乙酸乙酯空白試劑、2, 3-二溴丙烯酰胺標準溶液系列、樣品溶液、加標溶液注入色譜儀進行分析，以保留時間定性，色譜峰面積定量。從安捷倫化學工作站軟件上查得樣品峰面積，比對標準曲線查出對應溴化物2, 3-二溴丙烯酰胺的質量濃度，從而計算出樣品中丙烯酰胺的含量，計算公式如下：

式中：ρ表示樣品中丙烯酰胺的質量濃度，μg·L-1。ρ1表示從標準曲線上查到的2, 3-二溴丙烯酰胺的質量濃度，μg·L-1。V1表示濃縮后萃取液的體積，mL。V表示樣品體積，mL。0.308為1 mol丙烯酰胺與1 mol 2, 3-二溴丙烯酰胺的質量比值（董麗華等，2008）。

數據顯著性檢驗采用SPSS18.0統計軟件中的單因素方差分析(ANOVA)方法，不同處理之間多重比較采用LSD方法，然后進行t檢驗（p＜0.05）。其他數據及圖表采用Excel進行處理，色譜圖處理用安捷倫化學工作站。

2 結果與討論

2.1 不同施用量的PAM對茶園土壤理化性質的影響

土壤容重反映了土壤顆粒的緊實度及土壤的孔隙度，這對協調土壤水肥氣熱狀況至關重要。表2顯示了不同施用量的PAM對茶園紅壤容重的影響結果，從表2可以看出，3個季節茶園土壤的容重與對照（CK）相比，沒有顯著差異，不同處理之間的土壤容重也無顯著差異，容重集中在1.18～1.33 g·cm-3之間，屬于較為適宜的容重值。其中T1、T2、T3和T4處理均小于CK，而T5處理則大于CK，且季節間容重差異不明顯。已有研究表明，低濃度范圍的PAM施用在土壤中可通過增加水穩團聚體數來提高土壤總孔隙度，從而使容重減小，而

高濃度的PAM施加到土壤中將會阻礙土壤水分滲透（員學鋒等，2005），進而影響土壤容重。由此說明，一年生長期內，不同PAM施用量處理的茶園土壤容重不會發生顯著變化，但在低濃度施用的情況下可以適度降低土壤容重，改良土壤。

表2 不同施用量的PAM對茶園紅壤理化性質的影響Table 2 The effects of different PAM application rates on red soil physicochemical properties of tea garden

從表2可以看出，經不同PAM量處理的3個季節茶園土壤有機質分別與對照相比，差異不顯著；各處理間差異亦不顯著。3個季節各處理土壤有機質量表現為春季＞夏季＞秋季，不同PAM處理的土壤有機質量隨季節變化其降低幅度也不一樣，其中CK處理春夏降幅為13.03%，夏秋降幅為5.37%；其他處理春夏降幅分別為11.19%、10.21%、11.59%、10.29%和12.15%，夏秋降幅分別為3.27%、3.95%、4.17%、4.11%和3.79%。結果表明：不同處理間土壤有機質量春夏降幅均大于夏秋降幅，且T1、T2、T3、T4和T5處理的土壤有機質量隨季節的降幅均小于CK處理。因為茶園土壤隨茶樹生長季節變化會消耗部分有機質，且各季節由降雨造成的水土流失也會帶走一部分有機質，而夏季茶園降水最多，水土流失較為嚴重，土壤有機質損失增加，使不同處理間有機質春夏降幅高于夏秋降幅。與對照相比，茶園土壤經PAM處理后其有機質的流失量明顯減少，保持了一定的肥力。

茶園土壤中速效磷、堿解氮和速效鉀的含量對茶樹的生長至關重要。表2中顯示了不同PAM用量處理下，3個季節茶園紅壤速效磷、堿解氮、速效鉀含量的變化情況。其中供試茶園春夏2季土壤中速效磷含量在T1、T5處理下與對照間的差異達到顯著水平，且秋季茶園土壤在T1處理下較對照差異達極顯著。堿解氮水平在春季土壤中表現為，T5與T1、T3、T4間差異顯著；夏季茶園土壤中堿解氮含量T1處理與對照相比差異顯著，T5處理與T1和T4處理間差異達極顯著；秋季土壤堿解氮表現為，T1與T4處理較對照差異達顯著水平，T5與T1、T4間差異亦顯著；T5處理的土壤堿解氮均低于其他處理，說明高濃度PAM并不利于茶園土壤保持堿解氮。3個季節茶園土壤中速效鉀水平除了春季T1處理較對照出現顯著差異外，其他季節的土壤處理間與對照間速效鉀差異均不顯著。

從表2整體來看，絕大多數PAM處理的茶園土壤速效磷、堿解氮、速效鉀含量都高于對照，不同季節茶園紅壤中速效磷、堿解氮、速效鉀含量表現為春季土壤＞夏季土壤＞秋季土壤。由于降雨的發生造成茶園土壤養分的流失及茶樹生長的消耗都會不同程度地影響著土壤速效養分的變化。從表2可以看出，PAM的施用有效地減少了土壤速效養分的流失，其中多數經T1處理的土壤速效養分顯著高于對照，保肥率分別為速效磷45.35%～57.51%、堿解氮13.21～19.52%、速效鉀35.17～43.67%。不同PAM處理的土壤保肥率不同，沒有明顯的規律性。類似的研究也認為，對土壤施用PAM可以有效減少速效N、P、K的流失及淋出（張淑芬，2001）。綜合分析：茶園土壤進行不同PAM用量處理一年期內，春、夏、秋3個季節土壤速效磷、堿解氮和

速效鉀含量均高于對照，保肥效果良好，考慮到成本茶園上PAM最佳用量為T1（2 g·m-2）。

圖1 2,3-二溴丙烯酰胺氣相色譜圖Fig. 1 The gas chromatogram of 2,3-dibromopropionamide

2.2 不同施用量的PAM對茶葉安全及土壤環境的影響

已有的研究認為，PAM主要通過物理作用降解，并且其化學性質較穩定，對人體、動植物沒有毒害作用，唯一擔心的是PAM的單體丙烯酰胺的毒性(Seybold，1994)，丙烯酰胺被證明對人體神經有毒害作用甚至可以致癌。本次研究針對不同PAM量處理的茶葉及茶園土壤樣品，經色譜純水浸泡提取，溴化衍生，乙酸乙酯萃取，注入氣相色譜儀，經HP-INNOWAX色譜柱10分鐘內達到較好分離，出峰效果良好，其溴化產物的色譜圖，見圖1A、B、C。

結果表明，PAM單體丙烯酰胺的溴化物（2,3-二溴丙烯酰胺）的線性范圍為0.49～4.9 μg·L-1，線性方程為y=118373 x – 2146.7，r2=0.9985，檢出限（S/N=3）為0.12 μg·L-1，單體丙烯酰胺在0.4、0.5、0.6、0.8、1 μg·L-1水平下，其加標回收率為58.6%～111.8%，相對標準偏差為5.7%～9.8%（n=6）。按照該試驗檢測方法，以保留時間定性，色譜峰面積定量，根據樣品峰面積從標準曲線方程查出2,3-二溴丙烯酰胺質量濃度，由1.3中公式計算樣品中殘留的丙烯酰胺含量。供試樣品檢測結果見表3、表4。

美國國家環保總局、世界衛生組織的有關標準以及我國2007年7月1日實施的《生活飲用水衛生標準》中都規定丙烯酰胺在水中的殘留量最大不超過0.5 μg·L-1。表3、表4結果表明，用水提取的茶葉樣品及土壤樣品中PAM單體丙烯酰胺殘留量在0.008～0.095 μg·L-1之間，均沒有超標，相對標準偏差小于10%（n=6）。雖然PAM被證明是一種較穩定的聚合物，然而它在特定條件如pH值較高，微生物活動或光照情況下也會發生少量降解(Bologna等，1999)。也有研究認為，盡管PAM在環境中會發生一些化學反應，但它不會產生單體AMD（Mortimer，1991）。Castle等（1991）在含有PAM溶液的培養介質中種植番茄，并在介質里

添加AMD，結果檢測值小于1 μg·L-1。Bologna等（1999）認為AMD在植物組織里不穩定，其在一定時間作用后逐漸消失。而土壤中的丙烯酰胺不易被吸附，它在土壤中具有高度遷移性，主要通過生物降解，其在有氧土壤中經14 d可被降解74%～94%（解瑞麗等，2013）。Sojka和Lentz（1994）也指出，盡管會有少量單體隨PAM的使用而進入土壤，然而PAM單體在溫度較高的土壤(30 ℃)中很快就會降解。供試茶園地處南亞熱帶海洋性季風氣候區，高溫多雨，太陽輻射強，土壤pH值普遍偏低，使得AMD在茶葉和土壤中較易降解，從而保持極低的殘留量。

通過表3、表4可以說明，紅壤茶園施用PAM不會對茶葉安全及土壤環境產生危害，只要控制PAM用量，AMD基本達到未檢出水平。美國使用PAM的實踐也表明，PAM不會對生態環境造成危害，它在土壤和水中不具毒性，也不會在作物中積累（Barvenik，1994）。

表3 不同施用量的PAM處理下茶園中鮮葉樣及干葉樣中的丙烯酰胺殘留量Table 3 The acrylamide residue rates from fresh tea leaves and dry leaves samples of tea garden under different PAM application rates

表4 不同施用量的PAM處理下茶園中土壤樣品的丙烯酰胺殘留量Table 4 The acrylamide residue rates from soil samples of tea garden under different PAM application rates

3 結論

通過對不同濃度PAM處理的茶園土壤及茶葉樣品的研究，結果表明：施用PAM在一年內可以在一定程度上降低土壤容重，減少土壤有機質流失，并有效減少茶園土壤速效磷、堿解氮和速效鉀的流失，保肥效果良好，不同季節的土壤PAM影響效果會出現差異。對茶葉及土壤中PAM單體丙烯酰胺殘留量的測定結果表明：在PAM施用量大于或等于6 g·m-2時，少部分茶葉樣品及土壤樣品有少量丙烯酰胺殘留，但均遠低于安全限值，且丙烯酰胺可在較短時間內降解掉。綜合考慮經濟和生態效益，建議茶園PAM施用量為2 g·m-2。由于本次試驗周期只有一年，對于PAM在茶園上的后續水

保效果及茶葉安全品質變化缺乏長期數據，今后將對施用PAM對茶園及茶葉安全品質影響進行長時間的監測，以期為茶園施用PAM抗侵蝕這種新型水保措施的應用奠定理論基礎。

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Effects of PAM application on soil physicochemical properties and tea safety in red soil tea garden of southern China

WANG Xiyang, HUANG Yanhe*, LIN Jinshi, GE Hongli, JIANG Fangshi, ZHU Gaoli, LI Hongkang
College of Resource and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Chnia

It’s hard to apply traditional measures to control soil and water loss in sloping tea garden. However, the suitability of using PAM to control soil erosion in tea garden needs further study. In this research, the soil samples and the tea leaves were been collected in harvesting seasons (spring, summer and autumn), after different content of PAM (0，2，4，6，8，10 g·m-2) were applied in Camellia Sinensis tea garden. The effects of PAM on soil properties and tea safety were evaluated through analyzing the soil physicochemical properties and the AMD (monomer for PAM) residue in tea leaf. Results showed that the soil bulk density decreased in lower rates PAM application plots. Compared with the control plot, there is no significant difference of soil organic matter in different seasons of each treatment. However, the loss of soil available phosphorus (AP), available nitrogen (AN) and available potassium (AK) significantly declined in three harvesting seasons, and the plot applied 2 g·m-2showed the highest level of AP, AN and AK. The ranges of residual AMD content in each treatments’ tea and soil samples were 0.011-0.095 μg·L-1and 0.008-0.036 μg·L-1, respectively. They are much lower than the safety limit (0.5 μg·L-1) of AMD. Consider using PAM can sustain soil fertility and it’s also safe for tea production. Therefore, applying PAM is a suitable measurement to control red tea garden’s soil erosion, and optimal PAM application rate is 2 g·m-2.

polyacrylamide; soil fertility; acrylamide residue; soil environment; tea safety

S124.2；S157.1

A

1674-5906（2014）05-0785-06

國家自然科學基金項目（41001169；40671113）；國家科技支撐項目（2014BAD15B03）

王璽洋（1988年生），男，碩士研究生。研究方向為土壤侵蝕與治理。E-mail:deemhunter88@163.com

*通信作者：黃炎和（1962年生），男，教授，博士生導師，研究方向為土壤侵蝕。E-mail:yanhehuang@163.com

2014-03-19

王璽洋，黃炎和，林金石，葛宏力，蔣芳市，朱高立，李洪康. 南方茶園紅壤施用PAM對土壤理化性質和茶葉安全的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(5): 785-790.

WANG Xiyang, HUANG Yanhe, LIN Jinshi, GE Hongli, JIANG Fangshi, ZHU Gaoli, LI Hongkang. Effects of PAM application on soil physicochemical properties and tea safety in red soil tea garden of southern China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 785-790.