元素硫与动植物营养和人体健康*

普正仙, 宗世荣, 王 芳, 周凌翔, 鲁振亚

(1.云南云天化股份有限公司研发中心 云南昆明 650228;2.中国农业大学资源与环境学院/绿色智能肥料创新农业农村部重点实验室/植物-土壤相互作用教育部重点实验室/国家农业绿色发展研究院 北京 100193)

硫元素的发现和使用历史悠久。 据报道,早在4 000 年前,埃及人就已经用燃烧硫后生成的物质来漂白布匹,古罗马著名诗人荷马在他的著作中也讲述了上述作用。 硫在我国的应用也较早,如用做药材、炼丹,我国古代四大发明之一火药的主要成分之一就是硫黄。 硫一开始被认为是一种化合物,直到1777 年法国化学家拉瓦锡明确硫是单一元素,1789 年把硫列入化学元素周期表,从此开启了近现代硫化学研究的征程[1]。 硫元素在动植物正常生长发育和人体健康等方面扮演着重要的角色,但是硫的功能和硫肥的施用并没有得到足够的重视。 在过去的几十年中,土壤缺硫已经成为全球的普遍现象,而且有愈发严重的趋势;相关研究资料显示,我国有30%左右的土壤缺硫,有20%以上的土壤潜在缺硫,严重制约了我国作物产量的增加、动植物营养的提升,也影响了人体的健康[2-3]。

1 硫与植物营养

硫是植物正常生长所必需的营养元素之一,作物体内硫的质量分数一般为0.1%～0.5%,叶片中硫的含量较高,根系中硫的含量相对较低[4]。 硫不仅参与蛋白质的合成,还参与半胱氨酸、蛋氨酸和胱氨酸等含硫氨基酸的合成,是组成蛋白质的重要组分,蛋氨酸等含硫氨基酸缺乏会抑制蛋白质的生成[5]。 硫参与光合作用,以硫脂的形式组成叶绿体基粒片层;硫还是铁氧还蛋白的组成成分,参与暗反应二氧化碳的还原过程;硫氧还蛋白半胱氨酸-SH 在光合作用中具有传递电子的功能[6]。 另外,硫在酶活性、脂类合成、维生素合成、次级代谢产物合成和抗逆等方面均有重要功能[6-7]。

施用硫可以显著提高作物体内的硫含量。 硫的来源很多,可通过大气沉降、灌溉水、作物秸秆、畜禽粪便和其他有机残留物等获取,但最重要的硫营养补充途径是施用硫肥。 据相关资料显示,硫肥的施用可追溯到200 多年前,主要分为3 个时期[8]:第一个时期为石膏的早期应用,大约从1760 年到1845 年,80 多年的时间里石膏被广泛应用。 第二个时期是在1845 年后的半个多世纪里,因无证据表明石膏中含有的硫元素带来了良好的农学效果,人们对石膏及其作用方式缺乏兴趣,更多地把施用石膏的效果归于土壤中钾有效性的提升;随着过磷酸钙的生产与农业研究的发展,过磷酸钙成为常用的肥料产品,取代了石膏,因为不论是单独施用过磷酸钙还是与硫酸铵、硫酸钾等混合施用,比施用石膏有更好的农学效果。第三个时期是1899 年俄罗斯化学家Bogdanov S.M.提出了天然供应的硫能否满足作物需要的问题,3 位英国农学家Dymond、Hughes 和Jupe 通过田间试验对上述问题进行了验证,而且越来越多的研究证明硫缺乏现象是普遍存在的,硫是植物生长所必需的营养元素,人们也逐渐认识到施用硫肥的重要性和必要性。

施用硫肥可显著提高作物产量。 近年来,施用硫肥的增产作用在不同地区、不同作物上得到了验证,尤其在缺硫土壤上。 谢迎新等[9]对比了不同施硫量和施氮量对冬小麦的氮素利用效率及产量的影响,结果表明硫素供应显著增加了小麦中氮素的积累,在不同施氮量条件下,施用硫肥可提高小麦籽粒产量4.9%～18.3%。 李飞[10]对比了不同施硫量对玉米的影响,结果显示与不施硫处理相比,施用硫肥的玉米增产率为5.1% ～17.7%。 刘光荣等[11]对水稻的研究结果表明,施用硫肥后水稻产量可提高5.1%～9.9%。 李玉颖[12]验证了在黑龙江黑土上施用硫肥对大豆的影响,发现在薄层黑土和草甸黑土上施用硫肥,大豆可增产3.4%～18.2%。 吴德淮等[13]对比了不同施硫量对花生产量的影响,结果发现施用硫肥可使花生增产12.1%～15.0%。 周学军[14]通过大田试验发现,施用硫肥可使油菜增产5.34%～14.93%,平均增产9.82%。 在生姜上施用硫肥也能实现增产,增产幅度为0.9%～6.6%[15]。 施用硫肥还能显著提高马铃薯、大蒜、大白菜、番茄、西瓜、洋葱、甘蔗、棉花、烤烟等作物的产量[16-24]。

施用硫肥还可显著提升作物品质。 黄界颍等[25]的研究表明:施用硫肥可促进小麦对硫、氮的吸收,提高籽粒中硫、氮、粗蛋白和氨基酸的含量;与对照相比,施用硫肥处理的丝氨酸质量分数增加了5%,天冬氨酸、苏氨酸等氨基酸的质量分数增加了10%以上,施用硫肥改善了小麦品质。邵帅等[26]评价了施用硫肥对玉米品质的影响,发现在施硫量不超过120 kg/hm2时,玉米籽粒中蛋白质、脂肪的含量随着硫肥用量的增加而提高,淀粉含量随着硫肥施用量的增加而下降。 司贤宗等[27]在花生上的试验结果显示,施用硫肥可使花生蛋白产量和脂肪产量分别平均增加19.4%和19.2%。 吴萍萍等[28]的研究结果显示,施用硫肥可明显提高粗蛋白、还原型维生素C、还原糖、姜精油和姜辣素的含量,降低硝酸盐的含量。 王少先等[19]在番茄上的研究结果显示,施用硫肥提高了番茄果实中维生素C 的含量和可滴定酸的浓度,但降低了可溶性糖、固形物、蛋白质等的含量。胡芳[29]对新疆白蒜的研究结果显示,与对照相比,施用硫肥处理的还原性糖、氨基酸总量、维生素C 和碳水化合物的含量最大增幅依次为61.34%、58.9%、 21.50% 和25.76%。 崔憨厚等[30]的研究表明,施用硫肥处理的甜菜含糖率提高了0.5% ～1.0%, 产糖量增加了19.7% ～21.2%。 孙义祥等[31]在棉花上的研究结果显示,施用硫肥可改善棉纤维长度、比强度和整齐度等品质指标,明显提高了棉花的品质。

2 硫与动物营养

动物生产的最终产品如毛、肉和奶等,均富含蛋白质,因此需要大量的硫营养输入,硫的供应对动物营养和畜牧生产有重要意义。

硫是动物生长所必需的营养元素之一,约占动物体质量的0.25%[32];尤其在动物的毛、角、爪中硫含量较为丰富[33]。 硫分布在动物体内各个细胞中,主要存在于含硫氨基酸、含硫维生素、黏多糖、辅酶、纤维蛋白原和谷胱甘肽中,具有以下几方面的营养功能。

硫参与微生物菌体蛋白的合成。 菌体蛋白又称微生物蛋白、单细胞蛋白,但不是纯的蛋白质,而是由蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸及含氮化合物、维生素和无机化合物等组成的细胞质团。反刍动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来生产菌体蛋白,进而满足动物对蛋白质的需求[33]。

硫参与角蛋白的合成。 角蛋白为外胚层细胞的结构蛋白,是构成毛发、角、爪和皮肤外层的主要蛋白质。 硫的补充对保障动物皮、毛、角和爪的正常生长有重要作用,如硫在绵羊毛中的质量分数一般为2%～5%,其中90%～99%的硫存在于胱氨酸中;如果动物缺硫,将造成食欲下降、消瘦,产毛量降低,毛生产不良、长短不齐;有资料显示,向绵羊的日粮中补喂硫营养,可使其活重增加12%,剪毛量提高16%[32-34]。

硫可促进肝脏内蛋白质和核糖核酸的生物合成。 相关研究表明,向猪的日粮中每天添加硫酸钠5 g/头,平均日增重较对照组提高7%～10%;在雏鸡、肉用鸭仔的饲料中补充硫酸钠,也能明显提高其肝脏中蛋白质和核糖核酸的含量[34]。

硫可促进动物对饲料物质的消化代谢。 动物日粮中硫的含量直接影响瘤胃发酵参数、微生物活力等,进而影响动物对饲料中营养物质的消化与代谢[35]。 研究表明:饲料中补充硫营养可以提高秸秆的消化率;当硫的添加量从0.11%提高至0.46%时,有机干物质、粗蛋白等的表观消化率呈线性增加趋势[32]。

另外,硫在胱氨酸的生物合成、牛磺酸的合成、维生素的产生、参与体内解毒过程等方面均有重要的作用[32-33,36]。

3 硫与人体健康

硫是人体中不可缺少的常量元素之一,是人体内第八大丰富的元素。 硫主要在以下几个方面对人体发挥重要的作用。

硫是人体不可缺少的“天然美容产品”。 硫参与角蛋白的合成,是构成人体毛发、指甲和皮肤外层的主要蛋白质,可促进毛发的生长,保护指甲使指甲健康亮泽,还可减少灰指甲等疾病的发生。硫还参与胶原蛋白的合成,胶原蛋白可保持肌肤水分,使皮肤富有弹性[37]。

人体的心脏等内脏中含有硫蛋白,因这些硫蛋白中含有锌、铜等金属物质,常被称为金属硫蛋白。 金属硫蛋白可以与重金属离子配位结合成无毒或低毒的络合物,起到解毒作用。 金属蛋白在减轻自由基和电离辐射对人体造成的伤害、对部分酶的激活、参与人体发育过程的调节以及抵御环境胁迫等方面有重要的作用[38]。

蛋氨酸和半胱氨酸是人体所必需而自身又不能产生的两种氨基酸,需要从饮食中摄入。 硫参与蛋氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的合成,进而供人体吸收利用。 蛋氨酸等含硫氨基酸的摄入量不足会削弱人体内蛋白质合成的能力,改变甲基基团对其他合成途径的有效性,同时会减少叶酸的生成,长期缺乏蛋氨酸和叶酸会降低人体处理化学毒性的门槛,可能与结直肠癌和乳腺癌的发生有关[39]。

硫参与谷胱甘肽的合成。 谷胱甘肽是重要的抗氧化剂之一,可以抑制其他分子的氧化,进而阻止细胞损伤。 谷胱甘肽也被称为身体“有毒废弃物清理队”的重要成员,可以有效预防被动吸烟、电磁辐射等对人体带来的不良影响[37]。

硫还是胰岛素生产的必要成分,另外硫在治疗关节炎、糖尿病等疾病,提高肠胃的消化与吸收能力,增强人体抵抗力,预防癌症,促进人体新陈代谢等方面也起着重要作用[37-39]。

4 强化植物硫营养

人体主要通过饮食途径摄入硫,虽然现在对人体摄入硫的量没有明确的推荐数据,但相关资料显示,体质量为70 kg 的男性,每日最低含硫氨基酸摄入量为910 ～1 120 mg[39]。 对各种食物的含硫氨基酸含量进行检测发现,与肉类、蛋类相比,许多植物衍生食品中蛋氨酸和半胱氨酸的含量相对偏低[39]。 因此,强化植物硫营养,提高动植物体含硫氨基酸含量,对保障人体健康有重要作用。

随着全球硫缺乏的日益严重,硫肥施用是补充硫营养、满足作物需求的重要途径。 相关研究表明,全球范围内的谷物类作物的硫肥利用效率仅为18%,且有进一步降低的趋势[40]。 较低的硫肥利用效率严重影响了植物体内硫含量的提高,也给人体健康带来了潜在的威胁。 因此,需合理使用硫肥,并提高硫肥的利用效率,强化动植物体的硫营养。

导致硫肥利用效率低的原因主要有以下几个方面[40]:①淋洗损失。 硫酸根离子是作物吸收利用硫元素的主要形态,但硫酸根离子在土壤中非常容易发生淋洗损失,淋洗损失量与土壤性质、硫的施用形态和施用量、降雨量等因素有关。 ②吸附与固定。 硫的吸附与固定很大程度上取决于土壤酸碱性,在铝、铁含量较高的酸性土壤上,硫吸附与固定量较高,而在pH＞7 的土壤上,硫的吸附和固定量较低。 因此,调节土壤的pH 在合适的范围内可以有效提高硫的利用效率。 ③硫肥的施用时间、施用方式、施用量、施用形态不当,也会降低硫肥的利用效率。

针对不同地区、不同作物、不同气候甚至不同施肥习惯等采取不同的硫肥施用策略,需要综合考虑以下几方面的因素[41]:①土壤性质。 如在盐碱地等碱性土壤上,施用单质硫肥效果较好。②作物需求。 有的作物生长前、中期对硫的需求量较大,在硫肥施用时要优先考虑含硫酸根形态的硫肥供应。 ③气候条件。 在高降雨量地区,单独施用含硫酸根形态的硫肥时,淋洗损失风险较大,也不易满足生物全生育期对硫的需求。 ④期望产量水平。 期望的产量越高,作物带走的硫养分就越多,因此需要投入较多的硫肥。 ⑤硫肥特性。 目前市场上有单质态硫肥、含硫酸根形态硫肥、含有机硫硫肥等,不同硫肥中硫的养分释放等功能不同,需根据不同土壤、气候等条件来选择适合的硫肥。 ⑥元素互作。 相关研究证明,硫与氮、硫与磷等同时施用,可以有效提高植物对氮、磷、硫等养分的吸收利用,提高养分的利用效率。⑦社会经济因素。 肥料的价格、肥料施用习惯以及产投比也是影响农户选择和施用含硫肥料的重要因素。

5 结语

硫是动植物与人体不可缺少的元素之一,硫肥施用是强化动植物硫营养和保障人体健康的重要途径。 应基于不同土壤、气候、作物条件,结合不同硫肥特性和社会经济因素,考虑选择适宜的硫肥种类、施用形态、施用量、施用方式和施用时间,实施科学施肥,从而提高硫肥的利用效率,促进植物对硫的吸收利用,强化动植物和人体的硫营养。