中微量元素与植物营养和人体健康的关系
作者：刘建明(—)，男，研究员，主要从事矿物学、地球化学以及土壤肥料方向的研究；jmliu
mail.igcas.ac.cn本文节选自《中微量元素与植物营养和人体健康的关系》，原文刊登在《化肥工业》年第4期。
摘要：植物体中已发现的化学元素有70多种，除碳、氢、氧和氮、磷、钾之外，其余被统称为中微量元素。所有的中微量元素都是来自土壤矿物质，归根结底都是来自成土的母岩，因此又经常被称作矿物质元素。随着化学农业的发展和数十年持续高产，致使土壤中的矿物质营养元素消耗殆尽，中微量元素可能是今后提高作物产量和品质的关键因子。中微量元素肥料可划分为水溶性和枸溶性两大类，各有特色，各有优缺点。植物、动物、人类都需要矿物质微量元素，但必须是适当的数量和适当的比例，如果超过或低于其适量范围，则可能产生其特有的负面效果。
目前，植物体中已发现的化学元素有70多种，其中碳、氢、氧、氮、磷、钾以及钙、镁、钠、硫、硅等11种元素含量较高，占植物体活性基质的99.95%，其余60多种元素（如硼、铁、锌、锰、铜、钼、硒等）的含量甚微，总共仅占0.05%，这些元素就是所谓的微量元素。所有的中微量元素都是来自土壤矿物质，归根结底都是来自成土的母岩，因此又经常被称作矿物质元素养分（当然，矿物质元素还包括磷和钾）。土壤含有的中微量营养元素的有效浓度是土壤肥力水平的重要指标之一。
早在年，德国化学家李比希建立了植物的矿物质营养学说，确认植物的原始养分只能是土壤中的矿物质元素。年，美国参议院第号文件指出，天然土壤可提供多达80种以上的矿物质营养元素，使植物能正常生长代谢，还帮助植物增强抗性。
但化学农业滥用氮磷钾化肥、过度高产，致使土壤中的矿物质营养元素消耗殆尽。尤其在我国，由于地少人多、数十年长期持续高产，掠夺性地消耗了土壤中的中微量元素矿物质养分，不仅破坏了我国农作系统的可持续性，降低了耕地支撑高产的能力，而且使植物病变增多、农产品品质下降、氮肥利用率下降（加剧农业立体污染）。
结果正如诺贝尔奖得主Carrel以及Pauling所说：“土壤中的矿物质控制着植物、动物和人的新陈代谢，土壤的肥沃程度决定了所有生命的健康程度，人类的每一种疾患、每一种病痛都可以追溯到矿物质的缺乏上去。”
目前认为，微量元素在植物体内多为酶的组成成分。酶是由生物体内活细胞合成的、具有高效催化作用的蛋白质类高分子有机化合物，是生物体内多数化学反应的高效催化剂，具有各种各样的生理生化功能，酶能通过降低活化能加快化学反应的速度。酶具有专一性，一种酶只能催化一种或一类反应。除此以外，酶还具有高效性、温和性。
就单个微量元素来说，在植株体内一定的新陈代谢过程中，有着通常所说的“八仙过海，各显神通”的本领。正是由于一些微量元素对作物新陈代谢的影响相同或相似，就构成了某些微肥试验中，常出现2种或2种以上元素同时施用时，对单位面积产量及品质的提高未能产生增补效应的理由之一，并可用以解释因缺乏不同的微量元素却使作物出现类似病害症状的原因。
微量元素与植物营养和人体健康的关系
根据对植物生长发育所起到作用，土壤中的80多种矿物质元素，既有植物生长必需的元素，也有植物生长有益的元素，还有对植物生长有毒害的元素。重金属汞、铅、钨、铝等就属于对植物生长有毒害的元素，其中汞、铅等对植物有剧毒；钨对固氮生物有毒，因其竞争性地抑制钼的吸收；铝含量多时可抑制铁和钙的吸收，强烈干扰磷代谢，阻碍磷的吸收和向地上部的转运，抑制根的生长。
其实，元素有益还是有害，生命需要还是不需要，这都是相对的，而不能将其绝对化。过去认为对生命不是必需的或有毒的元素，可能在现在或将来会发现是有益的或生命所必需的。即使是现在已经确定是生物营养所必需的元素，也有一个维持机体正常生理功能所需要的适当数量范围，不足可以引发缺乏病症，过量又会产生中毒。
例如，众所周知，铬是公认的有毒有害重金属元素之一，然而铬是人和动物所必需的一种微量元素，躯体缺铬可引起动脉粥样硬化症；铬对植物生长有刺激作用，可提高收获量；但如含铬过多，对人和动植物都是有害的。由于铬参与细胞的一系列组成，所以微量铬可以提高植物体内酶的活性，并可增加叶绿素、有机酸、葡萄糖和果糖的含量，加速植物生长，增强植物对疾病的抵抗力和提高作物的产量。
试验显示，当土壤铬含量低时，添加微量铬可刺激植物生长，提高产量。这表明铬在植物体内具有一定的生物生理功能。但当土壤中含铬过量时，无论是Cr3+或Cr6+，对植物都能产生毒害作用，这些植物由于铬的毒害而发生不同程度的减产，其具体表现为降低作物的发芽率、引起作物叶片失绿、阻碍作物根的延伸、减少作物根的数量。
因此，必需元素、有益元素和有害元素之间并没有明显的界限。任何一种元素对植物的作用不仅取决于其化学性质，还取决于其浓度以及与其他元素的比例关系是否适合该种植物在一定生长年龄时的平衡需求或耐受能力。
目前就有不少专家提出，镍、硅、钴、钠等元素也是植物必需的营养元素。喜硒植物中有大量硒的富集，缺硒就不能正常生长发育；有的低等植物还需要钒、镓、锗和钨，但却没有证明所有植物都需要它们。
我国的稀土元素资源量极为丰富，因此20世纪80年代生产出了稀土元素肥料，农业使用效果很好，能够大量增产，增产率通常可达20%～40%。然而30年后发现，人体长期低剂量摄入稀土元素，可能会给人体健康或体内代谢产生不良后果，包括影响大脑功能、加重肝肾负担而导致肝脏组织变化、影响女性生育功能等；高于2mg/kg剂量的农用稀土能通过胎盘屏障引起肝细胞和红细胞的DNA损伤。结论是，植物和人类都需要稀土元素，但需要量不能超过一定的浓度范围，而且稀土元素与其他元素的比例必须适当。
可见，植物、动物、人类都需要矿物质微量元素，但必须是适当的数量和适当的比例。如前所述，植物体内检测出的70多种元素，只要被植物适量吸收，大都有可能对植物的正常生长产生其特有的正面效果；但如果超过其适量范围或者低于其适量范围，则可能产生其特有的负面效果。目前，我国土壤中的中微量元素失衡严重，造成我国土壤日益贫化、农产品质量不断下降，国民身体也因为缺乏中微量元素的“隐形饥饿”而导致越来越多的病症发生。
图1.人体血液与地壳中元素含量的相关性
那么，怎样的微量元素提供量才是“适量”的？有没有一个基本原则？有没有一个原则性的解决方案？显然，自然情况千变万化、植物生长千差万别，很难给出统一的答案，只能是具体情况具体分析。但是，我们认为可以给出一个原则，那就是植物几亿年在土壤中演化至今，只有与天然土壤的正常提供量和正常比例（指元素之间的正常比例）相近，才是最“适量”的。
如图2所示：地壳元素组成
结语
众所周知，土壤是农业生产的物质基础，是植物营养的提供者。植物含有70多种元素，其中的绝大多数就来自于土壤；土壤含有80多种元素，成为植物营养体系平衡的基础；同时，土壤还构成植物根系吸收养分的环境和条件，土壤的理化性状制约着养分的有效利用率。
植物所吸收的养分一部分来自于土壤（土壤的自然肥力），一部分来自于人工施肥，人工施肥只是为了补充土壤自然肥力不足的部分（相对于人类期望的目标产量）。化学农业时代的人工施肥重点