镁和人体健康的关系及镁肥在农业中的应用

The Relationship Between Magnesium and Human Health and the Application of Magnesium Fertilizer in Agriculture

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.06.014

郝艳淑 Yanshu HAO , 张炎 Yan ZHANG , 侯佳玉 Jiayu HOU , 李惠丽 Huili LI , 张白鸽 Baige ZHANG , 吴良泉 Liangquan WU , 郭延亮 Yanliang GUO

1 德钾盐〔深圳〕农业科技有限公司广东深圳 518046 Shenzhen K+S Trading Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518046, China 2 广东省农业科学院蔬菜研究所广东广州 510640 Vegetable Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou, Guangdong 510640, China 3 福建农林大学福建福州 350002 Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China 4 国际镁营养研究所福建福州 350002 International Magnesium Institute, Fuzhou, Fujian 350002, China

摘要：

镁是人体必需的矿物质元素之一，在多种人体生理过程中发挥着重要作用。简要介绍了镁与人体健康的关系，我国居民镁营养状况及膳食中的镁含量。我国农作物产量虽逐年提升，但土壤中的镁利用率较低，又因镁肥施用量不足，导致农作物可食部位镁含量下降，缺镁已成为威胁人体健康的重要因素。基于施用镁肥可以提高农作物产量和品质，缓解人体镁营养的缺乏，结合全球镁肥生产和应用情况，提出了适合我国农业生产的镁肥产品的开发路径。

关键词：

镁营养; 人体健康; 膳食; 土壤镁含量; 镁肥;

Abstract：

Magnesium is one of the essential mineral elements for the human body and plays an important role in various physiological processes. The relationship between magnesium and human health, the magnesium nutritional status of Chinese residents, and the magnesium content in their diet are introduced. Although crop yields in our country have been increasing year by year, but the utilization rate of magnesium in the soil is low, and the amount of magnesium fertilizer applied is insufficient, resulting in a decrease in magnesium content in edible parts of crops. Magnesium deficiency has become an important factor threatening human health. Based on the application of magnesium fertilizer, which can improve crop yield and quality, alleviate the lack of magnesium nutrition in the human body, and combined with the global production and application of magnesium fertilizer, a development path for magnesium fertilizer products suitable for agricultural production in China is proposed.

Keyword：

magnesium nutrition; human health; diet; soil magnesium content; magnesium fertilizer;

1 镁和人体健康的关系

镁是人体必需的矿物质元素，是人体细胞中含量最为丰富的二价阳离子^[1-2]，是影响人体健康的常量营养元素，人体内超过500种酶的活性受镁调控，这些酶参与人体细胞的能量代谢以及核酸代谢^[3]。人体镁营养状况影响着人体细胞的分化、生长、衰老和死亡，人体肌肉的舒张和收缩、炎症、纤维化、骨骼健康等都受镁营养的调控。镁作为信号物质影响人体免疫系统的功能，研究发现，镁能够通过增强人体非特异性免疫系统的功能减少人体内炎症因子，使人体免疫力增强，减少疾病发生^[4]。镁在维护心脏健康方面有着重要作用，镁可以提高心血管健康，减少心血管疾病的发生^[5]，防治动脉硬化的形成及冠状动脉痉挛，防治严重室性心律失常导致的猝死^[6]。研究还发现，脑梗死患者会伴有血液中镁含量显著降低的表现，并与神经功能损伤程度有关^[7-9]。人体镁含量与血压有着密切关系，对原发性高血压血清镁含量与炎症反应及血压的相关研究发现，高血压组的血清镁含量显著低于正常组的，C反应蛋白显著高于正常组的^[10]。血清镁含量低引起高血压的机理在于人体血清镁含量较低时，ATP酶活性下降，细胞外的K⁺-Mg²⁺与细胞内的Na⁺-Ca²⁺交换增加，使细胞内Na、Ca含量升高，血管发生痉挛，导致血压升高^[11]。C反应蛋白作为急性损伤的炎症标志物，已广泛应用于临床疾病的筛选、监测、病情评估及疗效判断。低血清镁含量和高C反应蛋白在高血压患者中普遍存在，提示炎症反应参与了高血压的发生和发展，高血压患者适当补充镁离子对降压有一定的疗效，尤其是顽固性高血压的治疗^[10]。糖尿病是一种慢性高血糖状态的代谢性疾病，人体缺镁时会导致胰岛素合成和分泌减少，并抑制胰岛素对葡萄糖的反应活性，从而引起血糖升高。检测发现，糖尿病患者的血浆、血清和头发中的镁含量低于健康者的，而尿液中的镁含量高于健康者的，这是因为高糖引起了高渗性利尿，导致镁的排出增加，进一步加剧了人体缺镁情况，加重了糖尿病^[12]。此外，罗盛等^[13]的研究发现，血液中镁的浓度偏低对偏头痛发作起着重要作用并参与发病机制，通过补充镁可以缓解偏头痛发作时的疼痛。临床上镁还用于治疗小儿喘憋肺炎合并心衰、支气管哮喘、心肺疾病等，对预防治疗新冠肺炎的作用也有许多研究^[14-15]。茅云霞^[16]探讨了在妇女妊娠阶段，胎儿发育不同时期对镁离子的需求，通过血清镁离子检测，发现孕期补镁将有助于降低胎儿的畸形率。

2 我国居民镁营养状况及膳食中的镁含量

根据世界卫生组织(WHO)2009年镁摄入量的推荐，普通成年男性每天为400 mg/kg，普通成年女性每天为310 mg/kg，怀孕和哺乳期的成年女性每天分别为350、310 mg/kg^[17]。中国疾病预防控制中心营养与健康所、中国营养学会《中国居民膳食营养素参考摄入量》修订专家委员会常量元素组在2022年分析了1991—2018年我国15个省的居民共12万余膳食镁摄入量的调查数据，发现我国居民膳食镁的摄入量普遍不足且呈明显的下降趋势。报告显示：2018年居民每日镁摄入量的中位数为238.9 mg/kg；从性别差异上来看，女性的每日镁摄入量的中位数为227.1 mg/kg，男性的为252 mg/kg，均低于WHO的推荐摄入量；从区域分布上来看，北方居民每日镁摄入量的中位数高于南方居民的；从变化趋势上来看，从1991—2018年，我国居民平均镁摄入不足率从38.5%上升至59.9%，且南方居民的镁摄入量不足率高于北方居民的，分别为64.2%和52.8%^[18]。报告同时指出了导致我国居民膳食镁摄入不足的原因与全谷物及深色蔬菜摄入不足和谷物加工精度提高有关。洛桑试验站的长期定位试验显示，在过去的160年间，优化施肥使小麦产量明显提升，但同时籽粒中的镁含量显著下降^[19]。同时，谷物精加工也会导致镁的大量损失，如100 g小麦标准粉和小麦特一粉中含镁量分别为50、32 mg^[18]。随着水果和蔬菜产量的大幅度提高，可食部位中矿物质和维生素的含量也明显下降，以英国为例，从1960年到1991年，蔬菜和水果中的镁含量分别平均下降了35%和11%^[20]。

3 土壤中镁的供应状况

镁是地壳中含量丰富的元素，一般存在于地壳的岩石和各种矿物中。存在于矿物晶格中的Mg²⁺移动性差，生物有效性不高，矿物经风化后转化成具有生物有效性的形态才能被植物利用，而这一过程是缓慢的。含镁的矿石种类很多，包括角闪石、黑云母、绿泥石、白云石、蒙脱石、橄榄石、辉石、蛇纹石和蛭石等^[21]。由于不同矿物中镁的含量及风化程度不同，土壤中镁的质量分数为0.05%~0.5%，土壤中90%以上的镁存在于矿物晶格中无法被植物直接利用。土壤酸碱度影响土壤中镁在不同形态之间的转化，进而影响土壤中可交换性镁的含量以及作物对镁的吸收。目前全球有大概1/3的耕地为酸性土壤，酸性土壤中通常可交换性镁含量较低。谷物和果蔬中的镁主要来自土壤中镁的供应，近年来随着品种的改良和肥料工业的进步，农作物产量得到了较大的提升，镁作为植物生长必需的营养元素，在肥料中的应用却非常有限，因而镁也被称为“被遗忘的营养元素”^[22]。事实上，作物对镁的需求量非常大，与对磷的需求量一样，是植物生长必需的大量营养元素^[23]。在作物收获时会从土壤中带走大量的镁，对镁肥的忽视导致我国土壤中可交换性镁含量逐年下降。白由路等^[24]采用土壤养分系统研究法分析了我国31个省(市、自治区)的17 790个土壤样品，结果表明我国有54%的土壤需要不同程度地补充镁肥；根据土壤有效镁含量分析，我国潜在的含镁肥料年需求量为9 840 kt才能满足农业生产需求。2016年9月，由德国钾盐集团与福建农林大学合作共建了国际镁营养研究所，2017年国际镁营养研究所在国内建立了镁营养研究协作网，近30个大专院校、科研院所和企业的科研人员在全国连续开展土壤取样检测。李春俭等^[25]统计分析了我国土壤可交换性镁含量的分级及其占比，报告显示我国45.3%的土壤严重缺镁(＜60 mg/kg)，18.3%的土壤处于镁缺乏水平(60~120 mg/kg)，16.4%的土壤处于镁适宜水平(120~240 mg/kg)，12.9%的土壤处于镁偏高水平(240~480 mg/kg)，处于镁丰富(480~720 mg/kg)、极丰富(＞720 mg/kg)水平的土壤仅有4.0%、3.0%。土壤中可交换性镁含量不足，除了影响作物产量外，还将降低作物品质，如造成蛋白质、矿物质以及维生素含量的下降。

4 镁肥在农业生产中的应用效果

为探究在全球范围内农业生产中施用镁肥对作物的影响，Wang等^[26]收集了全球截止到2019年所有公开发表的镁肥肥效试验文献99篇，试验地点分别在中国、孟加拉国、加拿大、智利、伊朗、新西兰、尼日利亚、波兰、土耳其及英国等10个国家，共570组对比试验，meta分析结果表明，施用镁肥提高了作物产量，平均增产8.5%。从2017年开始，国际镁营养研究所及全国镁营养协作网在全国13个省(主要是南方地区)开展了大量镁肥施用的田间试验，试验作物包括茶叶、油菜、水稻、大白菜、黄瓜、辣椒、甜椒、番茄、冬瓜、脐橙、葡萄、橙子、菠萝、蜜柚和糖蔗等10多种，结果表明不同作物及其区域对施镁响应不同，施用镁肥可使作物增产5.5%~40.6%，作物品质也得到相应提高。李灿等^[27]的研究表明，施用镁肥显著提高了黑皮冬瓜果肉中镁元素的含量，与对照处理相比，果肉中镁含量提高了28.6%。卢明^[28]研究了镁对辣椒和白菜品质的影响，结果表明合理施用镁肥，辣椒中镁含量提高了23.5%，达到显著水平；白菜中镁含量提高了53.0%，镁平均积累量提高了54.9%。这表明通过施用镁肥提高农作物可食部位中镁的含量，进而提高日常膳食中的镁摄入量是缓解人体缺镁的有效措施^[29]。

5 全球镁肥的生产和应用情况

基于我国土壤缺镁现状及对镁肥效果的研究，在我国农业生产中增加镁肥的施用是必要和紧迫的^[25]。若要解决作物缺镁的问题，需要进行合适的镁肥产品的研发和供应。从全球看，镁肥的生产主要集中在我国和德国，我国主要利用菱镁矿资源生产一水硫酸镁肥。根据我国海关2024年的数据，我国生产的一水硫酸镁肥80%以上出口到东南亚等地区，2023年出口量约为900 kt。德国通过开采形成于两亿三千万年前的海水沉积和蒸发形成的固体盐床，利用物理分离的方法生产钾肥和镁肥，其中镁肥产品主要为天然一水硫酸镁，可以单独施用，也可以作为复合肥生产的原料。鲁振亚等^[30]对14家世界知名大型肥料企业的869组氮磷钾肥料产品的技术参数进行分析，发现有54.7%的肥料中含镁，镁质量分数为1.2%~2.4%(折合纯镁)，镁的形态以硫酸镁为主；对我国肥料加镁情况的调查发现，加镁肥料的占比不足10%，远不能满足我国农业生产对镁的需求。

6 适合我国农业生产的镁肥产品开发路径

6.1 复合(混)肥料

我国农业生产存在种植者老龄化与土地适度规模化共存的现象，对肥料品种及其特性的需求也在发生变化。从我国肥料消费来看，复合肥的消费占比近年快速增长。根据2024年统计年鉴中的数据，我国化肥消费总量为50 217 kt，比2015年减少10 009 kt，但复合肥的施用量增加2 235 kt；化肥的复合化率从2015年的36%提高到2023年的48%，肥料的复合化程度加强(见图 1)^[31]，氮、磷、钾三大养分的平均复合化率分别为69.5%、92.1%、84.4%^[32]，复合(混)肥料已成为当前农业生产中消费量最大的化肥品种。可见，在复合肥中添加镁是解决我国农业生产中缺镁问题的重要途径之一。

图 1

我国肥料复合化率的变化

6.2 氮肥

在氮、磷、钾三大养分中，我国氮肥的施用量最大。根据国际肥料工业协会(IFA)的统计数据，2022年我国氮肥的消费量为24 810 kt(折纯，下同)，以复合肥形式施用的氮肥数量为15 010 kt，约占60%，与贾可等^[32]在2020年的研究结果相似；直接施用的氮肥为9 800 kt，主要是尿素，折纯养分施用量为8 030 kt，占直接施用氮肥总量的82%。可见在单质氮肥中，尿素是举足轻重的品类，提高尿素的利用率对提升我国氮肥效率有重要影响。基于国际镁营养研究所关于镁对氮效率提升的研究^[29]，在氮肥中添加镁是提高镁肥施用量的途径之一。

6.3 水溶肥料

我国水溶肥经历了从无到有、从进口到以国产为主的发展历程，水溶肥产量和施用量都出现了飞跃式的提升。我国水溶肥料年产量约4 100 kt，占全球水溶肥料用量的50%，水溶肥料及水肥一体技术的推广应用面积约1.5亿亩(1亩=667 m²)^[33]。然而我国加镁水溶肥料并不多，鲁振亚等^[30]分析了我国水溶肥料加镁的情况，发现我国加镁的水溶肥料占比仅为5.4%，而进口水溶肥料加镁的占比为50.6%，我国加镁水溶肥料占比远低于进口水溶肥料的。随着水溶肥料市场的发展，在水溶肥料中添加镁也是解决农业生产中缺镁问题的有效途径。

6.4 有机肥及生物有机肥

在我国农业绿色发展目标的指引下，施用有机肥不仅能够提升耕地质量，还能带入大量氮磷钾养分，助力氮磷钾传统化肥的减量增效。据估算，我国农作物秸秆中的氮磷钾养分总量为22 098 kt，畜禽粪污中氮磷钾养分总量为40 692 kt，再加上绿肥、人粪尿可贡献的氮磷钾养分，我国可利用的有机物料中所含总养分为75 195 kt，其中氮30 963 kt、磷11 741 kt、钾32 491 kt(均为折纯量)，目前的有效利用率不足40%^[34]。2021年我国有机肥产量为16 200 kt^[35]，随着有机肥产业的发展，我国现有有机肥生产企业近4 000家，产能超过35 000 kt/a^[36]。在国家有关政策的支持下，有机肥产业还有很大的发展空间。有机肥通常在农业生产中作为基肥施入，镁肥也常推荐作为基肥，因此镁肥与有机肥的复合化，将推动缺镁问题的解决。

7 结语

镁作为人体必需的矿物质元素，影响着人类的生存和生活质量，而日常膳食中镁摄入量的不足，已成为我国居民重要的健康风险因素。在增加日常膳食镁摄入方面，农产品中镁的营养密度起着重要的作用。针对我国耕地严重缺镁的情况，重视在大宗肥料中复配足量有效的镁，可提高农产品的产量和品质，增加在日常膳食中对镁的摄入，从而改善我国居民缺镁现状。但目前在肥料加镁技术的突破及产品应用方面还需要做较多的工作，以开发出适合我国农业生产的含镁肥料并推广应用。

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