土壤—植物营养—人体健康的关系
导读
土壤是由矿物岩石(母岩)风化而来的(如图1)，土壤固体的95%是矿物质，只有少部分(约2%)在风化成土作用过程中发生了活化，才成为植物的有效营养，并构成了土壤自然养分的重要部分
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种元素占植物体活基质的99.95%，其余60多种元素(如铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯等必需元素;如硅、镍、钴、硒、钠、钒以及稀土元素等有益元素;如铬、镉、铅、砷、汞、铝等重金属有毒元素)的含量甚微，总共仅占0.05%。
图1
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。”联合国儿童基金会日前发布的《2019年世界儿童状况：儿童、食物与营养》报告显示，全球有一半儿童存在“隐性饥饿”问题。
一、土壤-植物营养的关系
在土壤里面所能发现的矿物质和微量元素有73种之多，分为植物生长必需元素(图2)，有益元素(硅、镍等)，有毒害元素(汞、铅)。有些专家发表文章提出，镍、硅、钴、钠等也是植物必需的营养元素，有的低等植物还需要钒、镓、锗和钨，但未能证明所有植物都需要它们。
图2
(1)钨(W)对固氮生物有毒，主要表现在干扰钼的代谢,对生物体内的固氮酶、四连硫酸还原酶等钼酶的活性均有抑制作用，因其竞争性地抑制钼的吸收等;
(2)铝(Al)抑制铁和钙的吸收，干扰磷代谢，阻碍磷的吸收和向地上部的运转;铝过多的毒害症状系抑制作物根的生长，根尖和侧根变粗成棕色，地上生长部分受阻，叶子呈暗绿色，茎呈紫色;
(3)硒(Se)在喜硒植物中有大量富集，缺硒就不能正常生长发育;
(4)铬(Cr)是人和动物所必需的一种微量元素，铬参与细胞的一系列组成，躯体缺铬可引起动脉粥样硬化症;铬可以提高植物体内酶的活性，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。但如含铬过多，对人和动植物都是有害的。
(5)砷(As),试验证明微量砷(As)化物对某些植物生长有刺激作用，并能提高某些作物的品质。湖南省常宁县白沙的名产“白沙柑子”，其色泽鲜艳、气味芳香、酸甜可口;常宁县西岭产的生姜肉质细嫩、纤维很少、有特殊香味。据分析，这些都与土壤中砷的含量有关。
因此，矿物元素有益or有害，生命需要or不需，这都是相对的。目前认为对生命是不必需的或有毒的元素，可能未来会发现是有益的或生命所必须的。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“适当的数量”以及与其他元素的“合理的比例”关系是否适合该种植物在不同生长时期的平衡需求或耐受能力(图3)。
图3
二、土壤-人体健康的关系
研究表明，人体中的微量元素与地壳元素丰度呈正相关，这是土壤-植物-动物-人类的生物链传递结果。人们已经发现人体血液中有60多种化学元素，与地壳同种化学元素的分布之间具有明显的相关性(图4)。
图4
如果在某一地区地壳中的化学元素浓度超出了人体所适应的正常变动范围，就可能引起病变。
实例1：碘缺乏所引发的碘缺乏病(IDD)，发现了碘缺乏是我国人群甲状腺肿、克汀病的致病因素。
实例2：上世纪70年代，我国10个省的300多个县流行克山病，形成了一个从东北到西南的狭长型发病地带。在防治克山病工作中，首次发现硒缺乏是导致克山病的重要原因。
实例3:20世纪80年代含稀土元素肥料，使增产率通常可达20%以上。然而30年后发现，人体长期低剂量摄入稀土元素，可能会影响大脑功能、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。
总之，在这漫长的发生、进化历程中(图5)，植物、动物、人类都对地壳岩石圈的矿物质元素背景形成了紧密的依赖关系。尽管人们对微量元素的认识还很新，研究者们还是每一天都能发现它们的更多重要之处。譬如，机体要吸收钙，就必需要有微量元素硼。如果你不能从膳食中获得足够的硼，你的身体就不能吸收到食物、饮用水或补充剂中的钙。譬如，侏罗纪时代称霸地球表面的恐龙，因为一颗地外小行星撞击地球所带来过量的元素铱而突然灭绝。而适应高浓度铱的少量生物物种存活下来，然后演化成为目前地球的生物种群。
图5
三、结语
土壤-植物营养-人体健康关系链，应考虑一个系统问题，应从“正逆”双路径破题。正如尹雪斌研究员所说“让有益的营养素进入人体发挥功效，那么既需要对从岩石到人体有益物质流的传递过程进行正向研究，找到物质流传输规律，也需要基于人体对功能成分的实际需求逆向设计。”
土壤-植物营养-人体健康的基础研究已经引起了地球物理学家、生理学家、土壤学家、农业化学(肥料)家和农学家们的重视，以及畜牧学家、医学、卫生学、营养学与环境科学方面的专家们也给予了极大的关注，他们并围绕岩石-土壤-肥料-作物/动物-食品-人体，物质流传输规律与调控技术相关的关键科学问题开展研究，为早日拿出应对“隐性饥饿”’问题上的“中国方案”而砥砺前行。
