植物营养与人畜健康

王 莹，魏春雁，张国辉，刘笑笑，王巍巍，何志勇

(吉林省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，农业部农产品质量安全风险评估实验室，吉林长春130033)

所谓植物营养是指植物体从外界环境中吸收的生长发育所需的物质。这些被吸收的化学物质就是植物的营养元素。根据植物需要量的多少，必需元素又分为大量元素、中量元素和微量元素。植物必需的大量元素包括碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K);必需的中量元素包括硫(S)、镁(Mg)、钙(Ca)、硅(Si);必需的微量元素包括铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、硼(B)、钼(Mo)、氯(Cl)、钠(Na)、镍(Ni)。粮食和蔬菜是人类摄入营养物质的主要途径之一，至少有一半的营养通过植物性食品的形式进入人体，而另一半则通过动物性食品进入人体的。因此，植物的营养状况与人畜健康有着紧密的联系，合理地给予植物良好的营养环境，最终能更好地保证人畜健康。

1 合理供应植物营养素，提高农作物产量，保障粮食供给，保证人畜健康

我国人多地少情况严峻，据统计至2006年10月，我国耕地面积已减少到1.22×108hm2，而人口达13.7亿，已经接近警戒红线(人均耕地仅0.093 hm2)的水平，耕地面积是世界平均水平的42%、印度的62%、美国的15.7%［1］。《中国食物与营养发展纲要(2001—2010)》预警:到2030～2040年我国人口高峰期时，将存在近2×108t的粮食缺口［2］。要消除饥饿，保证人畜健康，提高单产以保证植物性农产品的供应至关重要。牲畜饲料同样源于植物，随着牲畜养殖量的增大，粮食的消耗量也在不断增加，目前大约有40%的粮食被用于饲料生产。因此培育新的饲料用作物新品种，使用植物营养素调节，提高产量保障供给，也是保证人畜健康安全的重要途径。

肥料是粮食增产的决定因子之一，但是我国水稻、小麦、玉米等粮食作物的肥料利用率远远低于其他一些国家地区的相应指标［3－5］，施肥的方法和施肥比例不合理是主要影响因素之一。因此，研究各种作物切实的营养素需求比例，按照更加合理的配比施用化肥尤为重要。如氮、磷用量偏大而钾的用量不足，会影响水稻的正常生长发育，并且导致其养分利用率偏低。适当减少氮、磷用量，增加钾用量能够改善氮、钾的营养状况，促进水稻地上部分干物质的积累，同时提高籽粒产量和氮、磷表观利用率［6］。荞麦为需钾较多的作物之一，钾肥施用不当会导致产量下降或是环境污染，当钾施用量为46.2 kg/hm2时，甜荞麦的籽粒产量、籽粒钾素积累量和籽粒含钾量都能达到最高水平［7］。新疆甜瓜，在施P2O5140 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2的基础上施 N 225 kg/hm2，甜瓜的养分吸收量和产量均为最高［8］。向日葵，由于其植株高大，生长迅速，吸收养分多，在生长中就需要合理的施肥以保证高产和籽实品质，氮、磷、钾配合施用比单独施用效果更好，其中氮素仍然是主要产量限制因素，施肥增产效果从高到低依次为氮肥、钾肥、磷肥［9］。常规施肥菜心产量高，但硝酸盐含量高，维生素C含量低;而经过调整氮、磷、钾含量的配方施肥硝酸盐含量降低，维生素C含量提高［10］。

当然调控植物营养的方法并不局限于施肥，比如中国农业大学资环学院的“植物适应养分胁迫的根际效应机理研究”成果，就开创了营养植物的新途径。植物实际上能够主动通过形态和生理生化变化适应不良生存条件。小麦、玉米这类单子叶禾本科植物会主动向土壤分泌麦根酸类植物铁载体，使其在缺铁、锌的土壤上仍然可以正常生长，而花生等双子叶植物并没有这种能力。采用玉米和花生进行间作种植，玉米可以把活化的铁提供给花生，而花生作为豆科植物可以固氮，可将N元素提供给玉米，从而使这两种作物产量都增加。

2 合理供应植物特定营养元素，提高农作物品质，促进人畜健康

氮是植物生长必需的大量元素，但是不合理地施N肥会造成植物营养失调，引起粮食和蔬菜的品质下降，缺少养分吸收。其首先影响的是植物本身的生长，进而影响植物产品的品质。许多研究表明，多种病虫害如稻瘟病、稻纵卷叶螟、纹枯病等的发生与发展都与稻田小气候环境密切相关，而小气候可以通过不同的N肥水平来影响［11－13］。

钙镁是植物和动物必需的中量营养元素。钙对动物血液凝固、肌肉收缩，正常神经和膜结构完整等都有重要作用，人畜钙吸收不足，会产生钙缺乏症。缺钙的植物叶子易发生疾病，如西红柿。增施钙肥对籽粒中钙含量的提高效果不明显，但能有效提高叶菜的钙含量，而叶菜也是人畜一种重要钙源。人体吸收镁不足会造成缺镁综合症，植物性食品也是人体吸收镁元素的重要来源，如精面粉、粗面粉中镁含量分别为 360 和1 400 μg/g，而牛奶、鸡蛋中为120 μg/g。在缺镁的土壤中施用适量镁肥，可以提高农产品的镁含量，同时叶绿素和胡萝卜素含量也会提高。

硫是蛋白质组分中蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸等的重要组成元素，是人畜和植物机体的重要中量营养元素。小麦缺硫会减产，并影响面粉中的半胱氨酸含量;豆类作物缺硫，其种子蛋氨酸含量会降低。

锌影响人体生长、免疫、生殖和大脑发育，缺锌会导致生长发育期的儿童食欲不振，发育受阻，智力不良等，而动脉硬化、心肌梗塞、肺癌等疾病也与锌有关。锌在动物产品和海产品中的含量高于谷物，但由于中国的膳食结构中谷物食用较多，锌摄入不足的情况会更多。合理施用锌肥，可以矫正人畜的缺锌综合症。

铁作为地球上最丰盛的元素之一，在土壤中的含量并不高，而且其存在形式多不利于被植物利用。因此造成植物缺铁的情况虽不多，但人缺铁现象仍然普遍存在。人和动物机体所需铁源以叶菜和粮食为主，这些农产品中铁不足，极易造成人畜的缺铁性贫血，并与心脏病、高血压、心血管病和脑神经系列疾病的发病率密切相关。合理施用铁肥，提高作物铁水平，有益于人畜健康。有研究表明，植株吸收无机铁盐的效果很差，制备成螯合态铁的铁肥土施和叶施效果则较好。

3 控制土壤环境，减少植物对有害元素的吸收，保障人畜健康

汞、铅、砷等重金属在农作物中蓄积，通过食物链进入人畜体内破坏人和动物健康。重金属类环境污染物主要来自工业排放，另外部分重金属来自生活垃圾等的排放，而砷、铜、锌等常作为饲料添加剂使用，也会通过有机肥施用的方式导致土壤中重金属元素含量过高。重金属对人畜健康有很大的危害，以汞为例，自工业化发展以来，其排放量大大增加，它不仅对植物具有很强的毒害作用，抑制植物的生长发育［14］，也可以通过呼吸、皮肤和饮食进入人体。最著名的就是20世纪60年代初，由甲基汞引起的水俣病，在世界范围内引起对汞污染的重视［15］。

对重金属的有效治理主要是改变重金属在土壤中的存在形态，减少在土壤中的迁移性和生物可利用性［16］。以镉为例，镉的活性受土壤酸碱性的影响很大，在镉污染土壤中施用一定量的碱性物质如石灰，提高土壤pH，可以减少作物对其吸收［17］。第2种方法是增施有机肥，由于有机肥可以促进土壤中的重金属离子与其形成络合物，增加了土壤对重金属的吸附能力，提高土壤对重金属的缓冲性，从而减少植物对其吸收，阻碍其进入食物链［18］。还有调节土壤的氧化还原状况也可以影响土壤中重金属的活性，可以通过调节土壤水分来控制重金属在土壤—植物系统中的迁移，旱田改水田降低土壤的氧化还原电位，能够有效降低重金属镉的活性，减小对植物的危害。再有就是利用离子拮抗技术，使用另一种对作物危害较轻，或是低浓度有利于作物生长的微量元素拮抗与其化学性质和地球化学行为相似的有害重金属，比如土壤中适宜的镉/锌比，可以抑制植物对镉的吸收［19］。

从源头控制有害元素进入土壤至关重要。肥料的生产原料和加工过程中会带入重金属元素，致使重金属随肥料施用进入农田［20］，不同类型的肥料其重金属含量从高到低为:磷肥＞复合肥＞钾肥＞氮肥。磷肥的原料磷矿石成分复杂，多含有较高的重金属组分，其制造过程中的酸化工艺使重金属的活性大大提高，其产品中镉等重金属的含量较高。因此，开发新型生物肥料，在其原料和加工过程中有目的地去除重金属，能减少农产品中重金属含量。

生态修复也是减少土壤中重金属污染的重要方式，大部分农作物的根部是吸收重金属的主要部位，同时也是阻止其向地上部分迁移的屏障，因此，除了只食用其地上部分可以降低对人畜的重金属污染，将其根系移除也可以有效带走一部分土壤中的重金属［21］，据此特性，部分研究者致力于筛选培育超积累植物来吸收带走土壤中的重金属。

4 减少不合理施肥对生态系统的影响，保护人畜健康

肥料施用不合理时，会迁移到大气和水体，造成空气污染和饮用水污染，从而伤害人畜健康。2010年2月6日，由中国环保部、国家统计局以及农业部联合发布的“第一次全国污染源普查公告”表明，农业源污染对水环境的影响较大，农业用化学物质排放量占总的43.7%，农业源(种植业、禽畜养殖业、水产养殖业)总氮、总磷的排放占所有排放总量的57.2%和67.4%。我国农田中化肥氮去向，作物的吸收利用率约为35%，氨挥发损失11%，硝化—反硝化损失34%，后者会导致温室效应和破坏臭氧层［22］。改进施用技术，降低进入农田的氮肥损失率、提高作物的吸收利用率，是协调农业发展与环境保护的着力点［23］。磷素在土壤中的移动性很小，会长期累积，地表水体磷素多会引发水体富营养化，爆发蓝绿藻等。2000年世界范围的调查研究表明，世界磷素当季作物回收率是15%～25%，多年累积作物回收率是50%～90%［24］。而研究表明磷素可以在土壤中被固定而无效化，因此研究其无效化原理并相应减少固定，就可以有效降低磷素污染。

多年来，我国土壤肥料科技工作者为提高肥料利用效率做了大量工作，形成了诸如测土推荐施肥、氮肥深施、灌溉施肥、以水带氮、前氮后移、缓控释肥等成熟的施肥技术，推动了施肥技术的进步。但是由于我国人多地少、土地基础肥力差、经营分散、地块面积小、复种指数大、倒茬时间紧等因素，决定了在我国实现科学施肥有其特殊的难度，生产上施肥依然有很大的盲目性。根据我国国情，在养分的管理和施肥的指导思想方面相应需要从田块尺度提升和扩展到区域尺度，提出了“区域用量控制与田块微调相结合”的推荐施肥的理念，区域平均适宜施氮量法可以作为推荐氮肥适宜施用量的基础。在新型肥料的研制方面也有长足的进展，发展较快的有缓/控释肥料、功能性肥料、全水溶性肥料、有机无机复合肥料、微生物肥料(菌剂)等，这些新技术和新产品的推广应用，不仅提高了肥料利用率，也为人畜健康保留了污染更少的环境［25－27］。

5 结语

植物营养与人畜健康密不可分，需要在追求粮食产量的同时坚固品质和环境保护，这就要求一方面对农作物的生理特性有更深入的研究，了解其对营养物质的需求量和在植物体内的运输和利用过程，针对不同作物，不同生长环境，因地制宜的进行肥料等的施用。同时开发新型的肥料也是值得研究的方向，以往的传统肥料通常存在着制造过程污染大，产品杂质多，利用率低以及达不到预期效果等情况，希望新型肥料可以在这些方面有所改进。另外，植物对一些有害物质的吸收和固定很值得进一步研究和应用，可以应用于水土污染的治理方面。这些都是未来可以研究的方向。

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