元素硫與動(dòng)植物營(yíng)養(yǎng)和人體健康*

普正仙, 宗世榮, 王 芳, 周凌翔, 魯振亞

(1.云南云天化股份有限公司研發(fā)中心 云南昆明 650228;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/綠色智能肥料創(chuàng)新農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物-土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院 北京 100193)

硫元素的發(fā)現(xiàn)和使用歷史悠久。 據(jù)報(bào)道,早在4 000 年前,埃及人就已經(jīng)用燃燒硫后生成的物質(zhì)來(lái)漂白布匹,古羅馬著名詩(shī)人荷馬在他的著作中也講述了上述作用。 硫在我國(guó)的應(yīng)用也較早,如用做藥材、煉丹,我國(guó)古代四大發(fā)明之一火藥的主要成分之一就是硫黃。 硫一開始被認(rèn)為是一種化合物,直到1777 年法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫明確硫是單一元素,1789 年把硫列入化學(xué)元素周期表,從此開啟了近現(xiàn)代硫化學(xué)研究的征程[1]。 硫元素在動(dòng)植物正常生長(zhǎng)發(fā)育和人體健康等方面扮演著重要的角色,但是硫的功能和硫肥的施用并沒有得到足夠的重視。 在過(guò)去的幾十年中,土壤缺硫已經(jīng)成為全球的普遍現(xiàn)象,而且有愈發(fā)嚴(yán)重的趨勢(shì);相關(guān)研究資料顯示,我國(guó)有30%左右的土壤缺硫,有20%以上的土壤潛在缺硫,嚴(yán)重制約了我國(guó)作物產(chǎn)量的增加、動(dòng)植物營(yíng)養(yǎng)的提升,也影響了人體的健康[2-3]。

1 硫與植物營(yíng)養(yǎng)

硫是植物正常生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,作物體內(nèi)硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.1%～0.5%,葉片中硫的含量較高,根系中硫的含量相對(duì)較低[4]。 硫不僅參與蛋白質(zhì)的合成,還參與半胱氨酸、蛋氨酸和胱氨酸等含硫氨基酸的合成,是組成蛋白質(zhì)的重要組分,蛋氨酸等含硫氨基酸缺乏會(huì)抑制蛋白質(zhì)的生成[5]。 硫參與光合作用,以硫脂的形式組成葉綠體基粒片層;硫還是鐵氧還蛋白的組成成分,參與暗反應(yīng)二氧化碳的還原過(guò)程;硫氧還蛋白半胱氨酸-SH 在光合作用中具有傳遞電子的功能[6]。 另外,硫在酶活性、脂類合成、維生素合成、次級(jí)代謝產(chǎn)物合成和抗逆等方面均有重要功能[6-7]。

施用硫可以顯著提高作物體內(nèi)的硫含量。 硫的來(lái)源很多,可通過(guò)大氣沉降、灌溉水、作物秸稈、畜禽糞便和其他有機(jī)殘留物等獲取,但最重要的硫營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充途徑是施用硫肥。 據(jù)相關(guān)資料顯示,硫肥的施用可追溯到200 多年前,主要分為3 個(gè)時(shí)期[8]:第一個(gè)時(shí)期為石膏的早期應(yīng)用,大約從1760 年到1845 年,80 多年的時(shí)間里石膏被廣泛應(yīng)用。 第二個(gè)時(shí)期是在1845 年后的半個(gè)多世紀(jì)里,因無(wú)證據(jù)表明石膏中含有的硫元素帶來(lái)了良好的農(nóng)學(xué)效果,人們對(duì)石膏及其作用方式缺乏興趣,更多地把施用石膏的效果歸于土壤中鉀有效性的提升;隨著過(guò)磷酸鈣的生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展,過(guò)磷酸鈣成為常用的肥料產(chǎn)品,取代了石膏,因?yàn)椴徽撌菃为?dú)施用過(guò)磷酸鈣還是與硫酸銨、硫酸鉀等混合施用,比施用石膏有更好的農(nóng)學(xué)效果。第三個(gè)時(shí)期是1899 年俄羅斯化學(xué)家Bogdanov S.M.提出了天然供應(yīng)的硫能否滿足作物需要的問(wèn)題,3 位英國(guó)農(nóng)學(xué)家Dymond、Hughes 和Jupe 通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了驗(yàn)證,而且越來(lái)越多的研究證明硫缺乏現(xiàn)象是普遍存在的,硫是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,人們也逐漸認(rèn)識(shí)到施用硫肥的重要性和必要性。

施用硫肥可顯著提高作物產(chǎn)量。 近年來(lái),施用硫肥的增產(chǎn)作用在不同地區(qū)、不同作物上得到了驗(yàn)證,尤其在缺硫土壤上。 謝迎新等[9]對(duì)比了不同施硫量和施氮量對(duì)冬小麥的氮素利用效率及產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明硫素供應(yīng)顯著增加了小麥中氮素的積累,在不同施氮量條件下,施用硫肥可提高小麥籽粒產(chǎn)量4.9%～18.3%。 李飛[10]對(duì)比了不同施硫量對(duì)玉米的影響,結(jié)果顯示與不施硫處理相比,施用硫肥的玉米增產(chǎn)率為5.1% ～17.7%。 劉光榮等[11]對(duì)水稻的研究結(jié)果表明,施用硫肥后水稻產(chǎn)量可提高5.1%～9.9%。 李玉穎[12]驗(yàn)證了在黑龍江黑土上施用硫肥對(duì)大豆的影響,發(fā)現(xiàn)在薄層黑土和草甸黑土上施用硫肥,大豆可增產(chǎn)3.4%～18.2%。 吳德淮等[13]對(duì)比了不同施硫量對(duì)花生產(chǎn)量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用硫肥可使花生增產(chǎn)12.1%～15.0%。 周學(xué)軍[14]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施用硫肥可使油菜增產(chǎn)5.34%～14.93%,平均增產(chǎn)9.82%。 在生姜上施用硫肥也能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn),增產(chǎn)幅度為0.9%～6.6%[15]。 施用硫肥還能顯著提高馬鈴薯、大蒜、大白菜、番茄、西瓜、洋蔥、甘蔗、棉花、烤煙等作物的產(chǎn)量[16-24]。

施用硫肥還可顯著提升作物品質(zhì)。 黃界潁等[25]的研究表明:施用硫肥可促進(jìn)小麥對(duì)硫、氮的吸收,提高籽粒中硫、氮、粗蛋白和氨基酸的含量;與對(duì)照相比,施用硫肥處理的絲氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了5%,天冬氨酸、蘇氨酸等氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了10%以上,施用硫肥改善了小麥品質(zhì)。邵帥等[26]評(píng)價(jià)了施用硫肥對(duì)玉米品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)在施硫量不超過(guò)120 kg/hm2時(shí),玉米籽粒中蛋白質(zhì)、脂肪的含量隨著硫肥用量的增加而提高,淀粉含量隨著硫肥施用量的增加而下降。 司賢宗等[27]在花生上的試驗(yàn)結(jié)果顯示,施用硫肥可使花生蛋白產(chǎn)量和脂肪產(chǎn)量分別平均增加19.4%和19.2%。 吳萍萍等[28]的研究結(jié)果顯示,施用硫肥可明顯提高粗蛋白、還原型維生素C、還原糖、姜精油和姜辣素的含量,降低硝酸鹽的含量。 王少先等[19]在番茄上的研究結(jié)果顯示,施用硫肥提高了番茄果實(shí)中維生素C 的含量和可滴定酸的濃度,但降低了可溶性糖、固形物、蛋白質(zhì)等的含量。胡芳[29]對(duì)新疆白蒜的研究結(jié)果顯示,與對(duì)照相比,施用硫肥處理的還原性糖、氨基酸總量、維生素C 和碳水化合物的含量最大增幅依次為61.34%、58.9%、 21.50% 和25.76%。 崔憨厚等[30]的研究表明,施用硫肥處理的甜菜含糖率提高了0.5% ～1.0%, 產(chǎn)糖量增加了19.7% ～21.2%。 孫義祥等[31]在棉花上的研究結(jié)果顯示,施用硫肥可改善棉纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度和整齊度等品質(zhì)指標(biāo),明顯提高了棉花的品質(zhì)。

2 硫與動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)

動(dòng)物生產(chǎn)的最終產(chǎn)品如毛、肉和奶等,均富含蛋白質(zhì),因此需要大量的硫營(yíng)養(yǎng)輸入,硫的供應(yīng)對(duì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)和畜牧生產(chǎn)有重要意義。

硫是動(dòng)物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,約占動(dòng)物體質(zhì)量的0.25%[32];尤其在動(dòng)物的毛、角、爪中硫含量較為豐富[33]。 硫分布在動(dòng)物體內(nèi)各個(gè)細(xì)胞中,主要存在于含硫氨基酸、含硫維生素、黏多糖、輔酶、纖維蛋白原和谷胱甘肽中,具有以下幾方面的營(yíng)養(yǎng)功能。

硫參與微生物菌體蛋白的合成。 菌體蛋白又稱微生物蛋白、單細(xì)胞蛋白,但不是純的蛋白質(zhì),而是由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、核酸及含氮化合物、維生素和無(wú)機(jī)化合物等組成的細(xì)胞質(zhì)團(tuán)。反芻動(dòng)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來(lái)生產(chǎn)菌體蛋白,進(jìn)而滿足動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)的需求[33]。

硫參與角蛋白的合成。 角蛋白為外胚層細(xì)胞的結(jié)構(gòu)蛋白,是構(gòu)成毛發(fā)、角、爪和皮膚外層的主要蛋白質(zhì)。 硫的補(bǔ)充對(duì)保障動(dòng)物皮、毛、角和爪的正常生長(zhǎng)有重要作用,如硫在綿羊毛中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為2%～5%,其中90%～99%的硫存在于胱氨酸中;如果動(dòng)物缺硫,將造成食欲下降、消瘦,產(chǎn)毛量降低,毛生產(chǎn)不良、長(zhǎng)短不齊;有資料顯示,向綿羊的日糧中補(bǔ)喂硫營(yíng)養(yǎng),可使其活重增加12%,剪毛量提高16%[32-34]。

硫可促進(jìn)肝臟內(nèi)蛋白質(zhì)和核糖核酸的生物合成。 相關(guān)研究表明,向豬的日糧中每天添加硫酸鈉5 g/頭,平均日增重較對(duì)照組提高7%～10%;在雛雞、肉用鴨仔的飼料中補(bǔ)充硫酸鈉,也能明顯提高其肝臟中蛋白質(zhì)和核糖核酸的含量[34]。

硫可促進(jìn)動(dòng)物對(duì)飼料物質(zhì)的消化代謝。 動(dòng)物日糧中硫的含量直接影響瘤胃發(fā)酵參數(shù)、微生物活力等,進(jìn)而影響動(dòng)物對(duì)飼料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化與代謝[35]。 研究表明:飼料中補(bǔ)充硫營(yíng)養(yǎng)可以提高秸稈的消化率;當(dāng)硫的添加量從0.11%提高至0.46%時(shí),有機(jī)干物質(zhì)、粗蛋白等的表觀消化率呈線性增加趨勢(shì)[32]。

另外,硫在胱氨酸的生物合成、?；撬岬暮铣?、維生素的產(chǎn)生、參與體內(nèi)解毒過(guò)程等方面均有重要的作用[32-33,36]。

3 硫與人體健康

硫是人體中不可缺少的常量元素之一,是人體內(nèi)第八大豐富的元素。 硫主要在以下幾個(gè)方面對(duì)人體發(fā)揮重要的作用。

硫是人體不可缺少的“天然美容產(chǎn)品”。 硫參與角蛋白的合成,是構(gòu)成人體毛發(fā)、指甲和皮膚外層的主要蛋白質(zhì),可促進(jìn)毛發(fā)的生長(zhǎng),保護(hù)指甲使指甲健康亮澤,還可減少灰指甲等疾病的發(fā)生。硫還參與膠原蛋白的合成,膠原蛋白可保持肌膚水分,使皮膚富有彈性[37]。

人體的心臟等內(nèi)臟中含有硫蛋白,因這些硫蛋白中含有鋅、銅等金屬物質(zhì),常被稱為金屬硫蛋白。 金屬硫蛋白可以與重金屬離子配位結(jié)合成無(wú)毒或低毒的絡(luò)合物,起到解毒作用。 金屬蛋白在減輕自由基和電離輻射對(duì)人體造成的傷害、對(duì)部分酶的激活、參與人體發(fā)育過(guò)程的調(diào)節(jié)以及抵御環(huán)境脅迫等方面有重要的作用[38]。

蛋氨酸和半胱氨酸是人體所必需而自身又不能產(chǎn)生的兩種氨基酸,需要從飲食中攝入。 硫參與蛋氨酸和半胱氨酸等含硫氨基酸的合成,進(jìn)而供人體吸收利用。 蛋氨酸等含硫氨基酸的攝入量不足會(huì)削弱人體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的能力,改變甲基基團(tuán)對(duì)其他合成途徑的有效性,同時(shí)會(huì)減少葉酸的生成,長(zhǎng)期缺乏蛋氨酸和葉酸會(huì)降低人體處理化學(xué)毒性的門檻,可能與結(jié)直腸癌和乳腺癌的發(fā)生有關(guān)[39]。

硫參與谷胱甘肽的合成。 谷胱甘肽是重要的抗氧化劑之一,可以抑制其他分子的氧化,進(jìn)而阻止細(xì)胞損傷。 谷胱甘肽也被稱為身體“有毒廢棄物清理隊(duì)”的重要成員,可以有效預(yù)防被動(dòng)吸煙、電磁輻射等對(duì)人體帶來(lái)的不良影響[37]。

硫還是胰島素生產(chǎn)的必要成分,另外硫在治療關(guān)節(jié)炎、糖尿病等疾病,提高腸胃的消化與吸收能力,增強(qiáng)人體抵抗力,預(yù)防癌癥,促進(jìn)人體新陳代謝等方面也起著重要作用[37-39]。

4 強(qiáng)化植物硫營(yíng)養(yǎng)

人體主要通過(guò)飲食途徑攝入硫,雖然現(xiàn)在對(duì)人體攝入硫的量沒有明確的推薦數(shù)據(jù),但相關(guān)資料顯示,體質(zhì)量為70 kg 的男性,每日最低含硫氨基酸攝入量為910 ～1 120 mg[39]。 對(duì)各種食物的含硫氨基酸含量進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn),與肉類、蛋類相比,許多植物衍生食品中蛋氨酸和半胱氨酸的含量相對(duì)偏低[39]。 因此,強(qiáng)化植物硫營(yíng)養(yǎng),提高動(dòng)植物體含硫氨基酸含量,對(duì)保障人體健康有重要作用。

隨著全球硫缺乏的日益嚴(yán)重,硫肥施用是補(bǔ)充硫營(yíng)養(yǎng)、滿足作物需求的重要途徑。 相關(guān)研究表明,全球范圍內(nèi)的谷物類作物的硫肥利用效率僅為18%,且有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)[40]。 較低的硫肥利用效率嚴(yán)重影響了植物體內(nèi)硫含量的提高,也給人體健康帶來(lái)了潛在的威脅。 因此,需合理使用硫肥,并提高硫肥的利用效率,強(qiáng)化動(dòng)植物體的硫營(yíng)養(yǎng)。

導(dǎo)致硫肥利用效率低的原因主要有以下幾個(gè)方面[40]:①淋洗損失。 硫酸根離子是作物吸收利用硫元素的主要形態(tài),但硫酸根離子在土壤中非常容易發(fā)生淋洗損失,淋洗損失量與土壤性質(zhì)、硫的施用形態(tài)和施用量、降雨量等因素有關(guān)。 ②吸附與固定。 硫的吸附與固定很大程度上取決于土壤酸堿性,在鋁、鐵含量較高的酸性土壤上,硫吸附與固定量較高,而在pH＞7 的土壤上,硫的吸附和固定量較低。 因此,調(diào)節(jié)土壤的pH 在合適的范圍內(nèi)可以有效提高硫的利用效率。 ③硫肥的施用時(shí)間、施用方式、施用量、施用形態(tài)不當(dāng),也會(huì)降低硫肥的利用效率。

針對(duì)不同地區(qū)、不同作物、不同氣候甚至不同施肥習(xí)慣等采取不同的硫肥施用策略,需要綜合考慮以下幾方面的因素[41]:①土壤性質(zhì)。 如在鹽堿地等堿性土壤上,施用單質(zhì)硫肥效果較好。②作物需求。 有的作物生長(zhǎng)前、中期對(duì)硫的需求量較大,在硫肥施用時(shí)要優(yōu)先考慮含硫酸根形態(tài)的硫肥供應(yīng)。 ③氣候條件。 在高降雨量地區(qū),單獨(dú)施用含硫酸根形態(tài)的硫肥時(shí),淋洗損失風(fēng)險(xiǎn)較大,也不易滿足生物全生育期對(duì)硫的需求。 ④期望產(chǎn)量水平。 期望的產(chǎn)量越高,作物帶走的硫養(yǎng)分就越多,因此需要投入較多的硫肥。 ⑤硫肥特性。 目前市場(chǎng)上有單質(zhì)態(tài)硫肥、含硫酸根形態(tài)硫肥、含有機(jī)硫硫肥等,不同硫肥中硫的養(yǎng)分釋放等功能不同,需根據(jù)不同土壤、氣候等條件來(lái)選擇適合的硫肥。 ⑥元素互作。 相關(guān)研究證明,硫與氮、硫與磷等同時(shí)施用,可以有效提高植物對(duì)氮、磷、硫等養(yǎng)分的吸收利用,提高養(yǎng)分的利用效率。⑦社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。 肥料的價(jià)格、肥料施用習(xí)慣以及產(chǎn)投比也是影響農(nóng)戶選擇和施用含硫肥料的重要因素。

5 結(jié)語(yǔ)

硫是動(dòng)植物與人體不可缺少的元素之一,硫肥施用是強(qiáng)化動(dòng)植物硫營(yíng)養(yǎng)和保障人體健康的重要途徑。 應(yīng)基于不同土壤、氣候、作物條件,結(jié)合不同硫肥特性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,考慮選擇適宜的硫肥種類、施用形態(tài)、施用量、施用方式和施用時(shí)間,實(shí)施科學(xué)施肥,從而提高硫肥的利用效率,促進(jìn)植物對(duì)硫的吸收利用,強(qiáng)化動(dòng)植物和人體的硫營(yíng)養(yǎng)。