锌肥施用与人体锌素营养健康

Zinc Fertilizer Application and Human Zinc Nutrition Health

张金尧 Jinyao ZHANG , 汪洪 Hong WANG

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/国家化肥质量监督检验中心〔北京〕/农业农村部农产品质量安全肥料源性因子风险评估实验室〔北京〕北京 100081 Institute of Agriculture Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Center for Quality Supervision and Test of Chemical Fertilizers 〔Beijing〕/Laboratory of Quality and Safety Risk Assesment for Agricultural Products from Fertilizer Sources 〔Beijing〕, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China

Author notes:

Correspondence to: 汪洪(1970—)男，研究员，博士生导师，从事肥料养分高效利用、植物微量元素营养、农化测试技术等研究；wanghong01@caas.cn

摘要：

锌是人体必需的微量元素之一，在多种人体生理过程中发挥着重要作用。以含锌量低且锌生物利用效率低的谷类为主要膳食结构的人群锌摄入量往往不足，造成人体缺锌，影响人体健康。生物强化工程是基于现代生物育种技术和肥料应用为主的农艺措施，以提升谷类作物籽粒中锌的含量，提高膳食营养水平。综述了锌肥施用、作物籽粒锌吸收积累以及与人体锌素摄入、人体健康等方面的研究，探讨了锌肥合理施用对改善人体锌素营养的意义。

关键词：

锌肥施用; 谷类作物; 籽粒; 生物强化; 人体健康;

Abstract：

Zinc is one of the essential trace elements for human body and it plays an important role in a variety of human physiological processes. People who take cereals with low zinc content and low zinc bioavailability as the main dietary structure often have insufficient zinc intake, which causes zinc deficiency in human body and affects human health. Biofortification engineering is an agronomic measure based on modern biological breeding technology and fertilizer application to increase the zinc content in grains of cereal crops and increase the level of dietary nutrition. The researches on zinc fertilizer application, zinc absorption and accumulation in crop grains, and human zinc intake and human health are reviewed. The significance of reasonable application of zinc fertilizer to improve human zinc nutrition is discussed.

Keyword：

application of zinc fertilizer; cereal crops; grain; biofortification; human health;

锌是一种蓝白色金属, 密度为7.14 g/cm³, 熔点为419.5 ℃。锌的价电子层组态为3d¹⁰4s², 失去最外层的2个s电子而呈现+2价, 溶液中锌是以Zn²⁺形态存在。Zn²⁺半径为0.83×10^-10 m, 极化力和变形性都较大, 有明显的路易酸特征, 常能与N、O等配体生成配位数为6的配离子, 形成催化、结构、抑制和蛋白界面结合位点^[1-2]。

锌是植物、动物和人体所必需的微量营养元素。1926年, 植物缺锌症状在大麦和矮杆向日葵上试验得到验证^[3]。20世纪60年代后, 一系列含锌酶的发现推动了植物中锌生理作用的研究, 进而分子生物学的发展促进了植物体内与锌吸收运输有关的转运蛋白家族(如ZIP家族等)的发现^{[1, 4]}。土壤缺锌是造成植物锌营养缺乏的主要原因, 根据联合国粮农组织的报告, 全世界大约有30%的耕地土壤缺锌, 甚至可能高达50%, 石灰质土壤、半干旱土壤缺锌现象更为普遍^[5]。

人体缺乏维持健康的必需维生素和矿物质, 被称为“隐性饥饿”。人体对隐性饥饿一时难以察觉, 若忽视则将影响人体的健康, 全球有超过20亿的人受到隐性饥饿的影响。人体微量元素锌(Zn)、铁(Fe)摄入量少, 将导致诸如失明、发育迟缓、智力低下、学习障碍、工作能力低下甚至早逝等无法弥补的损害^[4]。实施生物强化工程, 通过生物育种和农艺措施改善以提高作物籽粒中微量元素(包括锌)的含量, 从而增加人体微量元素的摄入量、促进人体健康, 已经成为国际关注的热点之一^{[4, 6]}。笔者就作物锌肥施用与人体锌素摄入、人体健康等方面的研究作一综述。

1 锌与人体健康

锌存在于人体的各个器官中, 其中在骨骼、肌肉、视网膜和肝脏中含量较多^{[4, 7-8]}。锌是人体中代谢最为广泛的元素, 是体内200多种酶及脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的组成成分。人体中锌的生理作用主要体现在：保障大脑和神经系统的健康, 尤其是处于发育期的胎儿；调节来源于生殖系统器官的激素的分泌。此外, 锌对骨骼和牙齿的形成、外伤伤口的愈合、压力的缓解、头发的生长等皆有帮助^[9-10]。由于锌在人体生长发育、生殖遗传、免疫、内分泌等生理过程中具有重要的作用, 因此被人们冠以“生命之花”、“智力之源”的美称。人体锌的缺乏会导致身体机能下降, 甚至引发多种疾病, 如导致味觉和嗅觉不灵敏、手指甲上出现白斑点、易感染、肤色苍白、生育能力低等, 青少年和儿童易出现抑郁倾向、缺乏食欲等症状^[11-13], 而大脑发育迟缓、糖尿病、神经系统紊乱也与缺锌有关^{[4, 7, 14-15]}。1961年在伊朗发现首例人体缺锌病例, 此后世界各地相继报道了人体缺锌的病例。世界卫生组织(WHO)的资料显示, 锌缺乏在发展中国家尤为普遍, 影响着约数十亿人口(占全球总人口的17%以上)^[16]。在发展中国家, 约有60%的人口面临锌摄入量不足的问题^[17], 因锌摄入量不足而导致的患病率在非洲估计高达25%, 在南亚则高达29%。在发展中国家, 锌的缺乏排在引发人群疾病病因的第5位^[18-19]。我国约有1亿人口受缺锌的影响, 其中30%~60%为学龄儿童, 且主要分布在广大的农村地区^[20]。1982年在我国新疆伽师等地发现人体缺锌综合症^[21]。

2 人体锌的摄入

锌在人体中的功能无法替代, 且人体内无法合成, 必须从食物中摄取, WHO建议成人每天食物锌的摄入量为12~16 mg。美国食品营养委员会推荐成人每天锌的摄入量为15 mg, 妊娠期为20 mg, 哺乳期为25 mg；6个月以下、体重轻于6 kg的婴儿每天摄入锌3 mg, 1岁以下、体重轻于10 kg的为5 mg, 1~6岁为10 mg, 7岁以上的摄入量就应该与成人相同。2017年, 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会发布了卫生行业标准《中国居民膳食营养素参考摄入量第3部分：微量元素》(WS/T 578.3—2017), 其中中国居民膳食微量元素锌参考摄入量如表 1所示。

表 1

中国居民膳食微量元素锌参考摄入量

年龄/岁	生理状况	锌(Zn)/(mg·d^-1)
年龄/岁	生理状况	平均需要量	推荐摄入量	可耐受最高摄入量
0.0~		未制定	2.0^*	未制定
0.5~		2.8	3.5	未制定
1.0~		3.2	4.0	8.0
4.0~		4.6	5.5	12.0
7.0~		5.9	7.0	19.0
11.0~(男)		8.2	10.0	28.0
11.0~(女)		7.6	9.0	28.0
14.0~(男)		9.7	12.0	35.0
14.0~(女)		6.9	8.5	35.0
18.0~(男)		10.4	12.5	40.0
18.0~(女)		6.1	7.5	40.0
50.0~(男)		10.4	12.5	40.0
50.0~(女)		6.1	7.5	40.0
	孕妇	7.8	9.5	40.0
	乳母	9.9	12.0	40.0
注：*表示适宜摄入量

不同食物含锌量不尽相同, 食物中锌含量的排列次序为动物性食物＞豆类＞谷类＞水果＞蔬菜, 因而以谷类食品为主而不吃肉、豆类, 尤其是长期食用精制米面制品者容易缺锌。第1次农业绿色革命增加了谷类作物产量, 提高了全球粮食供给量, 但忽视了粮食品质对环境和人体健康的影响, 以至带来了“隐性饥饿”问题, 即微量元素的缺乏。尤其是在发展中国家, 居民的饮食习惯多以禾谷类籽粒为主食, 而谷类作物的微量元素含量较低, 且在粮食加工过程中有许多损失^[6]。此外, 籽粒种子中的植酸容易与Fe³⁺、Zn²⁺等结合形成不溶配合物, 而人体消化系统中缺少水解植酸的酶, 直接影响微量元素锌的吸收, 因此, 在以植物性食品为主食的发展中国家人群中, 锌等微量元素缺乏较为普遍^{[6, 11, 22-24]}。

为了改善人体的锌营养健康, 人们一直在积极寻找各种可行的措施, 目前采取的主要策略：①药物防治, 直接服用补锌药物, 如硫酸锌、乳清酸-精氨酸锌、甘草酸锌、葡萄糖酸锌等；②饮食多样化, 多食富锌食物以增加人体对锌的摄入量, 其中肉类、蛋类、牡蛎、蟹、花生、杏仁、土豆等锌含量高；③食品防御工程, 即在食品中添加锌；④生物强化工程, 即通过育种和栽培途径, 提高粮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锌含量, 通过主食提供人体所需的锌^{[6, 11]}, 这被认为是一种安全、经济、稳定、有效的策略^[25-28]。药物防治、食品防御工程及饮食多样化等措施已在发达国家广泛推广应用并取得了良好的效果, 但由于发展中国家经济技术相对落后, 政策扶持有限, 食品防御工程和药品防治措施所发挥的作用有限, 且发展中国家人群的饮食习惯多以含锌量较低的谷物类为主, 导致在发达国家行之有效的措施在发展中国家无法得到很好的实施^[9]。

考虑到人体对食物营养的消化吸收, 要保证人体获得充足的锌营养, 谷物类锌含量应在40~60 mg/kg, 而目前谷物类锌含量仅为10~ 30 mg/kg。以小麦为例, 其籽粒锌含量普遍在20~ 35 mg/kg^[29-31], 在供锌不足的石灰性土壤中, 小麦籽粒锌含量仅为10~15 mg/kg, 远低于满足人体锌供应标准的要求^[32-33]。锌主要集中在谷物糊粉层及胚芽部位, 胚乳中锌含量较少。Ozturk等^[34]研究表明, 小麦胚乳含锌量为10 mg/kg, 胚芽及糊粉层中锌含量达到100 mg/kg。在常规碾磨谷物籽粒获取面粉的过程中, 胚芽及糊粉层被带走浪费, 而低锌部位(如胚乳等)得以保留。典型的白色小麦面粉中锌含量仅为5~10 mg/kg^[35-36], 远不能满足人体对锌的摄食需求。假设小麦消费国的国民每天摄食面粉400 g, 面粉中平均锌含量为8 mg/kg, 锌的日平均摄入量仅为3.2 mg, 人体锌摄入量明显不足。

2004年1月, 国际农业研究磋商委员会组织启动了“HarvestPlus”项目, 其属于“全球挑战计划”中的一个项目。该项目针对发展中国家人群铁、锌、维生素A等营养普遍贫乏的状况, 旨在培育和推广富含微量营养元素的作物新品种, 克服植物性食物中微量营养元素不足的缺陷, 提高膳食营养水平。美国比尔和梅林达·盖茨基金会、美国国际开发署、世界银行和丹麦外交部国际发展署资助该项目, 国际热带农业中心和国际农业政策研究所负责协调, 在全球特别是在发展中国家建立了研究联盟进行具体实施。第1批启动的研究以玉米、水稻、小麦、大豆、木薯、甘薯6种作物为对象, 以铁、锌、维生素A等人体必需的微量元素为研究目标, 通过传统育种与分子育种2种途径培育富含微量营养元素的新品种。中国生物强化育种项目是“HarvestPlus”项目的一部分, 范云六院士为中国生物强化育种项目的召集人, 中国农业科学院负责协调, 于2005年启动。

3 锌肥施用与锌生物强化

锌在谷物籽粒中的积累取决于土壤因素、作物籽粒灌浆过程中的微量营养元素和水分供应、衰老的时间、灌浆期的长短以及谷物中氮(N)的营养状况等^[4]。谷物籽粒中的锌主要有2种来源：①开花后根系吸收锌转运至谷物地上部；②开花前锌直接沉积在营养组织如叶片或茎秆处, 在生殖生长阶段再转移至籽粒中^[37-38]。开花前谷物中的锌在向籽粒的再转移过程中, 锌在植物体内的再利用程度与叶片锌含量、叶片衰老程度及环境条件关系密切^[39]。

土壤是作物生产的基础, 提高土壤质量是谷类作物实现高产高效的主要途径之一。土壤中有效锌含量偏低主要与多种环境因素有关, 如pH中性至碱性、CaCO₃含量高、有机质含量高、铁和铝的氧化物含量高、磷含量高、长期淹水等。据1997年公布的全国第2次土壤普查数据, 我国缺锌土壤面积有9.50亿亩(1亩＝667 m², 下同), 占当时全国总耕地面积的45.7%, 北方石灰性土壤上种植的作物缺锌尤为普遍^[40]。世界上缺锌土壤面积约为30%, 甚至可能高达50%^[41], 不少土壤缺锌地区与人体缺锌地区是重叠的(图 1)。

图 1

全球土壤缺锌与人体缺锌地区分布^[42]

土壤直接施用锌肥是锌生物强化的主要方式之一, 最常见的锌肥是ZnSO₄ ·7H₂O。为确定田间土壤锌肥的施用量, 常以植株锌含量和土壤有效锌含量作为参考指标。临界缺锌土壤的有效锌(DTPA-Zn)含量为0.5~1.5 mg/kg, 植株Zn含量为15~25 mg/kg^[41]。由于种植系统和土壤条件不同, 各地区推荐的土壤锌肥施用量也不同, 中东地区锌肥推荐量^[43]为2~5 kg/hm²；印度依据不同作物推荐的锌肥用量介于2.5~11.0 kg/hm²之间^[44]；Cakmak等^[32]认为种植土耳其小麦的锌肥推荐施用量以23 kg/hm²为宜；Alloway等^[45]在南澳大利亚石灰性土壤上的研究表明, 施用9~22 kg/hm²锌肥后, 肥效至少可保持10年；Liu等^[46]对我国北方石灰性土壤条件下冬小麦锌肥施用开展了研究, 综合考虑施用效果、经济水平及农田环境安全等因素, 推荐我国北方冬小麦适宜的锌肥施用量为11 kg/hm², 夏玉米为50 kg/hm²。

在不同地区和土壤条件下, 施用锌肥后作物产量及籽粒锌含量的变化响应是不同的。土耳其土壤中DTPA-Zn含量为0.1 mg/kg, 施用锌肥23 kg/hm²可使小麦增产3~5倍, 籽粒锌含量提高8.0 mg/kg^[47]。韩金玲等^[48]研究发现, 在DTPA-Zn含量为0.84 mg/kg的土壤上, 冬小麦ZnSO₄ ·7H₂O施用量在20 kg/hm²时产量较高。田娣等^[49]的研究表明, 锌肥施用量在15 kg/hm²时, 我国冬小麦增产率达到18.8%。Jiao等^[50]的研究表明, 土壤中施加ZnSO₄可显著提高亚麻籽和硬质小麦籽粒的锌含量。Soleimani等^[51]的研究表明, 在DTPA-Zn含量为0.38 mg/kg的土壤上, 玉米产量随锌肥施用量的增加而显著提高。Wang等^[52]的研究表明, 施用锌肥对春玉米、冬小麦产量及生物量并未产生显著影响。Zhang等^[53]在盆栽条件下施用锌肥也未增加玉米产量和生物量, 可能是由于供试土壤有效锌含量较高所致。在河南新乡缺锌褐土上进行的微区定位试验研究表明, 施锌肥可显著提高土壤有效锌的含量, 经4茬之后, 土壤有效锌含量仍维持在临界值之上, 对作物产量没有多大的影响, 施锌可显著提高前2茬小麦和前3茬玉米籽粒中锌的含量^[54]。

叶片喷施锌肥对于改善谷物籽粒锌含量的效果更加明显^[55]。叶面喷施锌肥可避免锌在土壤中的固定或转化, 无需经过根系吸收、茎秆运输等过程, 可直接通过筛管、导管或者胞间连丝进行转运^[56]。在12个国家连续8年进行不同作物锌肥土施和叶片喷施的研究表明, 土施锌肥对提高籽粒锌含量的效果不明显, 但叶面喷施锌肥对提高籽粒锌含量的效果明显^[4]。对水稻、小麦、玉米的研究表明, 与不施锌肥相比, 在土施配合叶面喷施锌肥的条件下, 小麦籽粒锌含量对叶面喷施锌肥响应最为显著, 其籽粒锌含量增加83%；水稻表现为中等响应, 籽粒锌含量增加27%；玉米响应较弱, 籽粒锌含量增加9%^[57-58]。叶面喷施锌肥可选用ZnSO₄和EDTA螯合锌(如Zn-EDTA), 在改善植株缺锌症状和增加组织锌含量方面表现出一致的效果。对于锌的生物强化, 叶面喷施锌肥的时间至关重要, 大量研究表明在作物发育较晚阶段(最好于灌浆期)而非较早阶段喷施锌肥, 作物籽粒对锌的富集效果更加显著^{[36, 59]}。田间试验结果表明, 2次叶面喷施浓度为0.5%的ZnSO₄可使小麦籽粒中锌含量增加50%, 而对产量无显著影响^[33]。利用放射性同位素⁶⁵Zn的研究表明, 氮供应不足限制了谷物根系对锌的吸收和锌由根系向地上部的转运, 减少了锌在籽粒中的积累^{[33, 55]}, 适量氮肥配施锌肥可显著增加小麦籽粒锌含量^[33]。氮肥和锌肥配合叶面喷施可显著提高小麦籽粒锌含量^[33], 钼锌肥配合喷施在提高小麦和玉米籽粒锌积累上具有协同作用^[60]。

合理施用锌肥是增强锌生物强化的重要农艺措施, 对于常规育种和现代生物技术分子育种生物强化具有重要的协同作用。土施锌肥可确保土壤中有充足的有效锌供作物根系吸收, 进而转运至地上部；叶面喷施锌肥可提高作物营养组织中锌的含量, 促进锌向籽粒的迁移, 从而提高作物籽粒中锌的含量, 进而提高人体膳食锌的摄入量, 改善人体缺锌状况(图 2)。

图 2

锌肥施用与人体健康的关系

ckwx 参考文献

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