鋅肥施用與人體鋅素營養(yǎng)健康*

張金堯，汪 洪

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心〔北京〕/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全肥料源性因子風(fēng)險評估實(shí)驗(yàn)室〔北京〕 北京 100081)

鋅是一種藍(lán)白色金屬，密度為7.14 g/cm3，熔點(diǎn)為419.5 ℃。鋅的價電子層組態(tài)為3d104s2，失去最外層的2個s電子而呈現(xiàn)+2價，溶液中鋅是以Zn2+形態(tài)存在。Zn2+半徑為0.83×10-10m，極化力和變形性都較大，有明顯的路易酸特征，常能與N、O等配體生成配位數(shù)為6的配離子，形成催化、結(jié)構(gòu)、抑制和蛋白界面結(jié)合位點(diǎn)[1-2]。

鋅是植物、動物和人體所必需的微量營養(yǎng)元素。1926年，植物缺鋅癥狀在大麥和矮桿向日葵上試驗(yàn)得到驗(yàn)證[3]。20世紀(jì)60年代后，一系列含鋅酶的發(fā)現(xiàn)推動了植物中鋅生理作用的研究，進(jìn)而分子生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了植物體內(nèi)與鋅吸收運(yùn)輸有關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族(如ZIP家族等)的發(fā)現(xiàn)[1，4]。土壤缺鋅是造成植物鋅營養(yǎng)缺乏的主要原因，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報告，全世界大約有30%的耕地土壤缺鋅，甚至可能高達(dá)50%，石灰質(zhì)土壤、半干旱土壤缺鋅現(xiàn)象更為普遍[5]。

人體缺乏維持健康的必需維生素和礦物質(zhì)，被稱為“隱性饑餓”。人體對隱性饑餓一時難以察覺，若忽視則將影響人體的健康，全球有超過20億的人受到隱性饑餓的影響。人體微量元素鋅(Zn)、鐵(Fe)攝入量少，將導(dǎo)致諸如失明、發(fā)育遲緩、智力低下、學(xué)習(xí)障礙、工作能力低下甚至早逝等無法彌補(bǔ)的損害[4]。實(shí)施生物強(qiáng)化工程，通過生物育種和農(nóng)藝措施改善以提高作物籽粒中微量元素(包括鋅)的含量，從而增加人體微量元素的攝入量、促進(jìn)人體健康，已經(jīng)成為國際關(guān)注的熱點(diǎn)之一[4，6]。筆者就作物鋅肥施用與人體鋅素攝入、人體健康等方面的研究作一綜述。

1 鋅與人體健康

鋅存在于人體的各個器官中，其中在骨骼、肌肉、視網(wǎng)膜和肝臟中含量較多[4，7-8]。鋅是人體中代謝最為廣泛的元素，是體內(nèi)200多種酶及脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的組成成分。人體中鋅的生理作用主要體現(xiàn)在：保障大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的健康，尤其是處于發(fā)育期的胎兒；調(diào)節(jié)來源于生殖系統(tǒng)器官的激素的分泌。此外，鋅對骨骼和牙齒的形成、外傷傷口的愈合、壓力的緩解、頭發(fā)的生長等皆有幫助[9-10]。由于鋅在人體生長發(fā)育、生殖遺傳、免疫、內(nèi)分泌等生理過程中具有重要的作用，因此被人們冠以“生命之花”、“智力之源”的美稱。人體鋅的缺乏會導(dǎo)致身體機(jī)能下降，甚至引發(fā)多種疾病，如導(dǎo)致味覺和嗅覺不靈敏、手指甲上出現(xiàn)白斑點(diǎn)、易感染、膚色蒼白、生育能力低等，青少年和兒童易出現(xiàn)抑郁傾向、缺乏食欲等癥狀[11-13],而大腦發(fā)育遲緩、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂也與缺鋅有關(guān)[4，7，14-15]。1961年在伊朗發(fā)現(xiàn)首例人體缺鋅病例，此后世界各地相繼報道了人體缺鋅的病例。世界衛(wèi)生組織(WHO)的資料顯示，鋅缺乏在發(fā)展中國家尤為普遍，影響著約數(shù)十億人口(占全球總?cè)丝诘?7%以上)[16]。在發(fā)展中國家，約有60%的人口面臨鋅攝入量不足的問題[17]，因鋅攝入量不足而導(dǎo)致的患病率在非洲估計高達(dá)25%，在南亞則高達(dá)29%。在發(fā)展中國家，鋅的缺乏排在引發(fā)人群疾病病因的第5位[18-19]。我國約有1億人口受缺鋅的影響，其中30%～60%為學(xué)齡兒童，且主要分布在廣大的農(nóng)村地區(qū)[20]。1982年在我國新疆伽師等地發(fā)現(xiàn)人體缺鋅綜合癥[21]。

2 人體鋅的攝入

鋅在人體中的功能無法替代，且人體內(nèi)無法合成，必須從食物中攝取，WHO建議成人每天食物鋅的攝入量為12～16 mg。美國食品營養(yǎng)委員會推薦成人每天鋅的攝入量為15 mg，妊娠期為20 mg，哺乳期為25 mg；6個月以下、體重輕于6 kg的嬰兒每天攝入鋅3 mg，1歲以下、體重輕于10 kg的為5 mg，1～6歲為10 mg，7歲以上的攝入量就應(yīng)該與成人相同。2017年，中華人民共和國國家衛(wèi)生和計劃生育委員會發(fā)布了衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量 第3部分：微量元素》(WS/T 578.3—2017)，其中中國居民膳食微量元素鋅參考攝入量如表1所示。

不同食物含鋅量不盡相同，食物中鋅含量的排列次序?yàn)閯游镄允澄?豆類>谷類>水果>蔬菜，因而以谷類食品為主而不吃肉、豆類，尤其是長期食用精制米面制品者容易缺鋅。第1次農(nóng)業(yè)綠色革命增加了谷類作物產(chǎn)量，提高了全球糧食供給量，但忽視了糧食品質(zhì)對環(huán)境和人體健康的影響，以至帶來了“隱性饑餓”問題，即微量元素的缺乏。尤其是在發(fā)展中國家，居民的飲食習(xí)慣多以禾谷類籽粒為主食，而谷類作物的微量元素含量較低，且在糧食加工過程中有許多損失[6]。此外，籽粒種子中的植酸容易與Fe3+、Zn2+等結(jié)合形成不溶配合物，而人體消化系統(tǒng)中缺少水解植酸的酶，直接影響微量元素鋅的吸收，因此，在以植物性食品為主食的發(fā)展中國家人群中，鋅等微量元素缺乏較為普遍[6,11,22-24]。

為了改善人體的鋅營養(yǎng)健康，人們一直在積極尋找各種可行的措施，目前采取的主要策略：①藥物防治，直接服用補(bǔ)鋅藥物，如硫酸鋅、乳清酸-精氨酸鋅、甘草酸鋅、葡萄糖酸鋅等；②飲食多樣化，多食富鋅食物以增加人體對鋅的攝入量，其中肉類、蛋類、牡蠣、蟹、花生、杏仁、土豆等鋅含量高；③食品防御工程，即在食品中添加鋅；④生物強(qiáng)化工程，即通過育種和栽培途徑，提高糧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鋅含量，通過主食提供人體所需的鋅[6，11]，這被認(rèn)為是一種安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、有效的策略[25-28]。藥物防治、食品防御工程及飲食多樣化等措施已在發(fā)達(dá)國家廣泛推廣應(yīng)用并取得了良好的效果，但由于發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)相對落后，政策扶持有限，食品防御工程和藥品防治措施所發(fā)揮的作用有限，且發(fā)展中國家人群的飲食習(xí)慣多以含鋅量較低的谷物類為主，導(dǎo)致在發(fā)達(dá)國家行之有效的措施在發(fā)展中國家無法得到很好的實(shí)施[9]。

表1 中國居民膳食微量元素鋅參考攝入量

考慮到人體對食物營養(yǎng)的消化吸收，要保證人體獲得充足的鋅營養(yǎng)，谷物類鋅含量應(yīng)在40～60 mg/kg，而目前谷物類鋅含量僅為10～30 mg/kg。以小麥為例，其籽粒鋅含量普遍在20～35 mg/kg[29-31],在供鋅不足的石灰性土壤中，小麥籽粒鋅含量僅為10～15 mg/kg，遠(yuǎn)低于滿足人體鋅供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求[32-33]。鋅主要集中在谷物糊粉層及胚芽部位，胚乳中鋅含量較少。Ozturk等[34]研究表明，小麥胚乳含鋅量為10 mg/kg，胚芽及糊粉層中鋅含量達(dá)到100 mg/kg。在常規(guī)碾磨谷物籽粒獲取面粉的過程中，胚芽及糊粉層被帶走浪費(fèi)，而低鋅部位(如胚乳等)得以保留。典型的白色小麥面粉中鋅含量僅為5～10 mg/kg[35-36]，遠(yuǎn)不能滿足人體對鋅的攝食需求。假設(shè)小麥消費(fèi)國的國民每天攝食面粉400 g，面粉中平均鋅含量為8 mg/kg，鋅的日平均攝入量僅為3.2 mg，人體鋅攝入量明顯不足。

2004年1月，國際農(nóng)業(yè)研究磋商委員會組織啟動了“HarvestPlus”項(xiàng)目，其屬于“全球挑戰(zhàn)計劃”中的一個項(xiàng)目。該項(xiàng)目針對發(fā)展中國家人群鐵、鋅、維生素A等營養(yǎng)普遍貧乏的狀況，旨在培育和推廣富含微量營養(yǎng)元素的作物新品種，克服植物性食物中微量營養(yǎng)元素不足的缺陷，提高膳食營養(yǎng)水平。美國比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會、美國國際開發(fā)署、世界銀行和丹麥外交部國際發(fā)展署資助該項(xiàng)目，國際熱帶農(nóng)業(yè)中心和國際農(nóng)業(yè)政策研究所負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，在全球特別是在發(fā)展中國家建立了研究聯(lián)盟進(jìn)行具體實(shí)施。第1批啟動的研究以玉米、水稻、小麥、大豆、木薯、甘薯6種作物為對象，以鐵、鋅、維生素A等人體必需的微量元素為研究目標(biāo)，通過傳統(tǒng)育種與分子育種2種途徑培育富含微量營養(yǎng)元素的新品種。中國生物強(qiáng)化育種項(xiàng)目是“HarvestPlus”項(xiàng)目的一部分，范云六院士為中國生物強(qiáng)化育種項(xiàng)目的召集人，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，于2005年啟動。

3 鋅肥施用與鋅生物強(qiáng)化

鋅在谷物籽粒中的積累取決于土壤因素、作物籽粒灌漿過程中的微量營養(yǎng)元素和水分供應(yīng)、衰老的時間、灌漿期的長短以及谷物中氮(N)的營養(yǎng)狀況等[4]。谷物籽粒中的鋅主要有2種來源：①開花后根系吸收鋅轉(zhuǎn)運(yùn)至谷物地上部；②開花前鋅直接沉積在營養(yǎng)組織如葉片或莖稈處，在生殖生長階段再轉(zhuǎn)移至籽粒中[37-38]。開花前谷物中的鋅在向籽粒的再轉(zhuǎn)移過程中，鋅在植物體內(nèi)的再利用程度與葉片鋅含量、葉片衰老程度及環(huán)境條件關(guān)系密切[39]。

土壤是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高土壤質(zhì)量是谷類作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要途徑之一。土壤中有效鋅含量偏低主要與多種環(huán)境因素有關(guān)，如pH中性至堿性、CaCO3含量高、有機(jī)質(zhì)含量高、鐵和鋁的氧化物含量高、磷含量高、長期淹水等。據(jù)1997年公布的全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，我國缺鋅土壤面積有9.50億畝(1畝=667 m2，下同)，占當(dāng)時全國總耕地面積的45.7%，北方石灰性土壤上種植的作物缺鋅尤為普遍[40]。世界上缺鋅土壤面積約為30%，甚至可能高達(dá)50%[41]，不少土壤缺鋅地區(qū)與人體缺鋅地區(qū)是重疊的(圖1)。

土壤直接施用鋅肥是鋅生物強(qiáng)化的主要方式之一，最常見的鋅肥是ZnSO4·7H2O。為確定田間土壤鋅肥的施用量，常以植株鋅含量和土壤有效鋅含量作為參考指標(biāo)。臨界缺鋅土壤的有效鋅(DTPA-Zn)含量為0.5～1.5 mg/kg，植株Zn含量為15～25 mg/kg[41]。由于種植系統(tǒng)和土壤條件不同，各地區(qū)推薦的土壤鋅肥施用量也不同，中東地區(qū)鋅肥推薦量[43]為2～5 kg/hm2；印度依據(jù)不同作物推薦的鋅肥用量介于2.5～11.0 kg/hm2之間[44]；Cakmak等[32]認(rèn)為種植土耳其小麥的鋅肥推薦施用量以23 kg/hm2為宜；Alloway等[45]在南澳大利亞石灰性土壤上的研究表明，施用9～22 kg/hm2鋅肥后，肥效至少可保持10年；Liu等[46]對我國北方石灰性土壤條件下冬小麥鋅肥施用開展了研究，綜合考慮施用效果、經(jīng)濟(jì)水平及農(nóng)田環(huán)境安全等因素，推薦我國北方冬小麥適宜的鋅肥施用量為11 kg/hm2，夏玉米為50 kg/hm2。

在不同地區(qū)和土壤條件下，施用鋅肥后作物產(chǎn)量及籽粒鋅含量的變化響應(yīng)是不同的。土耳其土壤中DTPA-Zn含量為0.1 mg/kg，施用鋅肥23 kg/hm2可使小麥增產(chǎn)3～5倍，籽粒鋅含量提高8.0 mg/kg[47]。韓金玲等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在DTPA-Zn含量為0.84 mg/kg的土壤上，冬小麥ZnSO4·7H2O施用量在20 kg/hm2時產(chǎn)量較高。田娣等[49]的研究表明，鋅肥施用量在15 kg/hm2時，我國冬小麥增產(chǎn)率達(dá)到18.8%。Jiao等[50]的研究表明，土壤中施加ZnSO4可顯著提高亞麻籽和硬質(zhì)小麥籽粒的鋅含量。Soleimani等[51]的研究表明，在DTPA-Zn含量為0.38 mg/kg的土壤上，玉米產(chǎn)量隨鋅肥施用量的增加而顯著提高。Wang等[52]的研究表明，施用鋅肥對春玉米、冬小麥產(chǎn)量及生物量并未產(chǎn)生顯著影響。Zhang等[53]在盆栽條件下施用鋅肥也未增加玉米產(chǎn)量和生物量，可能是由于供試土壤有效鋅含量較高所致。在河南新鄉(xiāng)缺鋅褐土上進(jìn)行的微區(qū)定位試驗(yàn)研究表明，施鋅肥可顯著提高土壤有效鋅的含量，經(jīng)4茬之后，土壤有效鋅含量仍維持在臨界值之上，對作物產(chǎn)量沒有多大的影響，施鋅可顯著提高前2茬小麥和前3茬玉米籽粒中鋅的含量[54]。

葉片噴施鋅肥對于改善谷物籽粒鋅含量的效果更加明顯[55]。葉面噴施鋅肥可避免鋅在土壤中的固定或轉(zhuǎn)化，無需經(jīng)過根系吸收、莖稈運(yùn)輸?shù)冗^程，可直接通過篩管、導(dǎo)管或者胞間連絲進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)[56]。在12個國家連續(xù)8年進(jìn)行不同作物鋅肥土施和葉片噴施的研究表明，土施鋅肥對提高籽粒鋅含量的效果不明顯，但葉面噴施鋅肥對提高籽粒鋅含量的效果明顯[4]。對水稻、小麥、玉米的研究表明，與不施鋅肥相比，在土施配合葉面噴施鋅肥的條件下，小麥籽粒鋅含量對葉面噴施鋅肥響應(yīng)最為顯著，其籽粒鋅含量增加83%；水稻表現(xiàn)為中等響應(yīng)，籽粒鋅含量增加27%；玉米響應(yīng)較弱，籽粒鋅含量增加9%[57-58]。葉面噴施鋅肥可選用ZnSO4和EDTA螯合鋅(如Zn-EDTA)，在改善植株缺鋅癥狀和增加組織鋅含量方面表現(xiàn)出一致的效果。對于鋅的生物強(qiáng)化，葉面噴施鋅肥的時間至關(guān)重要，大量研究表明在作物發(fā)育較晚階段(最好于灌漿期)而非較早階段噴施鋅肥，作物籽粒對鋅的富集效果更加顯著[36，59]。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，2次葉面噴施濃度為0.5%的ZnSO4可使小麥籽粒中鋅含量增加50%，而對產(chǎn)量無顯著影響[33]。利用放射性同位素65Zn的研究表明，氮供應(yīng)不足限制了谷物根系對鋅的吸收和鋅由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，減少了鋅在籽粒中的積累[33，55]，適量氮肥配施鋅肥可顯著增加小麥籽粒鋅含量[33]。氮肥和鋅肥配合葉面噴施可顯著提高小麥籽粒鋅含量[33]，鉬鋅肥配合噴施在提高小麥和玉米籽粒鋅積累上具有協(xié)同作用[60]。

合理施用鋅肥是增強(qiáng)鋅生物強(qiáng)化的重要農(nóng)藝措施，對于常規(guī)育種和現(xiàn)代生物技術(shù)分子育種生物強(qiáng)化具有重要的協(xié)同作用。土施鋅肥可確保土壤中有充足的有效鋅供作物根系吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部；葉面噴施鋅肥可提高作物營養(yǎng)組織中鋅的含量，促進(jìn)鋅向籽粒的遷移，從而提高作物籽粒中鋅的含量，進(jìn)而提高人體膳食鋅的攝入量，改善人體缺鋅狀況(圖2)。