南方茶园红壤施用PAM对土壤理化性质和茶叶安全的影响

王玺洋，黄炎和，林金石，葛宏力，蒋芳市，朱高立，李洪康

福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002

南方茶园红壤施用PAM对土壤理化性质和茶叶安全的影响

王玺洋，黄炎和*，林金石，葛宏力，蒋芳市，朱高立，李洪康

福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002

传统的水土保持措施在坡地茶园上应用比较困难，而利用聚丙烯酰胺（PAM）来防治茶园土壤侵蚀的适宜性还有待研究。因此，在铁观音(Camellia sinensis)茶园设置6个不同PAM施用量的小区（0、2、4、6、8、10 g·m-2），并采集春、夏、秋3个收获季节的土壤和茶叶样品，通过分析茶园土壤理化性质和茶叶中丙烯酰胺残留来评价PAM对土壤理化性质和茶叶安全品质的影响。结果表明：与对照小区相比，土壤容重在低PAM施用浓度小区中发生降低，土壤有机质在不同季节的各PAM处理之间差异不显著，而土壤速效磷、碱解氮和速效钾在3个收获季节中的流失下降明显，其中施用2 g·m-2PAM的小区其土壤速效磷、碱解氮和速效钾含量最高。每个PAM处理的茶叶样品和土壤样品中单体丙烯酰胺的残留量分别为0.011～0.095 μg·L-1和0.008～0.036 μg·L-1，均远低于丙烯酰胺安全限值0.5 μg·L-1。文章认为红壤茶园施用PAM不仅可以保持土壤肥力，而且对茶叶生产也是安全的。施用PAM是一种适宜的防治红壤茶园土壤侵蚀的水保措施，且最佳用量为2 g·m-2。

PAM；土壤肥力；AMD残留；土壤环境；茶叶安全

水土流失不仅是环境问题，而且还极大地制约着国民经济的健康持续发展（许宜北等，2007）。近些年由于茶园的不合理开发，加之水土保持措施不到位，坡耕地梯田茶园遇到暴雨时节极易发生水土流失，造成土壤肥力下降，茶叶产量和品质降低(陈进火，2013)。因此，茶园水土流失治理已成为山地水土流失治理的重要内容。已有研究发现，经聚丙烯酰胺(PAM)处理的土壤，其水稳性团聚体含量明显增加，且随PAM浓度加大而含量上升，同时可以有效降低土壤容重，增大土壤总孔隙度(员学锋等，2005)。员学锋等（2002）通过大田试验发现PAM不仅能增加土壤团聚体数量，还能使土壤较长时间保持较高水分含量。张蕊等（2012）研究认为，经过PAM处理的土壤，其有机质、速效氮、速效磷、速效钾等含量显著提高。张淑芬（2001）在坡耕地上施用PAM认为聚丙烯酰胺不只是减少了土壤侵蚀57%～77%，而且还能保持肥份50%。夏海江等（2001）研究认为PAM不仅可以减少地表径流和土壤侵蚀，还使PAM区的玉米产量有所增加。以上研究表明，聚丙烯酰胺具有保水、保土、保肥、增产的效用。至于PAM对环境的影响，Seybold（1994）研究认为PAM对人体、动物、鱼类和植物并无毒害，但其单体（丙烯酰胺）具有神经毒性，不过它可以被生物降解，并且在土壤中不会积累。Bologna等（1999）和Castle等（1991）通过PAM处理的土壤来培养农作物，并对它们内含的丙烯酰胺（AMD）残留进行检测，结果均小于10 μg·L-1。

目前，PAM在欧美国家农业上应用较多，直到1980年后期才介绍到我国且多在北方节水灌溉、农田水土保持方面研究和应用，并没有关于茶园施用PAM的研究，而且人们对于茶园施用PAM的安全性也存在质疑。因此，本文通过在供试茶园施用不同量PAM来探讨其对茶园土壤理化性质的影响，尤其是被人们高度关注的安全品质方面的影响，为PAM在茶园中的推广应用提供有效的理论支持和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县龙涓乡吉山村，处在东经117°45′～117°47′和北纬25°02′～25°04′。其地

貌类型主要为中山、低山丘陵，平均海拔为924 m；气候属于亚热带季风性气候，年平均气温16～18 ℃，全年无霜期230～265 d，年均降雨量1800 mm，年平均日照时数1857 h；春夏期间，常有云雾笼罩，气候温和湿润，湿度较大，适宜茶树生长。该地是安溪铁观音茶叶主产区之一，其出产的茶叶备受客商和消费者青睐。

1.2 试验设计与方法

聚丙烯酰胺（PAM）选取相对分子质量为1500万、水解度为10%的阴离子型；茶树以3～4 a、长势相对一致的铁观音(Camellia sinensis)为试材。在试验地分别选取土壤肥力及茶叶品质均一且在当地属中等水平，并具有该村代表性的铁观音茶园作为供试茶园。对原有土壤除了定期除草外不做任何处理。夏海江在探讨聚丙烯酰胺防治水土流失适宜用量研究中，对小区喷施，设置了0.03～4.80 g·m-2水平梯度用量（夏海江和臧志刚，2009），员学锋等（2005）在研究PAM对土壤物理性状的影响试验中，表面撒施PAM用量达到10 g·m-2，并表示，当PAM与土壤混合，质量分数达到16/10000时，水分几乎不能渗透。综合以上考虑，为了满足本次试验要求，设6个PAM施用水平，共6个梯度处理。于2012年12月喷施PAM溶液到茶园各试验小区中，施用方案为0、2、4、6、8、10 g·m-2。各处理见表1。试验设3次重复，随机区组排列，共18个小区，每小区面积划成1 m×3 m。

表1 不同处理茶园小区的PAM施用方法Table 1 The application methods of PAMfor different treated plots of tea garden

1.3 样品采集与分析方法

根据闽南乌龙茶采制要求（驻芽中、小开面3～4叶），按小区采摘鲜叶，于2013年5月初（雨季来临之前）、7月中旬（雨季后）、10月初分次采摘春、夏、秋3季茶叶鲜样，部分制成干样，并在各处理小区采用对角线布点，四分法取0～20 cm表层土样。

土壤理化性质测定：土壤容重参照《土壤物理性质测定法》测定；有机质采用重铬酸钾（浓硫酸）氧化-外加热法；速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用1 mol·L-1中性醋酸铵浸提-火焰光度法。

茶叶（鲜叶样、干叶样）和土壤中PAM的单体丙烯酰胺（AMD）的残留测定，参考EPA 8032A及其他溴化衍生-液液萃取利用GC-ECD测定植物(Bologna等，1999)、水质(董丽华等，2008)中的丙烯酰胺等方法来设计实验。本次试验采用Agilent7890A色谱仪，HP-INNOWAX（30 m×0.53 mm×1 μm）毛细色谱柱。进样口温度设为230 ℃；采用程序升温，初始温度设为80 ℃，保持3 min，以10 ℃·min-1速率升温至200 ℃，保持17 min；μECD后检测器温度为230 ℃；载气流量为4.0 mL·min-1；恒定尾吹气流量为60.0 mL·min-1；采用不分流进样，进样量为1 μL。

开机预热待仪器状态运行稳定后，分别将乙酸乙酯空白试剂、2, 3-二溴丙烯酰胺标准溶液系列、样品溶液、加标溶液注入色谱仪进行分析，以保留时间定性，色谱峰面积定量。从安捷伦化学工作站软件上查得样品峰面积，比对标准曲线查出对应溴化物2, 3-二溴丙烯酰胺的质量浓度，从而计算出样品中丙烯酰胺的含量，计算公式如下：

式中：ρ表示样品中丙烯酰胺的质量浓度，μg·L-1。ρ1表示从标准曲线上查到的2, 3-二溴丙烯酰胺的质量浓度，μg·L-1。V1表示浓缩后萃取液的体积，mL。V表示样品体积，mL。0.308为1 mol丙烯酰胺与1 mol 2, 3-二溴丙烯酰胺的质量比值（董丽华等，2008）。

数据显著性检验采用SPSS18.0统计软件中的单因素方差分析(ANOVA)方法，不同处理之间多重比较采用LSD方法，然后进行t检验（p＜0.05）。其他数据及图表采用Excel进行处理，色谱图处理用安捷伦化学工作站。

2 结果与讨论

2.1 不同施用量的PAM对茶园土壤理化性质的影响

土壤容重反映了土壤颗粒的紧实度及土壤的孔隙度，这对协调土壤水肥气热状况至关重要。表2显示了不同施用量的PAM对茶园红壤容重的影响结果，从表2可以看出，3个季节茶园土壤的容重与对照（CK）相比，没有显著差异，不同处理之间的土壤容重也无显著差异，容重集中在1.18～1.33 g·cm-3之间，属于较为适宜的容重值。其中T1、T2、T3和T4处理均小于CK，而T5处理则大于CK，且季节间容重差异不明显。已有研究表明，低浓度范围的PAM施用在土壤中可通过增加水稳团聚体数来提高土壤总孔隙度，从而使容重减小，而

高浓度的PAM施加到土壤中将会阻碍土壤水分渗透（员学锋等，2005），进而影响土壤容重。由此说明，一年生长期内，不同PAM施用量处理的茶园土壤容重不会发生显著变化，但在低浓度施用的情况下可以适度降低土壤容重，改良土壤。

表2 不同施用量的PAM对茶园红壤理化性质的影响Table 2 The effects of different PAM application rates on red soil physicochemical properties of tea garden

从表2可以看出，经不同PAM量处理的3个季节茶园土壤有机质分别与对照相比，差异不显著；各处理间差异亦不显著。3个季节各处理土壤有机质量表现为春季＞夏季＞秋季，不同PAM处理的土壤有机质量随季节变化其降低幅度也不一样，其中CK处理春夏降幅为13.03%，夏秋降幅为5.37%；其他处理春夏降幅分别为11.19%、10.21%、11.59%、10.29%和12.15%，夏秋降幅分别为3.27%、3.95%、4.17%、4.11%和3.79%。结果表明：不同处理间土壤有机质量春夏降幅均大于夏秋降幅，且T1、T2、T3、T4和T5处理的土壤有机质量随季节的降幅均小于CK处理。因为茶园土壤随茶树生长季节变化会消耗部分有机质，且各季节由降雨造成的水土流失也会带走一部分有机质，而夏季茶园降水最多，水土流失较为严重，土壤有机质损失增加，使不同处理间有机质春夏降幅高于夏秋降幅。与对照相比，茶园土壤经PAM处理后其有机质的流失量明显减少，保持了一定的肥力。

茶园土壤中速效磷、碱解氮和速效钾的含量对茶树的生长至关重要。表2中显示了不同PAM用量处理下，3个季节茶园红壤速效磷、碱解氮、速效钾含量的变化情况。其中供试茶园春夏2季土壤中速效磷含量在T1、T5处理下与对照间的差异达到显著水平，且秋季茶园土壤在T1处理下较对照差异达极显著。碱解氮水平在春季土壤中表现为，T5与T1、T3、T4间差异显著；夏季茶园土壤中碱解氮含量T1处理与对照相比差异显著，T5处理与T1和T4处理间差异达极显著；秋季土壤碱解氮表现为，T1与T4处理较对照差异达显著水平，T5与T1、T4间差异亦显著；T5处理的土壤碱解氮均低于其他处理，说明高浓度PAM并不利于茶园土壤保持碱解氮。3个季节茶园土壤中速效钾水平除了春季T1处理较对照出现显著差异外，其他季节的土壤处理间与对照间速效钾差异均不显著。

从表2整体来看，绝大多数PAM处理的茶园土壤速效磷、碱解氮、速效钾含量都高于对照，不同季节茶园红壤中速效磷、碱解氮、速效钾含量表现为春季土壤＞夏季土壤＞秋季土壤。由于降雨的发生造成茶园土壤养分的流失及茶树生长的消耗都会不同程度地影响着土壤速效养分的变化。从表2可以看出，PAM的施用有效地减少了土壤速效养分的流失，其中多数经T1处理的土壤速效养分显著高于对照，保肥率分别为速效磷45.35%～57.51%、碱解氮13.21～19.52%、速效钾35.17～43.67%。不同PAM处理的土壤保肥率不同，没有明显的规律性。类似的研究也认为，对土壤施用PAM可以有效减少速效N、P、K的流失及淋出（张淑芬，2001）。综合分析：茶园土壤进行不同PAM用量处理一年期内，春、夏、秋3个季节土壤速效磷、碱解氮和

速效钾含量均高于对照，保肥效果良好，考虑到成本茶园上PAM最佳用量为T1（2 g·m-2）。

图1 2,3-二溴丙烯酰胺气相色谱图Fig. 1 The gas chromatogram of 2,3-dibromopropionamide

2.2 不同施用量的PAM对茶叶安全及土壤环境的影响

已有的研究认为，PAM主要通过物理作用降解，并且其化学性质较稳定，对人体、动植物没有毒害作用，唯一担心的是PAM的单体丙烯酰胺的毒性(Seybold，1994)，丙烯酰胺被证明对人体神经有毒害作用甚至可以致癌。本次研究针对不同PAM量处理的茶叶及茶园土壤样品，经色谱纯水浸泡提取，溴化衍生，乙酸乙酯萃取，注入气相色谱仪，经HP-INNOWAX色谱柱10分钟内达到较好分离，出峰效果良好，其溴化产物的色谱图，见图1A、B、C。

结果表明，PAM单体丙烯酰胺的溴化物（2,3-二溴丙烯酰胺）的线性范围为0.49～4.9 μg·L-1，线性方程为y=118373 x – 2146.7，r2=0.9985，检出限（S/N=3）为0.12 μg·L-1，单体丙烯酰胺在0.4、0.5、0.6、0.8、1 μg·L-1水平下，其加标回收率为58.6%～111.8%，相对标准偏差为5.7%～9.8%（n=6）。按照该试验检测方法，以保留时间定性，色谱峰面积定量，根据样品峰面积从标准曲线方程查出2,3-二溴丙烯酰胺质量浓度，由1.3中公式计算样品中残留的丙烯酰胺含量。供试样品检测结果见表3、表4。

美国国家环保总局、世界卫生组织的有关标准以及我国2007年7月1日实施的《生活饮用水卫生标准》中都规定丙烯酰胺在水中的残留量最大不超过0.5 μg·L-1。表3、表4结果表明，用水提取的茶叶样品及土壤样品中PAM单体丙烯酰胺残留量在0.008～0.095 μg·L-1之间，均没有超标，相对标准偏差小于10%（n=6）。虽然PAM被证明是一种较稳定的聚合物，然而它在特定条件如pH值较高，微生物活动或光照情况下也会发生少量降解(Bologna等，1999)。也有研究认为，尽管PAM在环境中会发生一些化学反应，但它不会产生单体AMD（Mortimer，1991）。Castle等（1991）在含有PAM溶液的培养介质中种植番茄，并在介质里

添加AMD，结果检测值小于1 μg·L-1。Bologna等（1999）认为AMD在植物组织里不稳定，其在一定时间作用后逐渐消失。而土壤中的丙烯酰胺不易被吸附，它在土壤中具有高度迁移性，主要通过生物降解，其在有氧土壤中经14 d可被降解74%～94%（解瑞丽等，2013）。Sojka和Lentz（1994）也指出，尽管会有少量单体随PAM的使用而进入土壤，然而PAM单体在温度较高的土壤(30 ℃)中很快就会降解。供试茶园地处南亚热带海洋性季风气候区，高温多雨，太阳辐射强，土壤pH值普遍偏低，使得AMD在茶叶和土壤中较易降解，从而保持极低的残留量。

通过表3、表4可以说明，红壤茶园施用PAM不会对茶叶安全及土壤环境产生危害，只要控制PAM用量，AMD基本达到未检出水平。美国使用PAM的实践也表明，PAM不会对生态环境造成危害，它在土壤和水中不具毒性，也不会在作物中积累（Barvenik，1994）。

表3 不同施用量的PAM处理下茶园中鲜叶样及干叶样中的丙烯酰胺残留量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处理下茶园中土壤样品的丙烯酰胺残留量Table 4 The acrylamide residue rates from soil samples of tea garden under different PAM application rates

3 结论

通过对不同浓度PAM处理的茶园土壤及茶叶样品的研究，结果表明：施用PAM在一年内可以在一定程度上降低土壤容重，减少土壤有机质流失，并有效减少茶园土壤速效磷、碱解氮和速效钾的流失，保肥效果良好，不同季节的土壤PAM影响效果会出现差异。对茶叶及土壤中PAM单体丙烯酰胺残留量的测定结果表明：在PAM施用量大于或等于6 g·m-2时，少部分茶叶样品及土壤样品有少量丙烯酰胺残留，但均远低于安全限值，且丙烯酰胺可在较短时间内降解掉。综合考虑经济和生态效益，建议茶园PAM施用量为2 g·m-2。由于本次试验周期只有一年，对于PAM在茶园上的后续水

保效果及茶叶安全品质变化缺乏长期数据，今后将对施用PAM对茶园及茶叶安全品质影响进行长时间的监测，以期为茶园施用PAM抗侵蚀这种新型水保措施的应用奠定理论基础。

BARVENIK F W. 1994. Polyacrylamide characteristics related to soil applications[J]. Soil Science, 158(4): 235-243.

BOLOGNA L S, ANDRAWES F F, BARVENIK F W, et al. 1999. Analysis of residual acrylamide in field crops[J]. Chromatographic Science, 37: 240-244.

CASTLE L, CAMPOS M J, GILBERT J. 1991. Determination of acrylamide monomer in hydroponically grown tomato fruits by capillary gas chromatography—mass spectrometry [J]. Science of Food and Agriculture, 54(4): 549-555.

MORTIMER D A. 1991. Synthetic polyelectrolytes——A review[J]. Polymer International, 25(1): 29-41.

SEYBOLD C A. 1994. Polyacrylamide review: Soil conditioning and environmental fate[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 25: 11-12.

SOJKA R E, LENTZ R D. 1994. Time for yet another look at soil conditioners[J]. Soil Science, 158(4): 233-234.

陈进火. 2013. 安溪茶园水土流失综合治理措施[J]. 茶叶科学技术, (1): 27-28.

董丽华, 董玉莲, 吴建安, 等. 2008. 溴化衍生-液液萃取-气相色谱法检测水中的丙烯酰胺[J]. 分析仪器, (4): 31-34.

解瑞丽, 周启星. 2013.丙烯酰胺的环境暴露、生态行为与毒理效应研究进展[J]. 生态学杂志, 32(5): 1347-1354.

夏海江, 杜尧东, 孟维忠, 等. 2001. 聚丙烯酰胺防治水土流失的效果[J].生态学杂志, 20(1): 70-72.

夏海江, 臧志刚. 2009. 聚丙烯酰胺防治水土流失适宜用量试验研究[J].吉林水利, 329(10): 54-55.

许宜北, 鲍玉海, 陈晨宇, 等. 2007. 区域水土流失遥感与核素示踪综合评价技术研究[J]. 生态环境学报, 16(2): 623-626.

员学锋, 汪有科, 吴普特, 等. 2005. PAM 对土壤物理性状影响的试验研究及机理分析[J]. 水土保持学报, 19(2): 37-40.

员学锋, 吴普特, 冯浩. 2002. 聚丙烯酰胺（PAM）的改土及增产效应[J].水土保持研究, 9(2): 55-58.

张蕊, 于健, 白岗栓. 2012. 聚丙烯酰胺在农业生产中的应用及研究进展[J]. 安徽农业科学, 40(10): 6093-6095.张淑芬. 2001. 坡耕地施用聚丙烯酰胺防治水土流失试验研究[J]. 水土保持科技情报, (2): 18-19.

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

国家自然科学基金项目（41001169；40671113）；国家科技支撑项目（2014BAD15B03）

王玺洋（1988年生），男，硕士研究生。研究方向为土壤侵蚀与治理。E-mail:deemhunter88@163.com

*通信作者：黄炎和（1962年生），男，教授，博士生导师，研究方向为土壤侵蚀。E-mail:yanhehuang@163.com

2014-03-19

王玺洋，黄炎和，林金石，葛宏力，蒋芳市，朱高立，李洪康. 南方茶园红壤施用PAM对土壤理化性质和茶叶安全的影响[J]. 生态环境学报, 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.