元素硫與動植物營養和人體健康*

普正仙, 宗世榮, 王 芳, 周凌翔, 魯振亞

(1.云南云天化股份有限公司研發中心 云南昆明 650228;2.中國農業大學資源與環境學院/綠色智能肥料創新農業農村部重點實驗室/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室/國家農業綠色發展研究院 北京 100193)

硫元素的發現和使用歷史悠久。 據報道,早在4 000 年前,埃及人就已經用燃燒硫后生成的物質來漂白布匹,古羅馬著名詩人荷馬在他的著作中也講述了上述作用。 硫在我國的應用也較早,如用做藥材、煉丹,我國古代四大發明之一火藥的主要成分之一就是硫黃。 硫一開始被認為是一種化合物,直到1777 年法國化學家拉瓦錫明確硫是單一元素,1789 年把硫列入化學元素周期表,從此開啟了近現代硫化學研究的征程[1]。 硫元素在動植物正常生長發育和人體健康等方面扮演著重要的角色,但是硫的功能和硫肥的施用并沒有得到足夠的重視。 在過去的幾十年中,土壤缺硫已經成為全球的普遍現象,而且有愈發嚴重的趨勢;相關研究資料顯示,我國有30%左右的土壤缺硫,有20%以上的土壤潛在缺硫,嚴重制約了我國作物產量的增加、動植物營養的提升,也影響了人體的健康[2-3]。

1 硫與植物營養

硫是植物正常生長所必需的營養元素之一,作物體內硫的質量分數一般為0.1%～0.5%,葉片中硫的含量較高,根系中硫的含量相對較低[4]。 硫不僅參與蛋白質的合成,還參與半胱氨酸、蛋氨酸和胱氨酸等含硫氨基酸的合成,是組成蛋白質的重要組分,蛋氨酸等含硫氨基酸缺乏會抑制蛋白質的生成[5]。 硫參與光合作用,以硫脂的形式組成葉綠體基粒片層;硫還是鐵氧還蛋白的組成成分,參與暗反應二氧化碳的還原過程;硫氧還蛋白半胱氨酸-SH 在光合作用中具有傳遞電子的功能[6]。 另外,硫在酶活性、脂類合成、維生素合成、次級代謝產物合成和抗逆等方面均有重要功能[6-7]。

施用硫可以顯著提高作物體內的硫含量。 硫的來源很多,可通過大氣沉降、灌溉水、作物秸稈、畜禽糞便和其他有機殘留物等獲取,但最重要的硫營養補充途徑是施用硫肥。 據相關資料顯示,硫肥的施用可追溯到200 多年前,主要分為3 個時期[8]:第一個時期為石膏的早期應用,大約從1760 年到1845 年,80 多年的時間里石膏被廣泛應用。 第二個時期是在1845 年后的半個多世紀里,因無證據表明石膏中含有的硫元素帶來了良好的農學效果,人們對石膏及其作用方式缺乏興趣,更多地把施用石膏的效果歸于土壤中鉀有效性的提升;隨著過磷酸鈣的生產與農業研究的發展,過磷酸鈣成為常用的肥料產品,取代了石膏,因為不論是單獨施用過磷酸鈣還是與硫酸銨、硫酸鉀等混合施用,比施用石膏有更好的農學效果。第三個時期是1899 年俄羅斯化學家Bogdanov S.M.提出了天然供應的硫能否滿足作物需要的問題,3 位英國農學家Dymond、Hughes 和Jupe 通過田間試驗對上述問題進行了驗證,而且越來越多的研究證明硫缺乏現象是普遍存在的,硫是植物生長所必需的營養元素,人們也逐漸認識到施用硫肥的重要性和必要性。

施用硫肥可顯著提高作物產量。 近年來,施用硫肥的增產作用在不同地區、不同作物上得到了驗證,尤其在缺硫土壤上。 謝迎新等[9]對比了不同施硫量和施氮量對冬小麥的氮素利用效率及產量的影響,結果表明硫素供應顯著增加了小麥中氮素的積累,在不同施氮量條件下,施用硫肥可提高小麥籽粒產量4.9%～18.3%。 李飛[10]對比了不同施硫量對玉米的影響,結果顯示與不施硫處理相比,施用硫肥的玉米增產率為5.1% ～17.7%。 劉光榮等[11]對水稻的研究結果表明,施用硫肥后水稻產量可提高5.1%～9.9%。 李玉穎[12]驗證了在黑龍江黑土上施用硫肥對大豆的影響,發現在薄層黑土和草甸黑土上施用硫肥,大豆可增產3.4%～18.2%。 吳德淮等[13]對比了不同施硫量對花生產量的影響,結果發現施用硫肥可使花生增產12.1%～15.0%。 周學軍[14]通過大田試驗發現,施用硫肥可使油菜增產5.34%～14.93%,平均增產9.82%。 在生姜上施用硫肥也能實現增產,增產幅度為0.9%～6.6%[15]。 施用硫肥還能顯著提高馬鈴薯、大蒜、大白菜、番茄、西瓜、洋蔥、甘蔗、棉花、烤煙等作物的產量[16-24]。

施用硫肥還可顯著提升作物品質。 黃界潁等[25]的研究表明:施用硫肥可促進小麥對硫、氮的吸收,提高籽粒中硫、氮、粗蛋白和氨基酸的含量;與對照相比,施用硫肥處理的絲氨酸質量分數增加了5%,天冬氨酸、蘇氨酸等氨基酸的質量分數增加了10%以上,施用硫肥改善了小麥品質。邵帥等[26]評價了施用硫肥對玉米品質的影響,發現在施硫量不超過120 kg/hm2時,玉米籽粒中蛋白質、脂肪的含量隨著硫肥用量的增加而提高,淀粉含量隨著硫肥施用量的增加而下降。 司賢宗等[27]在花生上的試驗結果顯示,施用硫肥可使花生蛋白產量和脂肪產量分別平均增加19.4%和19.2%。 吳萍萍等[28]的研究結果顯示,施用硫肥可明顯提高粗蛋白、還原型維生素C、還原糖、姜精油和姜辣素的含量,降低硝酸鹽的含量。 王少先等[19]在番茄上的研究結果顯示,施用硫肥提高了番茄果實中維生素C 的含量和可滴定酸的濃度,但降低了可溶性糖、固形物、蛋白質等的含量。胡芳[29]對新疆白蒜的研究結果顯示,與對照相比,施用硫肥處理的還原性糖、氨基酸總量、維生素C 和碳水化合物的含量最大增幅依次為61.34%、58.9%、 21.50% 和25.76%。 崔憨厚等[30]的研究表明,施用硫肥處理的甜菜含糖率提高了0.5% ～1.0%, 產糖量增加了19.7% ～21.2%。 孫義祥等[31]在棉花上的研究結果顯示,施用硫肥可改善棉纖維長度、比強度和整齊度等品質指標,明顯提高了棉花的品質。

2 硫與動物營養

動物生產的最終產品如毛、肉和奶等,均富含蛋白質,因此需要大量的硫營養輸入,硫的供應對動物營養和畜牧生產有重要意義。

硫是動物生長所必需的營養元素之一,約占動物體質量的0.25%[32];尤其在動物的毛、角、爪中硫含量較為豐富[33]。 硫分布在動物體內各個細胞中,主要存在于含硫氨基酸、含硫維生素、黏多糖、輔酶、纖維蛋白原和谷胱甘肽中,具有以下幾方面的營養功能。

硫參與微生物菌體蛋白的合成。 菌體蛋白又稱微生物蛋白、單細胞蛋白,但不是純的蛋白質,而是由蛋白質、脂肪、碳水化合物、核酸及含氮化合物、維生素和無機化合物等組成的細胞質團。反芻動物因具有特殊的瘤胃功能,瘤胃微生物可以利用硫元素合成含硫氨基酸來生產菌體蛋白,進而滿足動物對蛋白質的需求[33]。

硫參與角蛋白的合成。 角蛋白為外胚層細胞的結構蛋白,是構成毛發、角、爪和皮膚外層的主要蛋白質。 硫的補充對保障動物皮、毛、角和爪的正常生長有重要作用,如硫在綿羊毛中的質量分數一般為2%～5%,其中90%～99%的硫存在于胱氨酸中;如果動物缺硫,將造成食欲下降、消瘦,產毛量降低,毛生產不良、長短不齊;有資料顯示,向綿羊的日糧中補喂硫營養,可使其活重增加12%,剪毛量提高16%[32-34]。

硫可促進肝臟內蛋白質和核糖核酸的生物合成。 相關研究表明,向豬的日糧中每天添加硫酸鈉5 g/頭,平均日增重較對照組提高7%～10%;在雛雞、肉用鴨仔的飼料中補充硫酸鈉,也能明顯提高其肝臟中蛋白質和核糖核酸的含量[34]。

硫可促進動物對飼料物質的消化代謝。 動物日糧中硫的含量直接影響瘤胃發酵參數、微生物活力等,進而影響動物對飼料中營養物質的消化與代謝[35]。 研究表明:飼料中補充硫營養可以提高秸稈的消化率;當硫的添加量從0.11%提高至0.46%時,有機干物質、粗蛋白等的表觀消化率呈線性增加趨勢[32]。

另外,硫在胱氨酸的生物合成、牛磺酸的合成、維生素的產生、參與體內解毒過程等方面均有重要的作用[32-33,36]。

3 硫與人體健康

硫是人體中不可缺少的常量元素之一,是人體內第八大豐富的元素。 硫主要在以下幾個方面對人體發揮重要的作用。

硫是人體不可缺少的“天然美容產品”。 硫參與角蛋白的合成,是構成人體毛發、指甲和皮膚外層的主要蛋白質,可促進毛發的生長,保護指甲使指甲健康亮澤,還可減少灰指甲等疾病的發生。硫還參與膠原蛋白的合成,膠原蛋白可保持肌膚水分,使皮膚富有彈性[37]。

人體的心臟等內臟中含有硫蛋白,因這些硫蛋白中含有鋅、銅等金屬物質,常被稱為金屬硫蛋白。 金屬硫蛋白可以與重金屬離子配位結合成無毒或低毒的絡合物,起到解毒作用。 金屬蛋白在減輕自由基和電離輻射對人體造成的傷害、對部分酶的激活、參與人體發育過程的調節以及抵御環境脅迫等方面有重要的作用[38]。

蛋氨酸和半胱氨酸是人體所必需而自身又不能產生的兩種氨基酸,需要從飲食中攝入。 硫參與蛋氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的合成,進而供人體吸收利用。 蛋氨酸等含硫氨基酸的攝入量不足會削弱人體內蛋白質合成的能力,改變甲基基團對其他合成途徑的有效性,同時會減少葉酸的生成,長期缺乏蛋氨酸和葉酸會降低人體處理化學毒性的門檻,可能與結直腸癌和乳腺癌的發生有關[39]。

硫參與谷胱甘肽的合成。 谷胱甘肽是重要的抗氧化劑之一,可以抑制其他分子的氧化,進而阻止細胞損傷。 谷胱甘肽也被稱為身體“有毒廢棄物清理隊”的重要成員,可以有效預防被動吸煙、電磁輻射等對人體帶來的不良影響[37]。

硫還是胰島素生產的必要成分,另外硫在治療關節炎、糖尿病等疾病,提高腸胃的消化與吸收能力,增強人體抵抗力,預防癌癥,促進人體新陳代謝等方面也起著重要作用[37-39]。

4 強化植物硫營養

人體主要通過飲食途徑攝入硫,雖然現在對人體攝入硫的量沒有明確的推薦數據,但相關資料顯示,體質量為70 kg 的男性,每日最低含硫氨基酸攝入量為910 ～1 120 mg[39]。 對各種食物的含硫氨基酸含量進行檢測發現,與肉類、蛋類相比,許多植物衍生食品中蛋氨酸和半胱氨酸的含量相對偏低[39]。 因此,強化植物硫營養,提高動植物體含硫氨基酸含量,對保障人體健康有重要作用。

隨著全球硫缺乏的日益嚴重,硫肥施用是補充硫營養、滿足作物需求的重要途徑。 相關研究表明,全球范圍內的谷物類作物的硫肥利用效率僅為18%,且有進一步降低的趨勢[40]。 較低的硫肥利用效率嚴重影響了植物體內硫含量的提高,也給人體健康帶來了潛在的威脅。 因此,需合理使用硫肥,并提高硫肥的利用效率,強化動植物體的硫營養。

導致硫肥利用效率低的原因主要有以下幾個方面[40]:①淋洗損失。 硫酸根離子是作物吸收利用硫元素的主要形態,但硫酸根離子在土壤中非常容易發生淋洗損失,淋洗損失量與土壤性質、硫的施用形態和施用量、降雨量等因素有關。 ②吸附與固定。 硫的吸附與固定很大程度上取決于土壤酸堿性,在鋁、鐵含量較高的酸性土壤上,硫吸附與固定量較高,而在pH＞7 的土壤上,硫的吸附和固定量較低。 因此,調節土壤的pH 在合適的范圍內可以有效提高硫的利用效率。 ③硫肥的施用時間、施用方式、施用量、施用形態不當,也會降低硫肥的利用效率。

針對不同地區、不同作物、不同氣候甚至不同施肥習慣等采取不同的硫肥施用策略,需要綜合考慮以下幾方面的因素[41]:①土壤性質。 如在鹽堿地等堿性土壤上,施用單質硫肥效果較好。②作物需求。 有的作物生長前、中期對硫的需求量較大,在硫肥施用時要優先考慮含硫酸根形態的硫肥供應。 ③氣候條件。 在高降雨量地區,單獨施用含硫酸根形態的硫肥時,淋洗損失風險較大,也不易滿足生物全生育期對硫的需求。 ④期望產量水平。 期望的產量越高,作物帶走的硫養分就越多,因此需要投入較多的硫肥。 ⑤硫肥特性。 目前市場上有單質態硫肥、含硫酸根形態硫肥、含有機硫硫肥等,不同硫肥中硫的養分釋放等功能不同,需根據不同土壤、氣候等條件來選擇適合的硫肥。 ⑥元素互作。 相關研究證明,硫與氮、硫與磷等同時施用,可以有效提高植物對氮、磷、硫等養分的吸收利用,提高養分的利用效率。⑦社會經濟因素。 肥料的價格、肥料施用習慣以及產投比也是影響農戶選擇和施用含硫肥料的重要因素。

5 結語

硫是動植物與人體不可缺少的元素之一,硫肥施用是強化動植物硫營養和保障人體健康的重要途徑。 應基于不同土壤、氣候、作物條件,結合不同硫肥特性和社會經濟因素,考慮選擇適宜的硫肥種類、施用形態、施用量、施用方式和施用時間,實施科學施肥,從而提高硫肥的利用效率,促進植物對硫的吸收利用,強化動植物和人體的硫營養。