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植物健康营养理论与健康元素

花匠小妙招
2024-09-15 20:46

自1840年德国化学家李比希 (Justus Von Liebig) 提出矿质营养学说[1]以来，人们对植物营养元素的研究一直没有间断，1939年，美国加里福尼亚大学农学院的Arnon和Stout提出植物必需元素的三条原则[2]，使得人们对植物营养元素的研究主要限定在植物本身的生长发育方面，尽管1960年英国布里斯托尔大学 (University of Bristol) Long Ashton试验站的Nicholas提出了稍宽泛的植物必需元素标准[3]，然而，这些研究主要是针对植物本身的生长发育。众所周知，在地球的食物链上，植物处在食物链的最下端，其自身的物质组成也严重影响上端生物的营养质量[4]。很早就有人提出了食物链中矿物质元素[5]，特别是矿质微量元素在人和动物健康中的重要性[6-7]。随着公众对健康水平期望值的提高，通过食用富含某种元素的植物来获得人体健康必需的元素或成分被认为是绿色安全的方式，这种方式越来越受到大众的追捧。以人体必需的元素硒为例，市场上出现了很多富硒农产品，如富硒苹果[8]、富硒大米[9]、富硒茶叶[10]等。这些富硒食品从一开始主要靠发掘富硒土壤带生产的植物产品[11]，发展到通过人工施用含硒化合物来增加农产品中的硒含量[12]。植物营养的概念已经超出经典的范畴。如何通过栽培措施补充植物体内的健康元素，提高农产品健康质量，这是农业生产必然面临的问题。在目前的生产实践中，主要存在两种管理方式，即区域优势栽培和添加栽培，也有人将二者结合应用。所谓区域优势栽培就是指在天然健康元素含量高的区域进行植物栽培。这里我们把土壤中健康元素含量高的区域称为优势区域，如果在这些区域种植作物，作物体内的健康元素可能会含量较高，在这些区域种植的作物，即为天然的含健康元素高的作物。因无需进行人工施健康元素肥处理，这样可节省很多成本。

添加栽培就是通过向植物施用含有健康元素物料的方法，以提高植物体内健康元素含量。特别是在土壤健康元素含量较低的地区为了提高植物体内健康元素含量，通过施肥或喷洒矿质健康元素，以提高植物体内健康元素的方法称为添加栽培。已有研究表明，添加栽培获得的产品在所关注的营养有效性方面与优势区收获的产品几乎没有差别[13]。

经典植物营养的研究主要是针对植物自身完成生命周期必需元素的研究，但目前一些植物非必需营养元素的研究也被列入该范畴[14]，所以，对传统植物营养理论的补充与更新十分必要。通过对植物中非必需元素 (含有益元素) 的社会需求，分析植物中必需营养元素和非必需元素对人和动物的营养作用，揭示植物非必需营养元素的健康营养理论，阐明植物非必需营养元素在植物营养中的作用与地位，为功能性农产品或健康农产品的栽培提供理论依据。

1. 扩展植物营养理论的迫切性

在自然界，人和动物的生长代谢过程除需要来自于植物提供的如淀粉、脂肪和蛋白质外，还需要吸收一定量的植物中的矿质元素，如钙、镁、铁、锌等。然而，植物和动物所需的矿质营养元素存在一定的差别[15-16]。植物必需微量元素有7种，即铁、硼、锰、锌、铜、钼、氯等；而人体和动物必需的微量元素已被确认有18种，即铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷等[17-18]。日常生活中的营养食品、保健食品中最常见和较多人群缺乏的矿物质有5种，包括硒、锌、钙、铁和碘[19-20]，与植物必需的微量元素也不完全吻合。过去人们在植物栽培过程中，主要关心对植物生长必需的营养元素，目的是为了获得更多的植物产品，很少关心对植物完成生命周期有作用和不起作用的非必需营养元素。一般将“为植物提供必需营养元素的物料称为肥料”[21]，而不能为植物提供必需营养元素的物料排除在肥料之外。

在地球的物质循环和能量流动中，植物通过光合及其代谢作用，将无机物质转化为有机物质，并将太阳能转化为化学能存储在植物体内[22]。而动物 (包括人，下同) 则利用植物中的化学能，通过代谢维持其物质能量需求，同时，还需要一定量的矿质元素和维生素维持其生命活动[23]。动物在其生理代谢中，存在于动物体内的各种元素，除碳、氢、氧、氮主要以有机化合物的形式出现外，其余各种元素无论其含量多少，统称为矿物质或矿质元素[24]。大部分矿质元素来源于食物链下端的食物，但有少部分必须以矿质元素的形式进行补充。最典型的就是食盐，用以补充生命代谢所需的钠离子和氯离子。草食性动物尤为明显[25]。因为钠不是植物的必需营养元素，有时它对植物的生命活动也有一定的益处，所以称为有益元素[16]。如前所述，有些元素如硒，它对人体的代谢有十分重要的作用，由于需要量有限，很少有人直接食用硒酸或亚硒酸，因为稍有过量，则会对人体有害、甚至到有毒。一般试图通过植物源进行补充[26]，对此未有剂量过高致毒致害的报道。对植物本身而言，只要营养元素能满足植物生长发育所需，植物则能完成其生长周期，繁衍生息。但对食用栽培植物而言，除适当补充其完成生命周期需要的养分之外，同时补充供给对动物和人体健康有益的元素，可以大大提高栽培植物的市场价值和营养价值，仅考虑植物本身的生长发育而不考虑对食物链上端生物的健康，则有欠缺。近年来，随着人们对健康的重视，市场上出现了很多通过外源补给生产富积目标元素的植物性食品[27]，如富硒农产品，富锌农产品等。为了提高农产品中的硒含量，人们也将含硒物料用于农作物，而农作物也以被动吸收的形式，将这些元素吸收在植物体内[27]，一些研究和报道直接将其称为“肥料”，如硒肥、稀土肥等。在传统植物营养学中，对植物的管理都是依据植物代谢所必需或有益的矿物质营养元素进行管理 (施肥) 的，较少涉及植物非必需营养元素。从以上分析可以看出，就栽培植物而言，对植物本身没有营养作用的元素，如果对其上端生物有营养作用，从整个食物链水平上看，也应该给植物补充这些元素，以保证整个食物链的健康[28]。特别是对人和饲养动物十分必要。

2. 健康营养理论

2.1 基本定义

根据目前植物营养学的几个基本学说，如矿质营养理论、最小养分率、限制因子率等主要是针对植物本身营养而言的。从整个食物链的角度，作为食物链最低端的植物，需要对食物链上端的生物提供必要的营养，特别是对人和饲养动物。因此，有必要将目前保证植物本身生长发育所需的矿质营养元素扩展为保证食物链营养特别是人和饲养动物所需的矿质营养元素。所以，植物健康营养理论可定义为“在不影响植物正常生长发育的条件下，通过植物的吸收而补充给以植物为主要食物的人和动物对矿质营养元素的需求，以使人和动物健康生长。我们把这种针对人工栽培食用植物的营养理论称为健康营养理论”。注意，这里所指的健康是指对人和动物的健康，不是指对植物本身的健康。

这里指出，栽培作物的健康营养理论是针对人工栽培的食用植物而言的，这里所指的“健康”主要是指以该植物为主要食物的生物的健康，特别是人和饲养动物，但施用的某种物质，不能有损植物健康。健康营养理论是对目前植物营养理论的扩展和补充，如果说矿物质营养理论仅考虑植物本身的生长发育，则健康营养理论除考虑到植物本身的生长发育外，同时考虑到了以植物为食物的生物的健康需求，特别是通过作物栽培措施以满足整个食物链上生物的营养需求。

2.2 健康营养理论的意义 2.2.1 扩展了植物营养的范畴

目前证明，植物必需的营养元素有17种，即碳 (C)、氢 (H)、氧 (O)、氮 (N)、磷 (P)、钾 (K)、钙 (Ca)、镁 (Mg)、硫 (S)、铁 (Fe)、铜 (Cu)、锌 (Zn)、锰 (Mn)、硼（B）、钼 (Mo)、氯 (Cl) 和镍 (Ni)，同时把钠 (Na)、硅 (Si)、钴 (Co) 等列为植物的有益元素[16]。但是，还有一些元素，既不是植物的必需元素，也不是植物的有益元素，但是，它是动物的必需元素，且对以植物为主要食物来源的动物健康有益，这种元素一般不在传统植物营养的研究范围内。但是，这些元素必需要靠植物的吸收才能满足动物健康需求。所以，健康营养理论扩大了植物营养学的范畴，将植物可以吸收传递的、对整个食物链营养有益的元素均涵盖在植物营养的范围内。

2.2.2 充分考虑到了人和饲养动物的健康营养

人类的主要食物来源是粮食，除部分人体需要量大的矿质元素需要通过盐的形式 (如钠) 来补充外，大部分矿质元素都是通过植物来补充的，如硒、碘等元素。这些元素对植物营养本身不起作用，主要是靠植物从土壤中吸收，然后再传递到人体或动物体内。由于这些元素需要量极少，它在人体或动物体内的适宜浓度范围也十分小，通过无机盐的形式补充极易过量，所以，通过植物吸收传递的方式进行补充则会安全很多。因此，人们在栽培植物时，除了需要考虑植物本身的健康外，考虑到以植物为主要食物的人类和动物的健康也是十分必要的。健康营养理论将营养目标从单一的植物扩展到了植物、动物和人类，把整个食物链的健康作为植物营养管理的目标。

2.2.3 为健康栽培提供了理论基础

从目前农业栽培的实践和人类对食物的健康需求来看，以营养整个食物链为目的的栽培方式已出现，如富硒栽培、富锌栽培等，这些栽培方式都不能在植物营养学科中找到自己的理论依据。如果把植物营养理论扩展到健康营养理论，则以提供人类或饲养动物健康食品为目的的栽培方式可称为健康栽培，这样，富硒栽培、富锌栽培都可纳入健康栽培的理论范畴。以后更多的以提供人类或动物健康食品为目的的栽培方式，特别是通过植物吸收矿质元素的方式达到食物链健康的栽培管理方式都可称为健康栽培。

3. 健康元素

3.1 健康元素的定义

目前，在植物营养学中，把植物需要的矿质营养元素分为必需营养元素 (essential elements) 和有益元素 (beneficial elements)[16]。必需营养元素是指符合Arnon等提出的3个标准的植物营养元素[2]，而有益元素则是对植物生长发育有帮助的元素，不一定是植物生长所必需，但要参与植物的代谢[3]。对影响植物生长发育以外的元素均没有考虑。根据健康营养理论，只要对整个食物链有营养作用的元素均纳入了栽培植物营养的考虑范围内，所以，这里将“不具备植物营养功能，但对整个食物链，特别是对人和饲养动物有营养作用的元素称为健康元素 (health elements)”。

这里指出，在植物必需的营养元素和有益元素中，也有很多对整个食物链的健康是有作用的，但是，如果仅满足植物生长发育的需要量时，则不能满足食物链上端生物的需求，这就需要过量施肥，促进植物尽可能多地吸收，过去这种吸收称为“奢侈吸收”[29]。现在根据植物健康营养理论，这部分元素具有两重性，一是可满足植物生长的需求；二是过量部分满足人和动物的健康需求。因此，在这类元素的管理上，把满足植物自身需求以后的“过多”施肥也可以纳入健康栽培的范畴，所以，在健康栽培中，有时也可能包括植物的必需元素与有益元素，在这些元素满足植物自身生长发育所需数量之后，为了满足食物链上端生物的需要，而对植物进行的“过量”施肥是有意义的。

3.2 健康元素的意义 3.2.1 扩展肥料的定义

肥料，是以提供植物营养元素为主要功能的物料[30]。传统肥料定义中的植物营养元素仅包括植物必需元素和有益元素，其它元素不包括在肥料之列[31-33]，也可以认为没有包括植物必需元素和有益元素的物料不能称为肥料，健康元素概念的提出，扩展了植物营养元素的范围，即对植物没有营养作用，但对食物链上端生物有益的元素也纳入了植物营养管理的范围，这样可能会进一步扩展“肥料”的定义。目前已有很多人将健康元素称为肥料，如硒肥等[34-35]，只是没有理论依据而已。

3.2.2 明确了植物营养元素的保健作用

在传统的植物营养学中，主要将营养元素的作用表现在维持植物生长发育方面，尽管对提高植物本身的抗性与健康有所涉及，但不是重点[22]。都以植物吸收的营养元素满足其自身生长发育为上限，当超过这个限度时，就将其称为“奢侈吸收”。但是，植物“奢侈吸收”部分的营养元素是否有保证植物健康、提高植物抗逆性的作用虽然已有研究，但还未形成体系[36]，健康元素概念的提出，明确了植物营养元素的这类作用统称为植物的保健作用。这与我们传统医学的概念[37]相一致。

3.3 健康元素的种类

根据矿质元素的作用对象，可将健康元素分为营养健康元素和非营养健康元素两类。

营养健康元素是指它本身是植物必需的营养元素，同时对食物链上端生物也有重要保健作用，这类矿质元素称为营养健康元素。营养健康元素的作用实际上分为两部分，一部分是营养植物体本身的作用；另一部分作用是当满足植物生长发育时，其含量不能满足食物链上端生物的健康需求，需要植物“过多”吸收一部分，以满足食物链上端生物的健康需求，如锌元素，此类元素既具有植物必需营养元素的作用，又具备健康元素的特征，我们将这类元素称为营养健康元素。

非营养健康元素是指其对植物本身的生长发育没有营养作用，仅对食物链上端的生物有健康作用，我们将这类元素称为非营养健康元素。如硒元素，植物本身的生长发育不需要它，但以植物为食物来源的生物，特别是人和饲养动物，如果人缺乏硒元素，可能会导致一系列健康问题，很多人都认为，通过植物吸收土壤硒，满足人和动物的需求，是补充人和动物硒营养的最佳途径[28]。

这里指出，对于健康元素而言，无论是营养健康元素还是非营养健康元素，它在管理方式上也与植物必需营养元素的管理存在着很大差别，植物必需营养元素的管理是满足植物本身的营养需求，对植物而言，适量即可，过少，会影响植物生长发育，过多则会造成资源利用效率下降。但对健康元素而言，则需要在不影响植物生长发育的前提下，尽可能提高植物体内健康元素含量，以满足食物链上端生物的健康需求。

目前可认定的营养健康元素有钙、镁、锌、铁、铜等。非营养健康元素有硒、碘等。

4. 植物健康营养理论的实践

这里把健康营养理论的实践称为健康栽培。根据社会、科学的发展，人们对健康的要求越来越高，对食物的要求除满足基本能量需求外，更加注重食品的保健作用。所以，对食品中的矿质元素要求也越来越高，下面以非营养健康元素和营养健康元素的两个例子，来说明健康栽培的可行性与必要性。

4.1 富硒栽培

硒是人体必需的矿物营养元素之一，是谷胱甘肽过氧化物酶的成份[38]，有资料表明，目前全世界大约有10亿人处于硒营养不良状态[39]，如何补充人体硒的需求，主要有3种途径，一种是食用硒酸钠或亚硒酸钠，二是食用高硒保健品，三是食用富硒农产品[40]。植物中的硒含量与土壤硒含量关系密切[41]，由于我国大部分地区处于缺硒状态，所以通过施用含硒肥料、向植物喷洒含硒物质以提高植物含硒量的方法通称为富硒栽培。目前研究表明，通过喷施硒酸钠或亚硒酸钠可以提高苹果中硒的含量[42]。在目前的栽培实践中，人们不约而同地将施用到植物上的含硒物质通称为“硒肥”[34-35]。所以，尽管硒不是植物的必需元素，目前为止也没有发现其在植物生长发育中的必要性，同时根据肥料的定义，它也不能称为肥料，但是，由于它对人体的健康有良好的作用，不将其纳入植物营养的管理范畴，在实践中也是不可能的。

4.2 富锌栽培

锌是人体必需微量元素之一，在体内的含量仅次于铁居第2位[43]。世界卫生组织 (WHO) 估计，在全世界范围内，缺锌人口达20亿，每年因缺锌死亡的人口达80万，其中45万是5岁以下的儿童[44]。同时，锌是植物的必需营养元素，在植物栽培过程中，特别是在缺锌地区或缺锌的土壤上施用锌肥是一项重要的农艺措施[45]。但是，在土壤锌含量能满足植物正常生长发育的情况下，再施用含锌肥料提高农产品中锌的含量也有初步研究[46]，由此可见，为了弥补食物中锌的不足，减少在动物饲料中需要添加大量的锌[47]，采用富锌栽培的方法是一个重要途径。

5. 植物健康营养理论的学科边界与研究内容

植物健康营养理论涉及复杂的食物链与食物网，是以植物为基础的多学科交叉。但是，植物健康营养理论应有其自身的边界与研究内容。

5.1 植物健康营养理论的学科边界

植物健康营养理论是针对植物提出的，是以植物生长过程中吸收的健康元素为基础，将植物营养扩展到食物链上端生物健康领域的科学。所以，健康元素的种类应该由动物和人类营养学科提出，而健康元素在土壤中的形态、转化及植物有效性等，植物对健康元素的吸收、转运、代谢以及在植物体中形态、含量、分布等，健康元素的有效使用等应该由植物科学特别是植物营养学进行研究解决。

植物健康营养理论的核心是通过植物对矿质元素的吸收来保证人和动物的健康，所以，在这个理论中，植物健康高于动物健康。这是因为如果植物健康受到影响，植物本身不能健壮生长，则不可能保证动物健康。所以，在健康元素的施用方法和施用量上，是在不影响植物生长发育的前提下，可使植物尽可能多地吸收健康元素，以保证动物健康。

5.2 植物营养理论的研究内容

植物健康营养理论和健康元素的提出，扩展了植物营养的研究范畴。将通过植物吸收而传递到人或动物体内的动物必需矿质元素列为植物营养元素。然而对于传统植物必需营养元素而言，现代植物营养理论提出以后，人们对植物必需营养元素或有益元素进行了系统地研究。但对于植物非必需营养元素，也就是这里所提的健康元素，虽然有很多的研究，由于缺乏理论支持，很不系统，植物健康营养理论的提出，把健康元素纳入植物营养的范围，可使其研究更加系统、涉及面更加广泛。使植物营养的研究不再局限于植物本身，而是更加关注植物生产的目的与功能。所以，在植物健康理论的指导下，还有很多内容需要研究。

5.2.1 “奢侈吸收”与动物健康的关系研究

在植物生长过程中，当植物吸收的营养元素满足植物本身基本代谢以后，还会多余吸收营养元素，这种“奢侈吸收”现象在传统的植物营养学中认为是对养分资源的浪费，是应该避免的现象。但是，植物健康营养理论提出后，需要对植物的“奢侈吸收”进行重新研究与界定，对于营养健康元素而言，我们正是利用植物的“奢侈吸收”来保证动物的健康，提高植物的吸收效率则是健康栽培的重要研究领域。

5.2.2 非营养健康元素在植物体内的代谢

非营养健康元素虽然对植物的生长发育不是必需的，但不能认为其不参与植物的代谢作用。目前认为，硒在植物代谢过程中，有类似硫的作用，在植物体内的存在形式主要是硒代半胱氨酸及由硒代半胱氨酸组成的蛋白质[47]。还有，有人认为钒 (V) 有替代钼 (Mo) 的作用，溴 (Br) 有替代氯 (Cl) 的作用等[3]。可见，有些元素虽不是植物必需元素或有益元素，但它们可以参与植物的代谢，对健康元素也需要进行植物代谢的研究，这种研究的目的不是研究其植物的生理作用，而是了解健康元素在植物体内的转化过程，以便了解其形态对动物健康的重要性。

5.2.3 健康元素在食物链中的传递形式

目前可以证明，除钾以外，营养元素在植物体内都不是以离子状态存在的，要么形成有机化合物，要么与有机化合物结合。对健康元素而言也是这样，健康元素通过什么形态被吸收？植物体内的健康元素又是通过什么形态传递到动物体？以及什么形态的健康元素对动物最有效？这都是植物健康营养理论的重要研究范畴。

5.2.4 植物体内健康元素的含量阈值研究

既然健康元素需要通过植物传递到动物体内，它在植物体内有一个停留和代谢过程。众所周知，植物也是一个生命体，过多的矿质元素会对植物构成伤害，所以，对健康元素在植物体内的含量上限必须进行详细研究，就营养健康元素而言，既要保证食物链上端生物的健康，更要保证植物本身的健康。营养健康元素参与植物的生命代谢，需要“奢侈吸收”才能满足食物链上端生物的需要，而过多的“奢侈吸收”可能会影响其它营养元素的功能发挥。所以，健康元素与营养元素的互作研究也十分重要。过去人们研究植物营养元素代谢的重点主要集中于营养元素的作用及其机理，对“奢侈吸收”来说，大家往往认为是对营养元素的浪费，而在栽培过程中尽力避免。而对整个食物链的健康而言，特别是对健康元素而言，则需要加强植物的“奢侈吸收”。

5.2.5 健康元素的高效施用与管理

健康营养元素以微量元素为主，其高效施用离不开氮磷钾以及钙镁等元素的配合，如何在获得植物高效产品的同时，提高健康营养元素在植物收获部分的含量，减少其与植物必需营养元素可能的拮抗作用。还需要关注一些属于环境重金属的元素，如砷等的安全储存和施用。总而言之，健康元素的高效施用和管理必需纳入植物营养的研究体系。