中微量元素与植物营养和人体健康的关系

刘建明，亓昭英，刘善科，韩　成，盛学斌，齐　鑫，李　欢

(1.中国科学院地质与地球物理研究所　北京　100029；2.中国无机盐工业协会中微量元素肥行业分会　北京　100013；3.中科建成矿物技术〔北京〕有限公司　北京　100086；4.中国科学院生态环境研究中心　北京　100085)



中微量元素与植物营养和人体健康的关系

刘建明1，亓昭英2，刘善科1，韩成3，盛学斌4，齐鑫1，李欢3

(1.中国科学院地质与地球物理研究所北京100029；2.中国无机盐工业协会中微量元素肥行业分会北京100013；3.中科建成矿物技术〔北京〕有限公司北京100086；4.中国科学院生态环境研究中心北京100085)

植物体中已发现的化学元素有70多种，除碳、氢、氧和氮、磷、钾之外，其余被统称为中微量元素。所有的中微量元素都是来自土壤矿物质，归根结底都是来自成土的母岩，因此又经常被称作矿物质元素。随着化学农业的发展和数十年持续高产，致使土壤中的矿物质营养元素消耗殆尽，中微量元素可能是今后提高作物产量和品质的关键因子。中微量元素肥料可划分为水溶性和枸溶性两大类，各有特色，各有优缺点。植物、动物、人类都需要矿物质微量元素，但必须是适当的数量和适当的比例，如果超过或低于其适量范围，则可能产生其特有的负面效果。

中微量元素植物营养人体健康

0　引言

目前，植物体中已发现的化学元素有70多种，其中碳、氢、氧、氮、磷、钾以及钙、镁、钠、硫、硅等11种元素含量较高，占植物体活基质的99.95%，它们分别是大量元素和中量元素；其余60多种元素(如硼、铁、锌、锰、铜、钼、硒等)的含量甚微，总共仅占0.05%，这些元素就是所谓的微量元素。

除碳、氢、氧和氮、磷、钾之外，中微量元素覆盖了植物体内存在的所有其他元素，包括钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯等必需元素，还包括硅、镍、钴、硒、钠、钒以及稀土元素等有益元素，此外也包括了铬、镉、铅、砷、汞、铝等重金属有毒元素。

所有的中微量元素都是来自土壤矿物质，归根结底都是来自成土的母岩，因此，又经常被称作矿物质元素养分(当然，矿物质元素还包括磷和钾)。土壤是由矿物岩石风化而来的，土壤固体的95%是矿物质，但土壤中的矿物质元素绝大多数是惰性的，是植物不能吸收的，只有少部分(约2%～3%)在风化成土作用过程中发生了活化，才成为植物的有效营养，并构成了土壤自然养分的重要部分。因此，土壤含有的中微量营养元素的有效浓度是土壤肥力水平的重要指标之一。

早在1846年，德国化学家李比希建立了植物的矿物质营养学说，确认植物的原始养分只能是土壤中的矿物质元素。1936年，美国参议院第264号文件指出，天然土壤可提供多达80种以上的矿物质营养元素，使植物能正常生长代谢，还帮助植物增强抗性。但化学农业滥用氮磷钾化肥、过度高产，致使土壤中的矿物质营养元素消耗殆尽。结果正如诺贝尔奖得主Carrel以及Pauling所说：“土壤中的矿物质控制着植物、动物和人的新陈代谢。土壤的肥沃程度决定了所有生命的健康程度。”“人类的每一种疾患、每一种病痛都可以追溯到矿物质的缺乏上去。”

尤其在我国，由于地少人多、数十年长期持续高产，掠夺性地消耗了土壤中的中微量元素矿物质养分，不仅破坏了我国农作系统的可持续性，降低了耕地支撑高产的能力，而且使植物病变增多、农产品品质下降、氮肥利用率下降(加剧农业立体污染)。

因此，中微量元素可能是今后提高作物产量和品质的关键因子，亟待人工补充。尤其是植物的微量元素营养，乃是植物营养学界研究的薄弱环节。实际上，目前这几十种微量元素对于植物生长发育的生物学意义，人们只是掌握了一小部分(如硼、铁、锌、锰、铜、钼、氯等)，其余的绝大部分元素尚有待于人类的进一步研究和探索。相信随着科学的进步，具有生物学意义的微量元素养分会逐步被发现认知。

目前认为，微量元素在植物体内多为酶的组成成分。酶是由生物体内活细胞合成的、具有高效催化作用的蛋白质类高分子有机化合物，是生物体内多数化学反应的高效催化剂，具有各种各样的生理生化功能。酶不能改变反应的平衡，但能通过降低活化能加快化学反应的速率。酶具有专一性,一种酶只能催化一种或一类反应。除此以外，酶还具有高效性、温和性。就单个微量元素来说，在植株体内一定的新陈代谢过程中，有着通常所说的“八仙过海，各显神通”的本领。如钼、锰、铜、铁4种微量元素虽然都与蛋白质的合成息息相关，但是在硝酸还原过程中的各有关阶段，钼和锰各自起着专门化作用而显示出很强的专一性，不能互相代替；而铜和铁对亚硝酸还原酶和次亚硝酸还原酶活性的影响相似，专一性不强，能够互相替换。正是由于一些微量元素对作物新陈代谢的影响相同或相似，就构成了某些微肥试验中，常出现2种或2种以上元素同时施用时，对单位面积产量及品质的提高未能产生增补效应的理由之一，并可用以解释因缺乏不同的微量元素却使作物出现类似病害症状的原因。

微量营养元素的发现与应用，是近几十年来植物矿质营养研究领域内的重大发现和农业施肥的巨大进展。这一方面是因为微量营养元素的施用，不仅提高了农作物的产量，而且还改善了农产品的品质；另一方面还解决了病虫害理论不能解决的植物缺素症(生理病害)的病因，促进了农业生产的发展。微量元素的研究现远远超出了它们的生理作用和农业化学效益或肥效的范畴，已渗透到了其他分支学科中，其重要性不仅引起了生理学家、土壤学家、农业化学(肥料)家和农学家们的重视，而且生物化学家和生态学家以及医学、卫生学与环境科学方面的专家们也给予了极大的关注。

实际上，在人类数千年的农业生产历史上，农作物的中微量营养元素主要来自土壤的自然养分，也就是土壤继承自成土母岩的矿物质营养。只是在20世纪化学农业发展起来以后，由于农业产量越来越高，土壤自然养分中的矿物质元素不能满足人类高产的欲望和需求，这才开始引发了人类对于中微量元素肥料的兴趣，而中微量元素肥料的施用对土壤肥力和土壤保健具有重要贡献。

1　中微量元素肥料的主要类型及其应用

根据中微量元素肥料中养分的溶解性质、施肥技术特征和农业肥效，笔者建议把中微量元素肥料划分为水溶性和枸溶性两大类。

水溶性中微量元素肥料是指由水溶性化学物质组成的中微量元素肥料，具有水可溶、浓度高的特性，大多用作追肥(包括水肥一体化中的滴灌肥和喷施的叶面肥)，也可掺混在复合肥中用作底肥。这是目前市场上常见、常用的中微量元素肥料，如钼肥的钼酸铵含钼54.3%、钙肥的石灰含氧化钙达60%以上、锌肥的七水硫酸锌含锌大于21.5%，此外，铁肥的硫酸亚铁和尿素铁、硼肥的硼酸和硼砂、铜肥的硫酸铜等。其生产方式较为简便，大多是根据农业生产的需要，选用合适的纯化学物质配搭混合而成。

枸溶性中微量元素肥料是指以硅酸盐岩石为原料，经特殊工艺加工而成的枸溶性矿物肥料/矿物质土壤调理剂，绝大多数情况下用作底肥(基肥)，部分用作追肥(冲施)。枸溶性中微量元素肥料通常选用优良的成土母岩为原料，通过一定的活化工艺把其中的矿物质元素活化成为植物能够吸收利用的有效营养形态(大多是枸溶性，也有可能含少量的水溶性)。这类中微量元素肥料通常都继承了母岩原料的矿物质元素组成，含有数十种中微量元素，与土壤的自然养分相似，而且元素之间的比例关系也与岩石和土壤中的自然比例关系相近。

例如，中国科学院地质与地球物理研究所自主研发的钾硅钙多元素微孔矿物肥料/土壤调理剂，就是以天然富钾硅酸盐岩石为原料经水热反应工艺生产而成的(图1)[1]。其生产工艺过程实际上就是模拟自然界风化成土过程，将富钾硅酸盐岩石中的钾、硅、钙以及铁、镁、锰等所有矿物质元素整体转化成为植物可吸收的有效营养形态(枸溶性)，从而含有岩石圈地壳所含有的全部矿物质元素(80多种)。

图1　模拟自然界风化成土过程生产的钾硅钙多元素微孔矿物肥料/土壤调理剂

对比起来，这两类中微量元素肥料各有特色，各有优缺点。水溶性中微量元素肥料的优点是纯度高、用量小、见效快、施用量容易控制；元素的种类和含量都可精确控制，容易对症下药，针对植物缺素症真正做到“缺啥补啥”，因此通常都是一种或几种元素的简单组合。其不足之处包括：①通常是从植物营养的角度出发，针对植物生长发育明显缺乏的中微量元素，也就是“缺啥补啥”，但对于土壤经常存在的“隐性饥饿”则很难应对；②元素较为单一，而且施用浓度高，因此容易打破微量元素之间的天然比例关系；③水溶性肥只针对当季作物的即时营养补充，而对于土壤的改良和培肥则通常不予考虑。

枸溶性中微量元素肥料则具有元素组成全面(几乎含有天然土壤中所有的中微量营养元素)、符合全营养平衡施肥的理念、元素之间的比例关系与天然土壤类似等优势；由于通常被用作基肥，不会被水溶解淋失，而且元素构成全面，因此对于土壤的改良和培肥具有重要意义，符合“藏粮于地”的新理念。但这类中微量元素肥料见效较慢、针对性不强，不能应用于水肥一体化，也不能做喷施用，而且施用量通常都较大(亩施用量达数十千克)。

必须强调的是，本文所说的枸溶性中微量元素肥料必须是通过活化技术把硅酸盐岩石原料中的所有元素整体活化成为植物可吸收利用的枸溶性养分后制成的，目前常见的活化技术主要包括水热反应和高温煅烧两类。当前市场上有许多土壤调理剂只是把麦饭石、钾长石等岩石简单破碎粉磨后就装袋销售，并未对原料中的矿物质元素进行活化，如果用农业部对枸溶性硅的标准检测流程检测，其中的枸溶性硅含量极低(通常<3%)；有的企业以碳酸盐岩石(如石灰石、白云石等)作原料，破碎粉磨后作为土壤调理剂，其中的枸溶性中微量元素也很少。这些都不能称为枸溶性中微量元素肥料。

水溶性中微量元素肥料是市场上最常见的中微量元素肥料，但真正符合本文标准定义的枸溶性中微量元素肥料则很少，目前仅有中科建成矿物技术(北京)有限公司(水热反应)、河南明星肥业有限公司(水热反应)、山西富邦肥业有限公司(高温煅烧)等有限几家企业的产品符合这样的标准要求。

2　微量元素与植物营养和人体健康的关系

根据对植物生长发育所起到的作用，土壤中的80多种矿物质元素，既有植物生长必须的元素，也有对植物生长有益的元素，还有对植物生长有毒害的元素。重金属汞、铅、钨、铝等就属于对植物生长有毒害的元素，其中汞、铅等对植物有剧毒；钨对固氮生物有毒，因其竞争性地抑制钼的吸收；铝含量多时可抑制铁和钙的吸收，强烈干扰磷代谢，阻碍磷的吸收和向地上部的运转，抑制根的生长。

其实，元素有益还是有害，生命需要还是不需要，这都是相对的，而不能将其绝对化。过去认为对生命是不必需的或有毒的元素，可能在现在或将来会发现是有益的或生命所必须的。即使是现在已经确定是生物营养所必需的元素，也有一个维持机体正常生理功能所需要的适当数量范围，不足可以引发缺乏病症，过量又会产生中毒。

例如，众所周知，铬是公认的有毒有害重金属元素之一，然而铬是人和动物所必需的一种微量元素，躯体缺铬可引起动脉粥样硬化症；铬对植物生长有刺激作用，可提高收获量；但如含铬过多，对人和动植物都是有害的。由于铬参与细胞的一系列组成，所以微量铬可以提高植物体内酶的活性，并可增加叶绿素、有机酸、葡萄糖和果糖的含量，加速植物生长，增强植物对疾病的抵抗力和提高作物的产量。试验显示，当土壤中铬含量低时，添加微量铬可刺激植物生长、提高产量，这表明铬在植物体内具有一定的生物生理功能；但当土壤中含铬过量时，无论是Cr3+或Cr6+，对植物都能产生毒害作用，这些植物由于铬的毒害而发生不同程度的减产，其具体表现为降低作物的发芽率、引起作物叶片失绿、阻碍作物根的延伸、减少作物根的数量[2]。

因此，必需元素、有益元素和有害元素之间并没有明显的界限。任何一种元素对植物的作用不仅取决于其化学性质，还取决于其浓度以及与其他元素的比例关系是否适合该种植物在一定生长年龄时的平衡需求或耐受能力。

目前就有不少专家提出，镍、硅、钴、钠等元素也是植物必需的营养元素。喜硒植物中有大量硒的富集，缺硒就不能正常生长发育；有的低等植物还需要钒、镓、锗和钨，但未能证明所有植物都需要它们。

研究表明，人体中的微量元素与地壳元素丰度呈正相关，这是土壤-植物-动物-人类的生物链传递结果。地壳中的元素在流体和生物的共同作用下被植物吸收并贮藏，动物或微生物又进一步吸收和富集，最后传递到人。人们已经发现人体血液中有60多种化学元素，与地壳同种化学元素的分布之间具有明显的相关性(图2)。如果在某一地区地壳中的化学元素浓度超出了人体所适应的正常变动范围，就可能引起病变。

图2　人体血液与地壳中元素含量的相关性

碘缺乏所引发的碘缺乏病(IDD)是全球性的，其危害严重。中国曾是世界上IDD流行最严重的国家之一，为预防控制IDD，我国开展了大规模人群流行病学研究和碘营养干预工作，发现了碘缺乏是我国人群甲状腺肿、克汀病的致病因素，并首次在国际上发现和命名了“亚临床克汀病”，促成了我国政府于1995年底正式实施全民食盐加碘的政策作为国家消除碘缺乏危害的公共卫生问题的干预措施。

20世纪六七十年代，我国15个省的309个县流行克山病，形成了一个从东北到西南的狭长型发病地带，7 600万人的生命受到威胁。我国在防治克山病工作中，首次发现硒缺乏是导致克山病的重要原因，并通过干预研究揭示了补充硒可以预防和控制克山病的发生，从而使科学界对硒的认识发生本质改变，将硒的研究推向了高峰，取得了科学界瞩目的成就。

3　中微量元素/矿物质营养元素的地球化学讨论

如前所述，所有的中微量元素都是来自土壤的矿物质元素，归根结底都是来自成土的母岩，来自于地壳岩石圈。实际上，除了碳、氢、氧、氮等气体元素外，化学元素周期表中的84个原生自然元素都是来自地壳岩石圈的矿物质元素。因此，土壤中可能含有80种以上的元素。

在地球45亿年的地质历史中，地球生命经历了从化学进化→单细胞生物→植物、真菌、动物分化→无脊椎动物→脊椎动物→温血动物分化→哺乳动物之原兽→灵长目之原猴→猿猴→猿人→智人，在这漫长的发生、进化历程中，植物、动物、人类都对地壳岩石圈的矿物质元素背景形成了紧密的依赖关系。目前，人类的科学技术水平对这种依赖关系的机理研究还很有限，我们只能去认知它、顺应它、适应它，尚无法去改变它。

如果地球生命存在的矿物质元素背景发生了较大的突变，则可能引发大规模的生物物种灭绝。

实例一：侏罗纪时代称霸地球表面的恐龙，因为一颗地外小行星撞击地球所带来过量的元素铱而突然灭绝。当时只有那些能够适应高浓度铱的少量生物物种存活下来，然后演化成为目前地球的生物种群。

实例二：我国的稀土元素资源量极为丰富，因此20世纪80年代生产出了含稀土元素肥料，农业使用效果很好，增产率通常可达20%～40%。然而30年后发现，人体长期低剂量摄入稀土元素，可能会给人体健康或体内代谢产生不良后果，包括影响大脑功能、加重肝肾负担而导致肝脏组织变化、影响女性生育功能等；高于2 mg/kg剂量的农用稀土能通过胎盘屏障引起肝细胞和红细胞的DNA损伤。结论是，植物和人类都需要稀土元素，但需要量不能超过一定的浓度范围，而且稀土元素与其他元素的比例必须适当。

可见，植物、动物、人类都需要矿物质微量元素，但必须是适当的数量和适当的比例。如前所述，植物体内检测出的70多种元素，只要被植物适量吸收，大都有可能对植物的正常生长产生其特有的正面效果；但如果超过其适量范围或者低于其适量范围，则可能产生其特有的负面效果。目前，我国土壤中的中微量元素失衡严重，造成我国土壤日益贫化、农产品质量不断下降，国民身体也因为缺乏中微量元素的“隐形饥饿”而导致越来越多的病症发生。

图3　地壳元素组成

那么，怎样的微量元素提供量才是“适量”的？有没有一个基本原则？有没有一个原则性的解决方案？显然，自然情况千变万化、植物生长千差万别，很难给出统一的答案，只能是具体情况具体分析。但是，我们认为可以给出一个原则，那就是植物几亿年在土壤中演化至今，只有与天然土壤的正常提供量和正常比例(指元素之间的正常比例)相近，才是最“适量”的，而这又是由地壳的元素丰度所决定的(图3)。由此可以给出一个“原则性的解决方案”，就是把正常的硅酸盐岩石中的所有元素整体活化成为植物能够吸收的有效营养形态，整体补充到土壤中去，这就是本文的“枸溶性中微量元素肥料”。当然，具体到每一个实际案例，还需要根据具体情况做一些微调。

4　结语

众所周知，土壤是农业生产的物质基础。土壤是植物营养的提供者，植物含有70多种元素，其中的绝大多数就来自于土壤；土壤含有80多种元素，成为植物营养体系平衡的基础；同时，土壤还构成植物根系吸收养分的环境和条件，土壤的理化性状制约着养分的有效利用率。植物所吸收的养分一部分来自于土壤(土壤的自然肥力)，一部分来自于人工施肥，人工施肥只是为了补充土壤自然肥力不足的部分(相对于人类期望的目标产量)。化学农业时代的人工施肥重点关注了氮磷钾三要素，结果氮磷钾化肥的用量普遍超量，使得国家要求“减肥”。因此，目前植物的元素营养的最小限制因子已经从氮磷钾转向了中微量元素。然而，中微量元素的种类太多、太复杂，包括了必需元素、有用元素和有毒有害元素，许多元素的作用机理还不清楚，因此急需开展大量的研究和试验。

目前，这60多种微量元素对于植物/动物生长发育的生物学意义，人们只是掌握了一小部分(如硼、铁、锌、锰、铜、钼、氯等)，其余的绝大部分元素尚有待于人类的进一步研究和探索。相信随着科学的进步，具有生物学意义的微量元素养分会逐步被发现认知。

实际上，近年来硒、钴、镍、钒等元素对植物生长的正面效应不断为人们所认识，甚至一些传统的有毒有害元素在适量施用下对植物的正常生长有着正面效应也开始被证实，如许多试验证明少量砷化物对某些植物生长有刺激作用,并能提高某些作物的品质。湖南省常宁县白沙出产的“白沙柑子”，其色泽鲜艳、气味芳香、酸甜可口，为当地的名产；常宁县西岭产的生姜肉质细嫩、纤维很少、有特殊香味，深受市场的欢迎。据分析，这些都与土壤中砷的含量有关。

[1]刘建明，刘善科，韩成，等.论土壤修复改良的矿物技术——矿物岩石地球化学一个新的应用研究方向[J].矿物岩石地球化学通报，2014(5)：556-560.

[2]肖玲,薛澄泽.塿土中铬对玉米、小麦生长发育的影响[J].西北农业大学学报(自然科学版)，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

刘建明(1958—)，男，研究员，主要从事矿物学、地球化学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)