南方茶園紅壤施用PAM對土壤理化性質(zhì)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(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002

南方茶園紅壤施用PAM對土壤理化性質(zhì)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(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002

傳統(tǒng)的水土保持措施在坡地茶園上應(yīng)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(shè)置6個不同PAM施用量的小區(qū)（0、2、4、6、8、10 g·m-2），并采集春、夏、秋3個收獲季節(jié)的土壤和茶葉樣品，通過分析茶園土壤理化性質(zhì)和茶葉中丙烯酰胺殘留來評價PAM對土壤理化性質(zhì)和茶葉安全品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：與對照小區(qū)相比，土壤容重在低PAM施用濃度小區(qū)中發(fā)生降低，土壤有機質(zhì)在不同季節(jié)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(jié)中的流失下降明顯，其中施用2 g·m-2PAM的小區(qū)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(yuǎn)低于丙烯酰胺安全限值0.5 μg·L-1。文章認(rèn)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(chǎn)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(huán)境；茶葉安全

水土流失不僅是環(huán)境問題，而且還極大地制約著國民經(jīng)濟的健康持續(xù)發(fā)展（許宜北等，2007）。近些年由于茶園的不合理開發(fā)，加之水土保持措施不到位，坡耕地梯田茶園遇到暴雨時節(jié)極易發(fā)生水土流失，造成土壤肥力下降，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)降低(陳進(jìn)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(nèi)容。已有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)聚丙烯酰胺(PAM)處理的土壤，其水穩(wěn)性團(tuán)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(xué)鋒等，2005)。員學(xué)鋒等（2002）通過大田試驗發(fā)現(xiàn)PAM不僅能增加土壤團(tuán)聚體數(shù)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(rèn)為，經(jīng)過PAM處理的土壤，其有機質(zhì)、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(rèn)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(rèn)為PAM不僅可以減少地表徑流和土壤侵蝕，還使PAM區(qū)的玉米產(chǎn)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(chǎn)的效用。至于PAM對環(huán)境的影響，Seybold（1994）研究認(rèn)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(jīng)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(yǎng)農(nóng)作物，并對它們內(nèi)含的丙烯酰胺（AMD）殘留進(jìn)行檢測，結(jié)果均小于10 μg·L-1。

目前，PAM在歐美國家農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較多，直到1980年后期才介紹到我國且多在北方節(jié)水灌溉、農(nóng)田水土保持方面研究和應(yīng)用，并沒有關(guān)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(zhì)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(zhì)的影響，尤其是被人們高度關(guān)注的安全品質(zhì)方面的影響，為PAM在茶園中的推廣應(yīng)用提供有效的理論支持和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍涓鄉(xiāng)吉山村，處在東經(jīng)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?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)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(shù)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(chǎn)區(qū)之一，其出產(chǎn)的茶葉備受客商和消費者青睞。

1.2 試驗設(shè)計與方法

聚丙烯酰胺（PAM）選取相對分子質(zhì)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(zhì)均一且在當(dāng)?shù)貙僦械人剑⒕哂性摯宕硇缘蔫F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(qū)噴施，設(shè)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(xué)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(dá)到10 g·m-2，并表示，當(dāng)PAM與土壤混合，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)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(shè)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(qū)中，施用方案為0、2、4、6、8、10 g·m-2。各處理見表1。試驗設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共18個小區(qū)，每小區(qū)面積劃成1 m×3 m。

表1 不同處理茶園小區(qū)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(jù)閩南烏龍茶采制要求（駐芽中、小開面3～4葉），按小區(qū)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(qū)采用對角線布點，四分法取0～20 cm表層土樣。

土壤理化性質(zhì)測定：土壤容重參照《土壤物理性質(zhì)測定法》測定；有機質(zhì)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(zhì)(董麗華等，2008)中的丙烯酰胺等方法來設(shè)計實驗。本次試驗采用Agilent7890A色譜儀，HP-INNOWAX（30 m×0.53 mm×1 μm）毛細(xì)色譜柱。進(jìn)樣口溫度設(shè)為230 ℃；采用程序升溫，初始溫度設(shè)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(jìn)樣，進(jìn)樣量為1 μL。

開機預(yù)熱待儀器狀態(tài)運行穩(wěn)定后，分別將乙酸乙酯空白試劑、2, 3-二溴丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液系列、樣品溶液、加標(biāo)溶液注入色譜儀進(jìn)行分析，以保留時間定性，色譜峰面積定量。從安捷倫化學(xué)工作站軟件上查得樣品峰面積，比對標(biāo)準(zhǔn)曲線查出對應(yīng)溴化物2, 3-二溴丙烯酰胺的質(zhì)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(zhì)量濃度，μg·L-1。ρ1表示從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查到的2, 3-二溴丙烯酰胺的質(zhì)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(zhì)量比值（董麗華等，2008）。

數(shù)據(jù)顯著性檢驗采用SPSS18.0統(tǒng)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(jìn)行t檢驗（p＜0.05）。其他數(shù)據(jù)及圖表采用Excel進(jìn)行處理，色譜圖處理用安捷倫化學(xué)工作站。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施用量的PAM對茶園土壤理化性質(zhì)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(xié)調(diào)土壤水肥氣熱狀況至關(guān)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(jié)果，從表2可以看出，3個季節(jié)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(jié)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(wěn)團(tuán)聚體數(shù)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(xué)鋒等，2005），進(jìn)而影響土壤容重。由此說明，一年生長期內(nèi)，不同PAM施用量處理的茶園土壤容重不會發(fā)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(zhì)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(jīng)不同PAM量處理的3個季節(jié)茶園土壤有機質(zhì)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(jié)各處理土壤有機質(zhì)量表現(xiàn)為春季＞夏季＞秋季，不同PAM處理的土壤有機質(zhì)量隨季節(jié)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(jié)果表明：不同處理間土壤有機質(zhì)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(zhì)量隨季節(jié)的降幅均小于CK處理。因為茶園土壤隨茶樹生長季節(jié)變化會消耗部分有機質(zhì)，且各季節(jié)由降雨造成的水土流失也會帶走一部分有機質(zhì)，而夏季茶園降水最多，水土流失較為嚴(yán)重，土壤有機質(zhì)損失增加，使不同處理間有機質(zhì)春夏降幅高于夏秋降幅。與對照相比，茶園土壤經(jīng)PAM處理后其有機質(zhì)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(guān)重要。表2中顯示了不同PAM用量處理下，3個季節(jié)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(dá)到顯著水平，且秋季茶園土壤在T1處理下較對照差異達(dá)極顯著。堿解氮水平在春季土壤中表現(xiàn)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(dá)極顯著；秋季土壤堿解氮表現(xiàn)為，T1與T4處理較對照差異達(dá)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(jié)茶園土壤中速效鉀水平除了春季T1處理較對照出現(xiàn)顯著差異外，其他季節(jié)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(shù)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(jié)茶園紅壤中速效磷、堿解氮、速效鉀含量表現(xiàn)為春季土壤＞夏季土壤＞秋季土壤。由于降雨的發(fā)生造成茶園土壤養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)分的流失，其中多數(shù)經(jīng)T1處理的土壤速效養(yǎng)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(guī)律性。類似的研究也認(rèn)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(jìn)行不同PAM用量處理一年期內(nèi)，春、夏、秋3個季節(jié)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(huán)境的影響

已有的研究認(rèn)為，PAM主要通過物理作用降解，并且其化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，對人體、動植物沒有毒害作用，唯一擔(dān)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(jīng)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(jīng)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(jīng)HP-INNOWAX色譜柱10分鐘內(nèi)達(dá)到較好分離，出峰效果良好，其溴化產(chǎn)物的色譜圖，見圖1A、B、C。

結(jié)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(biāo)回收率為58.6%～111.8%，相對標(biāo)準(zhǔn)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(jù)樣品峰面積從標(biāo)準(zhǔn)曲線方程查出2,3-二溴丙烯酰胺質(zhì)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(jié)果見表3、表4。

美國國家環(huán)?？偩帧⑹澜缧l(wèi)生組織的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及我國2007年7月1日實施的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中都規(guī)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(jié)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(biāo)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%（n=6）。雖然PAM被證明是一種較穩(wěn)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(fā)生少量降解(Bologna等，1999)。也有研究認(rèn)為，盡管PAM在環(huán)境中會發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，但它不會產(chǎn)生單體AMD（Mortimer，1991）。Castle等（1991）在含有PAM溶液的培養(yǎng)介質(zhì)中種植番茄，并在介質(zhì)里

添加AMD，結(jié)果檢測值小于1 μg·L-1。Bologna等（1999）認(rèn)為AMD在植物組織里不穩(wěn)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(jīng)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(jìn)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(fēng)氣候區(qū)，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(huán)境產(chǎn)生危害，只要控制PAM用量，AMD基本達(dá)到未檢出水平。美國使用PAM的實踐也表明，PAM不會對生態(tài)環(huán)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(jié)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(jié)果表明：施用PAM在一年內(nèi)可以在一定程度上降低土壤容重，減少土壤有機質(zhì)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(jié)的土壤PAM影響效果會出現(xiàn)差異。對茶葉及土壤中PAM單體丙烯酰胺殘留量的測定結(jié)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(yuǎn)低于安全限值，且丙烯酰胺可在較短時間內(nèi)降解掉。綜合考慮經(jīng)濟和生態(tài)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(xù)水

保效果及茶葉安全品質(zhì)變化缺乏長期數(shù)據(jù)，今后將對施用PAM對茶園及茶葉安全品質(zhì)影響進(jìn)行長時間的監(jiān)測，以期為茶園施用PAM抗侵蝕這種新型水保措施的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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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(xué)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(dǎo)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(zhì)和茶葉安全的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)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.