中微量元素與植物營養和人體健康的關系

劉建明，亓昭英，劉善科，韓　成，盛學斌，齊　鑫，李　歡

(1.中國科學院地質與地球物理研究所　北京　100029；2.中國無機鹽工業協會中微量元素肥行業分會　北京　100013；3.中科建成礦物技術〔北京〕有限公司　北京　100086；4.中國科學院生態環境研究中心　北京　100085)

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中微量元素與植物營養和人體健康的關系

劉建明1，亓昭英2，劉善科1，韓成3，盛學斌4，齊鑫1，李歡3

(1.中國科學院地質與地球物理研究所北京100029；2.中國無機鹽工業協會中微量元素肥行業分會北京100013；3.中科建成礦物技術〔北京〕有限公司北京100086；4.中國科學院生態環境研究中心北京100085)

植物體中已發現的化學元素有70多種，除碳、氫、氧和氮、磷、鉀之外，其余被統稱為中微量元素。所有的中微量元素都是來自土壤礦物質，歸根結底都是來自成土的母巖，因此又經常被稱作礦物質元素。隨著化學農業的發展和數十年持續高產，致使土壤中的礦物質營養元素消耗殆盡，中微量元素可能是今后提高作物產量和品質的關鍵因子。中微量元素肥料可劃分為水溶性和枸溶性兩大類，各有特色，各有優缺點。植物、動物、人類都需要礦物質微量元素，但必須是適當的數量和適當的比例，如果超過或低于其適量范圍，則可能產生其特有的負面效果。

中微量元素植物營養人體健康

0　引言

目前，植物體中已發現的化學元素有70多種，其中碳、氫、氧、氮、磷、鉀以及鈣、鎂、鈉、硫、硅等11種元素含量較高，占植物體活基質的99.95%，它們分別是大量元素和中量元素；其余60多種元素(如硼、鐵、鋅、錳、銅、鉬、硒等)的含量甚微，總共僅占0.05%，這些元素就是所謂的微量元素。

除碳、氫、氧和氮、磷、鉀之外，中微量元素覆蓋了植物體內存在的所有其他元素，包括鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬、氯等必需元素，還包括硅、鎳、鈷、硒、鈉、釩以及稀土元素等有益元素，此外也包括了鉻、鎘、鉛、砷、汞、鋁等重金屬有毒元素。

所有的中微量元素都是來自土壤礦物質，歸根結底都是來自成土的母巖，因此，又經常被稱作礦物質元素養分(當然，礦物質元素還包括磷和鉀)。土壤是由礦物巖石風化而來的，土壤固體的95%是礦物質，但土壤中的礦物質元素絕大多數是惰性的，是植物不能吸收的，只有少部分(約2%～3%)在風化成土作用過程中發生了活化，才成為植物的有效營養，并構成了土壤自然養分的重要部分。因此，土壤含有的中微量營養元素的有效濃度是土壤肥力水平的重要指標之一。

早在1846年，德國化學家李比希建立了植物的礦物質營養學說，確認植物的原始養分只能是土壤中的礦物質元素。1936年，美國參議院第264號文件指出，天然土壤可提供多達80種以上的礦物質營養元素，使植物能正常生長代謝，還幫助植物增強抗性。但化學農業濫用氮磷鉀化肥、過度高產，致使土壤中的礦物質營養元素消耗殆盡。結果正如諾貝爾獎得主Carrel以及Pauling所說：“土壤中的礦物質控制著植物、動物和人的新陳代謝。土壤的肥沃程度決定了所有生命的健康程度。”“人類的每一種疾患、每一種病痛都可以追溯到礦物質的缺乏上去。”

尤其在我國，由于地少人多、數十年長期持續高產，掠奪性地消耗了土壤中的中微量元素礦物質養分，不僅破壞了我國農作系統的可持續性，降低了耕地支撐高產的能力，而且使植物病變增多、農產品品質下降、氮肥利用率下降(加劇農業立體污染)。

因此，中微量元素可能是今后提高作物產量和品質的關鍵因子，亟待人工補充。尤其是植物的微量元素營養，乃是植物營養學界研究的薄弱環節。實際上，目前這幾十種微量元素對于植物生長發育的生物學意義，人們只是掌握了一小部分(如硼、鐵、鋅、錳、銅、鉬、氯等)，其余的絕大部分元素尚有待于人類的進一步研究和探索。相信隨著科學的進步，具有生物學意義的微量元素養分會逐步被發現認知。

目前認為，微量元素在植物體內多為酶的組成成分。酶是由生物體內活細胞合成的、具有高效催化作用的蛋白質類高分子有機化合物，是生物體內多數化學反應的高效催化劑，具有各種各樣的生理生化功能。酶不能改變反應的平衡，但能通過降低活化能加快化學反應的速率。酶具有專一性,一種酶只能催化一種或一類反應。除此以外，酶還具有高效性、溫和性。就單個微量元素來說，在植株體內一定的新陳代謝過程中，有著通常所說的“八仙過海，各顯神通”的本領。如鉬、錳、銅、鐵4種微量元素雖然都與蛋白質的合成息息相關，但是在硝酸還原過程中的各有關階段，鉬和錳各自起著專門化作用而顯示出很強的專一性，不能互相代替；而銅和鐵對亞硝酸還原酶和次亞硝酸還原酶活性的影響相似，專一性不強，能夠互相替換。正是由于一些微量元素對作物新陳代謝的影響相同或相似，就構成了某些微肥試驗中，常出現2種或2種以上元素同時施用時，對單位面積產量及品質的提高未能產生增補效應的理由之一，并可用以解釋因缺乏不同的微量元素卻使作物出現類似病害癥狀的原因。

微量營養元素的發現與應用，是近幾十年來植物礦質營養研究領域內的重大發現和農業施肥的巨大進展。這一方面是因為微量營養元素的施用，不僅提高了農作物的產量，而且還改善了農產品的品質；另一方面還解決了病蟲害理論不能解決的植物缺素癥(生理病害)的病因，促進了農業生產的發展。微量元素的研究現遠遠超出了它們的生理作用和農業化學效益或肥效的范疇，已滲透到了其他分支學科中，其重要性不僅引起了生理學家、土壤學家、農業化學(肥料)家和農學家們的重視，而且生物化學家和生態學家以及醫學、衛生學與環境科學方面的專家們也給予了極大的關注。

實際上，在人類數千年的農業生產歷史上，農作物的中微量營養元素主要來自土壤的自然養分，也就是土壤繼承自成土母巖的礦物質營養。只是在20世紀化學農業發展起來以后，由于農業產量越來越高，土壤自然養分中的礦物質元素不能滿足人類高產的欲望和需求，這才開始引發了人類對于中微量元素肥料的興趣，而中微量元素肥料的施用對土壤肥力和土壤保健具有重要貢獻。

1　中微量元素肥料的主要類型及其應用

根據中微量元素肥料中養分的溶解性質、施肥技術特征和農業肥效，筆者建議把中微量元素肥料劃分為水溶性和枸溶性兩大類。

水溶性中微量元素肥料是指由水溶性化學物質組成的中微量元素肥料，具有水可溶、濃度高的特性，大多用作追肥(包括水肥一體化中的滴灌肥和噴施的葉面肥)，也可摻混在復合肥中用作底肥。這是目前市場上常見、常用的中微量元素肥料，如鉬肥的鉬酸銨含鉬54.3%、鈣肥的石灰含氧化鈣達60%以上、鋅肥的七水硫酸鋅含鋅大于21.5%，此外，鐵肥的硫酸亞鐵和尿素鐵、硼肥的硼酸和硼砂、銅肥的硫酸銅等。其生產方式較為簡便，大多是根據農業生產的需要，選用合適的純化學物質配搭混合而成。

枸溶性中微量元素肥料是指以硅酸鹽巖石為原料，經特殊工藝加工而成的枸溶性礦物肥料/礦物質土壤調理劑，絕大多數情況下用作底肥(基肥)，部分用作追肥(沖施)。枸溶性中微量元素肥料通常選用優良的成土母巖為原料，通過一定的活化工藝把其中的礦物質元素活化成為植物能夠吸收利用的有效營養形態(大多是枸溶性，也有可能含少量的水溶性)。這類中微量元素肥料通常都繼承了母巖原料的礦物質元素組成，含有數十種中微量元素，與土壤的自然養分相似，而且元素之間的比例關系也與巖石和土壤中的自然比例關系相近。

例如，中國科學院地質與地球物理研究所自主研發的鉀硅鈣多元素微孔礦物肥料/土壤調理劑，就是以天然富鉀硅酸鹽巖石為原料經水熱反應工藝生產而成的(圖1)[1]。其生產工藝過程實際上就是模擬自然界風化成土過程，將富鉀硅酸鹽巖石中的鉀、硅、鈣以及鐵、鎂、錳等所有礦物質元素整體轉化成為植物可吸收的有效營養形態(枸溶性)，從而含有巖石圈地殼所含有的全部礦物質元素(80多種)。

圖1　模擬自然界風化成土過程生產的鉀硅鈣多元素微孔礦物肥料/土壤調理劑

對比起來，這兩類中微量元素肥料各有特色，各有優缺點。水溶性中微量元素肥料的優點是純度高、用量小、見效快、施用量容易控制；元素的種類和含量都可精確控制，容易對癥下藥，針對植物缺素癥真正做到“缺啥補啥”，因此通常都是一種或幾種元素的簡單組合。其不足之處包括：①通常是從植物營養的角度出發，針對植物生長發育明顯缺乏的中微量元素，也就是“缺啥補啥”，但對于土壤經常存在的“隱性饑餓”則很難應對；②元素較為單一，而且施用濃度高，因此容易打破微量元素之間的天然比例關系；③水溶性肥只針對當季作物的即時營養補充，而對于土壤的改良和培肥則通常不予考慮。

枸溶性中微量元素肥料則具有元素組成全面(幾乎含有天然土壤中所有的中微量營養元素)、符合全營養平衡施肥的理念、元素之間的比例關系與天然土壤類似等優勢；由于通常被用作基肥，不會被水溶解淋失，而且元素構成全面，因此對于土壤的改良和培肥具有重要意義，符合“藏糧于地”的新理念。但這類中微量元素肥料見效較慢、針對性不強，不能應用于水肥一體化，也不能做噴施用，而且施用量通常都較大(畝施用量達數十千克)。

必須強調的是，本文所說的枸溶性中微量元素肥料必須是通過活化技術把硅酸鹽巖石原料中的所有元素整體活化成為植物可吸收利用的枸溶性養分后制成的，目前常見的活化技術主要包括水熱反應和高溫煅燒兩類。當前市場上有許多土壤調理劑只是把麥飯石、鉀長石等巖石簡單破碎粉磨后就裝袋銷售，并未對原料中的礦物質元素進行活化，如果用農業部對枸溶性硅的標準檢測流程檢測，其中的枸溶性硅含量極低(通常<3%)；有的企業以碳酸鹽巖石(如石灰石、白云石等)作原料，破碎粉磨后作為土壤調理劑，其中的枸溶性中微量元素也很少。這些都不能稱為枸溶性中微量元素肥料。

水溶性中微量元素肥料是市場上最常見的中微量元素肥料，但真正符合本文標準定義的枸溶性中微量元素肥料則很少，目前僅有中科建成礦物技術(北京)有限公司(水熱反應)、河南明星肥業有限公司(水熱反應)、山西富邦肥業有限公司(高溫煅燒)等有限幾家企業的產品符合這樣的標準要求。

2　微量元素與植物營養和人體健康的關系

根據對植物生長發育所起到的作用，土壤中的80多種礦物質元素，既有植物生長必須的元素，也有對植物生長有益的元素，還有對植物生長有毒害的元素。重金屬汞、鉛、鎢、鋁等就屬于對植物生長有毒害的元素，其中汞、鉛等對植物有劇毒；鎢對固氮生物有毒，因其競爭性地抑制鉬的吸收；鋁含量多時可抑制鐵和鈣的吸收，強烈干擾磷代謝，阻礙磷的吸收和向地上部的運轉，抑制根的生長。

其實，元素有益還是有害，生命需要還是不需要，這都是相對的，而不能將其絕對化。過去認為對生命是不必需的或有毒的元素，可能在現在或將來會發現是有益的或生命所必須的。即使是現在已經確定是生物營養所必需的元素，也有一個維持機體正常生理功能所需要的適當數量范圍，不足可以引發缺乏病癥，過量又會產生中毒。

例如，眾所周知，鉻是公認的有毒有害重金屬元素之一，然而鉻是人和動物所必需的一種微量元素，軀體缺鉻可引起動脈粥樣硬化癥；鉻對植物生長有刺激作用，可提高收獲量；但如含鉻過多，對人和動植物都是有害的。由于鉻參與細胞的一系列組成，所以微量鉻可以提高植物體內酶的活性，并可增加葉綠素、有機酸、葡萄糖和果糖的含量，加速植物生長，增強植物對疾病的抵抗力和提高作物的產量。試驗顯示，當土壤中鉻含量低時，添加微量鉻可刺激植物生長、提高產量，這表明鉻在植物體內具有一定的生物生理功能；但當土壤中含鉻過量時，無論是Cr3+或Cr6+，對植物都能產生毒害作用，這些植物由于鉻的毒害而發生不同程度的減產，其具體表現為降低作物的發芽率、引起作物葉片失綠、阻礙作物根的延伸、減少作物根的數量[2]。

因此，必需元素、有益元素和有害元素之間并沒有明顯的界限。任何一種元素對植物的作用不僅取決于其化學性質，還取決于其濃度以及與其他元素的比例關系是否適合該種植物在一定生長年齡時的平衡需求或耐受能力。

目前就有不少專家提出，鎳、硅、鈷、鈉等元素也是植物必需的營養元素。喜硒植物中有大量硒的富集，缺硒就不能正常生長發育；有的低等植物還需要釩、鎵、鍺和鎢，但未能證明所有植物都需要它們。

研究表明，人體中的微量元素與地殼元素豐度呈正相關，這是土壤-植物-動物-人類的生物鏈傳遞結果。地殼中的元素在流體和生物的共同作用下被植物吸收并貯藏，動物或微生物又進一步吸收和富集，最后傳遞到人。人們已經發現人體血液中有60多種化學元素，與地殼同種化學元素的分布之間具有明顯的相關性(圖2)。如果在某一地區地殼中的化學元素濃度超出了人體所適應的正常變動范圍，就可能引起病變。

圖2　人體血液與地殼中元素含量的相關性

碘缺乏所引發的碘缺乏病(IDD)是全球性的，其危害嚴重。中國曾是世界上IDD流行最嚴重的國家之一，為預防控制IDD，我國開展了大規模人群流行病學研究和碘營養干預工作，發現了碘缺乏是我國人群甲狀腺腫、克汀病的致病因素，并首次在國際上發現和命名了“亞臨床克汀病”，促成了我國政府于1995年底正式實施全民食鹽加碘的政策作為國家消除碘缺乏危害的公共衛生問題的干預措施。

20世紀六七十年代，我國15個省的309個縣流行克山病，形成了一個從東北到西南的狹長型發病地帶，7 600萬人的生命受到威脅。我國在防治克山病工作中，首次發現硒缺乏是導致克山病的重要原因，并通過干預研究揭示了補充硒可以預防和控制克山病的發生，從而使科學界對硒的認識發生本質改變，將硒的研究推向了高峰，取得了科學界矚目的成就。

3　中微量元素/礦物質營養元素的地球化學討論

如前所述，所有的中微量元素都是來自土壤的礦物質元素，歸根結底都是來自成土的母巖，來自于地殼巖石圈。實際上，除了碳、氫、氧、氮等氣體元素外，化學元素周期表中的84個原生自然元素都是來自地殼巖石圈的礦物質元素。因此，土壤中可能含有80種以上的元素。

在地球45億年的地質歷史中，地球生命經歷了從化學進化→單細胞生物→植物、真菌、動物分化→無脊椎動物→脊椎動物→溫血動物分化→哺乳動物之原獸→靈長目之原猴→猿猴→猿人→智人，在這漫長的發生、進化歷程中，植物、動物、人類都對地殼巖石圈的礦物質元素背景形成了緊密的依賴關系。目前，人類的科學技術水平對這種依賴關系的機理研究還很有限，我們只能去認知它、順應它、適應它，尚無法去改變它。

如果地球生命存在的礦物質元素背景發生了較大的突變，則可能引發大規模的生物物種滅絕。

實例一：侏羅紀時代稱霸地球表面的恐龍，因為一顆地外小行星撞擊地球所帶來過量的元素銥而突然滅絕。當時只有那些能夠適應高濃度銥的少量生物物種存活下來，然后演化成為目前地球的生物種群。

實例二：我國的稀土元素資源量極為豐富，因此20世紀80年代生產出了含稀土元素肥料，農業使用效果很好，增產率通常可達20%～40%。然而30年后發現，人體長期低劑量攝入稀土元素，可能會給人體健康或體內代謝產生不良后果，包括影響大腦功能、加重肝腎負擔而導致肝臟組織變化、影響女性生育功能等；高于2 mg/kg劑量的農用稀土能通過胎盤屏障引起肝細胞和紅細胞的DNA損傷。結論是，植物和人類都需要稀土元素，但需要量不能超過一定的濃度范圍，而且稀土元素與其他元素的比例必須適當。

可見，植物、動物、人類都需要礦物質微量元素，但必須是適當的數量和適當的比例。如前所述，植物體內檢測出的70多種元素，只要被植物適量吸收，大都有可能對植物的正常生長產生其特有的正面效果；但如果超過其適量范圍或者低于其適量范圍，則可能產生其特有的負面效果。目前，我國土壤中的中微量元素失衡嚴重，造成我國土壤日益貧化、農產品質量不斷下降，國民身體也因為缺乏中微量元素的“隱形饑餓”而導致越來越多的病癥發生。

圖3　地殼元素組成

那么，怎樣的微量元素提供量才是“適量”的？有沒有一個基本原則？有沒有一個原則性的解決方案？顯然，自然情況千變萬化、植物生長千差萬別，很難給出統一的答案，只能是具體情況具體分析。但是，我們認為可以給出一個原則，那就是植物幾億年在土壤中演化至今，只有與天然土壤的正常提供量和正常比例(指元素之間的正常比例)相近，才是最“適量”的，而這又是由地殼的元素豐度所決定的(圖3)。由此可以給出一個“原則性的解決方案”，就是把正常的硅酸鹽巖石中的所有元素整體活化成為植物能夠吸收的有效營養形態，整體補充到土壤中去，這就是本文的“枸溶性中微量元素肥料”。當然，具體到每一個實際案例，還需要根據具體情況做一些微調。

4　結語

眾所周知，土壤是農業生產的物質基礎。土壤是植物營養的提供者，植物含有70多種元素，其中的絕大多數就來自于土壤；土壤含有80多種元素，成為植物營養體系平衡的基礎；同時，土壤還構成植物根系吸收養分的環境和條件，土壤的理化性狀制約著養分的有效利用率。植物所吸收的養分一部分來自于土壤(土壤的自然肥力)，一部分來自于人工施肥，人工施肥只是為了補充土壤自然肥力不足的部分(相對于人類期望的目標產量)。化學農業時代的人工施肥重點關注了氮磷鉀三要素，結果氮磷鉀化肥的用量普遍超量，使得國家要求“減肥”。因此，目前植物的元素營養的最小限制因子已經從氮磷鉀轉向了中微量元素。然而，中微量元素的種類太多、太復雜，包括了必需元素、有用元素和有毒有害元素，許多元素的作用機理還不清楚，因此急需開展大量的研究和試驗。

目前，這60多種微量元素對于植物/動物生長發育的生物學意義，人們只是掌握了一小部分(如硼、鐵、鋅、錳、銅、鉬、氯等)，其余的絕大部分元素尚有待于人類的進一步研究和探索。相信隨著科學的進步，具有生物學意義的微量元素養分會逐步被發現認知。

實際上，近年來硒、鈷、鎳、釩等元素對植物生長的正面效應不斷為人們所認識，甚至一些傳統的有毒有害元素在適量施用下對植物的正常生長有著正面效應也開始被證實，如許多試驗證明少量砷化物對某些植物生長有刺激作用,并能提高某些作物的品質。湖南省常寧縣白沙出產的“白沙柑子”，其色澤鮮艷、氣味芳香、酸甜可口，為當地的名產；常寧縣西嶺產的生姜肉質細嫩、纖維很少、有特殊香味，深受市場的歡迎。據分析，這些都與土壤中砷的含量有關。

[1]劉建明，劉善科，韓成，等.論土壤修復改良的礦物技術——礦物巖石地球化學一個新的應用研究方向[J].礦物巖石地球化學通報，2014(5)：556-560.

[2]肖玲,薛澄澤.塿土中鉻對玉米、小麥生長發育的影響[J].西北農業大學學報(自然科學版)，1990(1)：71-75.

Relationship between Medium and Trace Elements and Plant Nutrition and Human Health

LIU Jianming1, QI Zhaoying2, LIU Shanke1, HAN Cheng3, SHENG Xuebin4, QI Xin1, LI Huan3

(1.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of SciencesBeijing100029；2.Middle and Trace Element Fertilizer Branch of China Inorganic Salts Industry Association Beijing100013；3.Zhongke Jiancheng Mineral Technology 〔Beijing〕 Co., Ltd.Beijing100086；4.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of SciencesBeijing100085)

There are more than 70 kinds of chemical elements which have been found in plant bodies, except carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen, phosphorus and potassium, all others are called medium and trace elements. All medium and trace elements come from soil minerals, ultimately, they come from the mother rock, so they are often called mineral elements. With the development of chemical agriculture and continued high yield of several decades, the mineral nutrient elements in soil are used up, medium and trace elements are probably the key factor in increasing plant yield and quality in future. Medium and trace elements are divided into two categories, water-soluble and citric acid-soluble, each has its own characteristics, each has its merits and demerits respectively. Plants, animals, and the human all need mineral trace elements, but the mineral trace element has to be taken in appropriate quantity and appropriate proportion, above or below its appropriate amount of range, specific negative effect may take place.

medium and trace elementplant nutritionhuman health

劉建明(1958—)，男，研究員，主要從事礦物學、地球化學以及土壤肥料方向的研究；jmliu@mail.igcas. ac.cn。

S143.7

A

1006-7779(2016)03-0085-06

2016-04-14)