鋅肥施用與人體鋅素營養健康*

張金堯，汪 洪

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/國家化肥質量監督檢驗中心〔北京〕/農業農村部農產品質量安全肥料源性因子風險評估實驗室〔北京〕 北京 100081)

鋅是一種藍白色金屬，密度為7.14 g/cm3，熔點為419.5 ℃。鋅的價電子層組態為3d104s2，失去最外層的2個s電子而呈現+2價，溶液中鋅是以Zn2+形態存在。Zn2+半徑為0.83×10-10m，極化力和變形性都較大，有明顯的路易酸特征，常能與N、O等配體生成配位數為6的配離子，形成催化、結構、抑制和蛋白界面結合位點[1-2]。

鋅是植物、動物和人體所必需的微量營養元素。1926年，植物缺鋅癥狀在大麥和矮桿向日葵上試驗得到驗證[3]。20世紀60年代后，一系列含鋅酶的發現推動了植物中鋅生理作用的研究，進而分子生物學的發展促進了植物體內與鋅吸收運輸有關的轉運蛋白家族(如ZIP家族等)的發現[1，4]。土壤缺鋅是造成植物鋅營養缺乏的主要原因，根據聯合國糧農組織的報告，全世界大約有30%的耕地土壤缺鋅，甚至可能高達50%，石灰質土壤、半干旱土壤缺鋅現象更為普遍[5]。

人體缺乏維持健康的必需維生素和礦物質，被稱為“隱性饑餓”。人體對隱性饑餓一時難以察覺，若忽視則將影響人體的健康，全球有超過20億的人受到隱性饑餓的影響。人體微量元素鋅(Zn)、鐵(Fe)攝入量少，將導致諸如失明、發育遲緩、智力低下、學習障礙、工作能力低下甚至早逝等無法彌補的損害[4]。實施生物強化工程，通過生物育種和農藝措施改善以提高作物籽粒中微量元素(包括鋅)的含量，從而增加人體微量元素的攝入量、促進人體健康，已經成為國際關注的熱點之一[4，6]。筆者就作物鋅肥施用與人體鋅素攝入、人體健康等方面的研究作一綜述。

1 鋅與人體健康

鋅存在于人體的各個器官中，其中在骨骼、肌肉、視網膜和肝臟中含量較多[4，7-8]。鋅是人體中代謝最為廣泛的元素，是體內200多種酶及脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的組成成分。人體中鋅的生理作用主要體現在：保障大腦和神經系統的健康，尤其是處于發育期的胎兒；調節來源于生殖系統器官的激素的分泌。此外，鋅對骨骼和牙齒的形成、外傷傷口的愈合、壓力的緩解、頭發的生長等皆有幫助[9-10]。由于鋅在人體生長發育、生殖遺傳、免疫、內分泌等生理過程中具有重要的作用，因此被人們冠以“生命之花”、“智力之源”的美稱。人體鋅的缺乏會導致身體機能下降，甚至引發多種疾病，如導致味覺和嗅覺不靈敏、手指甲上出現白斑點、易感染、膚色蒼白、生育能力低等，青少年和兒童易出現抑郁傾向、缺乏食欲等癥狀[11-13],而大腦發育遲緩、糖尿病、神經系統紊亂也與缺鋅有關[4，7，14-15]。1961年在伊朗發現首例人體缺鋅病例，此后世界各地相繼報道了人體缺鋅的病例。世界衛生組織(WHO)的資料顯示，鋅缺乏在發展中國家尤為普遍，影響著約數十億人口(占全球總人口的17%以上)[16]。在發展中國家，約有60%的人口面臨鋅攝入量不足的問題[17]，因鋅攝入量不足而導致的患病率在非洲估計高達25%，在南亞則高達29%。在發展中國家，鋅的缺乏排在引發人群疾病病因的第5位[18-19]。我國約有1億人口受缺鋅的影響，其中30%～60%為學齡兒童，且主要分布在廣大的農村地區[20]。1982年在我國新疆伽師等地發現人體缺鋅綜合癥[21]。

2 人體鋅的攝入

鋅在人體中的功能無法替代，且人體內無法合成，必須從食物中攝取，WHO建議成人每天食物鋅的攝入量為12～16 mg。美國食品營養委員會推薦成人每天鋅的攝入量為15 mg，妊娠期為20 mg，哺乳期為25 mg；6個月以下、體重輕于6 kg的嬰兒每天攝入鋅3 mg，1歲以下、體重輕于10 kg的為5 mg，1～6歲為10 mg，7歲以上的攝入量就應該與成人相同。2017年，中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會發布了衛生行業標準《中國居民膳食營養素參考攝入量 第3部分：微量元素》(WS/T 578.3—2017)，其中中國居民膳食微量元素鋅參考攝入量如表1所示。

不同食物含鋅量不盡相同，食物中鋅含量的排列次序為動物性食物>豆類>谷類>水果>蔬菜，因而以谷類食品為主而不吃肉、豆類，尤其是長期食用精制米面制品者容易缺鋅。第1次農業綠色革命增加了谷類作物產量，提高了全球糧食供給量，但忽視了糧食品質對環境和人體健康的影響，以至帶來了“隱性饑餓”問題，即微量元素的缺乏。尤其是在發展中國家，居民的飲食習慣多以禾谷類籽粒為主食，而谷類作物的微量元素含量較低，且在糧食加工過程中有許多損失[6]。此外，籽粒種子中的植酸容易與Fe3+、Zn2+等結合形成不溶配合物，而人體消化系統中缺少水解植酸的酶，直接影響微量元素鋅的吸收，因此，在以植物性食品為主食的發展中國家人群中，鋅等微量元素缺乏較為普遍[6,11,22-24]。

為了改善人體的鋅營養健康，人們一直在積極尋找各種可行的措施，目前采取的主要策略：①藥物防治，直接服用補鋅藥物，如硫酸鋅、乳清酸-精氨酸鋅、甘草酸鋅、葡萄糖酸鋅等；②飲食多樣化，多食富鋅食物以增加人體對鋅的攝入量，其中肉類、蛋類、牡蠣、蟹、花生、杏仁、土豆等鋅含量高；③食品防御工程，即在食品中添加鋅；④生物強化工程，即通過育種和栽培途徑，提高糧食作物籽粒中微量元素的含量和生物有效性，提高作物可食用部分鋅含量，通過主食提供人體所需的鋅[6，11]，這被認為是一種安全、經濟、穩定、有效的策略[25-28]。藥物防治、食品防御工程及飲食多樣化等措施已在發達國家廣泛推廣應用并取得了良好的效果，但由于發展中國家經濟技術相對落后，政策扶持有限，食品防御工程和藥品防治措施所發揮的作用有限，且發展中國家人群的飲食習慣多以含鋅量較低的谷物類為主，導致在發達國家行之有效的措施在發展中國家無法得到很好的實施[9]。

表1 中國居民膳食微量元素鋅參考攝入量

考慮到人體對食物營養的消化吸收，要保證人體獲得充足的鋅營養，谷物類鋅含量應在40～60 mg/kg，而目前谷物類鋅含量僅為10～30 mg/kg。以小麥為例，其籽粒鋅含量普遍在20～35 mg/kg[29-31],在供鋅不足的石灰性土壤中，小麥籽粒鋅含量僅為10～15 mg/kg，遠低于滿足人體鋅供應標準的要求[32-33]。鋅主要集中在谷物糊粉層及胚芽部位，胚乳中鋅含量較少。Ozturk等[34]研究表明，小麥胚乳含鋅量為10 mg/kg，胚芽及糊粉層中鋅含量達到100 mg/kg。在常規碾磨谷物籽粒獲取面粉的過程中，胚芽及糊粉層被帶走浪費，而低鋅部位(如胚乳等)得以保留。典型的白色小麥面粉中鋅含量僅為5～10 mg/kg[35-36]，遠不能滿足人體對鋅的攝食需求。假設小麥消費國的國民每天攝食面粉400 g，面粉中平均鋅含量為8 mg/kg，鋅的日平均攝入量僅為3.2 mg，人體鋅攝入量明顯不足。

2004年1月，國際農業研究磋商委員會組織啟動了“HarvestPlus”項目，其屬于“全球挑戰計劃”中的一個項目。該項目針對發展中國家人群鐵、鋅、維生素A等營養普遍貧乏的狀況，旨在培育和推廣富含微量營養元素的作物新品種，克服植物性食物中微量營養元素不足的缺陷，提高膳食營養水平。美國比爾和梅林達·蓋茨基金會、美國國際開發署、世界銀行和丹麥外交部國際發展署資助該項目，國際熱帶農業中心和國際農業政策研究所負責協調，在全球特別是在發展中國家建立了研究聯盟進行具體實施。第1批啟動的研究以玉米、水稻、小麥、大豆、木薯、甘薯6種作物為對象，以鐵、鋅、維生素A等人體必需的微量元素為研究目標，通過傳統育種與分子育種2種途徑培育富含微量營養元素的新品種。中國生物強化育種項目是“HarvestPlus”項目的一部分，范云六院士為中國生物強化育種項目的召集人，中國農業科學院負責協調，于2005年啟動。

3 鋅肥施用與鋅生物強化

鋅在谷物籽粒中的積累取決于土壤因素、作物籽粒灌漿過程中的微量營養元素和水分供應、衰老的時間、灌漿期的長短以及谷物中氮(N)的營養狀況等[4]。谷物籽粒中的鋅主要有2種來源：①開花后根系吸收鋅轉運至谷物地上部；②開花前鋅直接沉積在營養組織如葉片或莖稈處，在生殖生長階段再轉移至籽粒中[37-38]。開花前谷物中的鋅在向籽粒的再轉移過程中，鋅在植物體內的再利用程度與葉片鋅含量、葉片衰老程度及環境條件關系密切[39]。

土壤是作物生產的基礎，提高土壤質量是谷類作物實現高產高效的主要途徑之一。土壤中有效鋅含量偏低主要與多種環境因素有關，如pH中性至堿性、CaCO3含量高、有機質含量高、鐵和鋁的氧化物含量高、磷含量高、長期淹水等。據1997年公布的全國第2次土壤普查數據，我國缺鋅土壤面積有9.50億畝(1畝=667 m2，下同)，占當時全國總耕地面積的45.7%，北方石灰性土壤上種植的作物缺鋅尤為普遍[40]。世界上缺鋅土壤面積約為30%，甚至可能高達50%[41]，不少土壤缺鋅地區與人體缺鋅地區是重疊的(圖1)。

土壤直接施用鋅肥是鋅生物強化的主要方式之一，最常見的鋅肥是ZnSO4·7H2O。為確定田間土壤鋅肥的施用量，常以植株鋅含量和土壤有效鋅含量作為參考指標。臨界缺鋅土壤的有效鋅(DTPA-Zn)含量為0.5～1.5 mg/kg，植株Zn含量為15～25 mg/kg[41]。由于種植系統和土壤條件不同，各地區推薦的土壤鋅肥施用量也不同，中東地區鋅肥推薦量[43]為2～5 kg/hm2；印度依據不同作物推薦的鋅肥用量介于2.5～11.0 kg/hm2之間[44]；Cakmak等[32]認為種植土耳其小麥的鋅肥推薦施用量以23 kg/hm2為宜；Alloway等[45]在南澳大利亞石灰性土壤上的研究表明，施用9～22 kg/hm2鋅肥后，肥效至少可保持10年；Liu等[46]對我國北方石灰性土壤條件下冬小麥鋅肥施用開展了研究，綜合考慮施用效果、經濟水平及農田環境安全等因素，推薦我國北方冬小麥適宜的鋅肥施用量為11 kg/hm2，夏玉米為50 kg/hm2。

在不同地區和土壤條件下，施用鋅肥后作物產量及籽粒鋅含量的變化響應是不同的。土耳其土壤中DTPA-Zn含量為0.1 mg/kg，施用鋅肥23 kg/hm2可使小麥增產3～5倍，籽粒鋅含量提高8.0 mg/kg[47]。韓金玲等[48]研究發現，在DTPA-Zn含量為0.84 mg/kg的土壤上，冬小麥ZnSO4·7H2O施用量在20 kg/hm2時產量較高。田娣等[49]的研究表明，鋅肥施用量在15 kg/hm2時，我國冬小麥增產率達到18.8%。Jiao等[50]的研究表明，土壤中施加ZnSO4可顯著提高亞麻籽和硬質小麥籽粒的鋅含量。Soleimani等[51]的研究表明，在DTPA-Zn含量為0.38 mg/kg的土壤上，玉米產量隨鋅肥施用量的增加而顯著提高。Wang等[52]的研究表明，施用鋅肥對春玉米、冬小麥產量及生物量并未產生顯著影響。Zhang等[53]在盆栽條件下施用鋅肥也未增加玉米產量和生物量，可能是由于供試土壤有效鋅含量較高所致。在河南新鄉缺鋅褐土上進行的微區定位試驗研究表明，施鋅肥可顯著提高土壤有效鋅的含量，經4茬之后，土壤有效鋅含量仍維持在臨界值之上，對作物產量沒有多大的影響，施鋅可顯著提高前2茬小麥和前3茬玉米籽粒中鋅的含量[54]。

葉片噴施鋅肥對于改善谷物籽粒鋅含量的效果更加明顯[55]。葉面噴施鋅肥可避免鋅在土壤中的固定或轉化，無需經過根系吸收、莖稈運輸等過程，可直接通過篩管、導管或者胞間連絲進行轉運[56]。在12個國家連續8年進行不同作物鋅肥土施和葉片噴施的研究表明，土施鋅肥對提高籽粒鋅含量的效果不明顯，但葉面噴施鋅肥對提高籽粒鋅含量的效果明顯[4]。對水稻、小麥、玉米的研究表明，與不施鋅肥相比，在土施配合葉面噴施鋅肥的條件下，小麥籽粒鋅含量對葉面噴施鋅肥響應最為顯著，其籽粒鋅含量增加83%；水稻表現為中等響應，籽粒鋅含量增加27%；玉米響應較弱，籽粒鋅含量增加9%[57-58]。葉面噴施鋅肥可選用ZnSO4和EDTA螯合鋅(如Zn-EDTA)，在改善植株缺鋅癥狀和增加組織鋅含量方面表現出一致的效果。對于鋅的生物強化，葉面噴施鋅肥的時間至關重要，大量研究表明在作物發育較晚階段(最好于灌漿期)而非較早階段噴施鋅肥，作物籽粒對鋅的富集效果更加顯著[36，59]。田間試驗結果表明，2次葉面噴施濃度為0.5%的ZnSO4可使小麥籽粒中鋅含量增加50%，而對產量無顯著影響[33]。利用放射性同位素65Zn的研究表明，氮供應不足限制了谷物根系對鋅的吸收和鋅由根系向地上部的轉運，減少了鋅在籽粒中的積累[33，55]，適量氮肥配施鋅肥可顯著增加小麥籽粒鋅含量[33]。氮肥和鋅肥配合葉面噴施可顯著提高小麥籽粒鋅含量[33]，鉬鋅肥配合噴施在提高小麥和玉米籽粒鋅積累上具有協同作用[60]。

合理施用鋅肥是增強鋅生物強化的重要農藝措施，對于常規育種和現代生物技術分子育種生物強化具有重要的協同作用。土施鋅肥可確保土壤中有充足的有效鋅供作物根系吸收，進而轉運至地上部；葉面噴施鋅肥可提高作物營養組織中鋅的含量，促進鋅向籽粒的遷移，從而提高作物籽粒中鋅的含量，進而提高人體膳食鋅的攝入量，改善人體缺鋅狀況(圖2)。