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对中微量元素肥的认识 ——写在中国无机盐工业协会中微量元素肥行业协会成立之际

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发布时间: 2016-01-12
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对中微量元素肥的认识 ——写在中国无机盐工业协会中微量元素肥行业协会成立之际

国家钙、镁、磷复合肥技术研究推广中心 主任   许秀成教授

郑州大学化工与能源学院 副院长    侯翠红教授

(E-mail: hou-cuihong@163.com)

一、 国家钙、镁、磷复合肥技术研究推广中心最早关注中微量元素

国家钙、镁、磷复合肥技术研究推广中心是1995年原国家科委成果司下达的首批30个“国家科技成果重点推广计划”研究推广中心之一。在20年前,我们郑州大学化工与能源学院(前身为化工部郑州工学院)就注意到磷矿中的钙、镁元素是与磷一样对人类、动物、植物重要的营养元素,大概这是国内最早关注中量营养元素的国家级研究推广单位。感谢中国无机盐工业协会邀请我们共同发起成立中微量元素肥行业分会。根据原国家科委成果司国科成字[1995]009号文,下达的正式名称为“钙、镁、磷复合肥技术研究推广中心”,所以,不是钙镁磷肥的技术研究推广中心,而是中量元素钙、镁及常量元素磷的复合肥技术研究推广中心。

二、 对人类、动物、植物中微量元素的论述

1、 对人类

根据《医学营养学》第一章第二节矿物质:

钙、磷、镁、钾、钠、氯、硫7种为常量元素。

微量元素根据FAO/IAEA/WHO三个国际组织专家委员会分为三类:

● 人体必需微量元素8种:铁、锌、碘、硒、铜、钼、铬、钴;

● 人体可能必需的微量元素5种:锰、硅、硼、钒、镍;

● 具有潜在的毒性,但在低剂量时可能具有人体必需功能的微量元素,包括氟、铅、镉、汞、砷、铝及锡共7种[1]。

我们特别提请注意的是:毒物低剂量可引起人体的毒物兴奋效应(Hormesis),它是一种适应性应激反应,这种应激反应激活了人体内细胞的修复和维护系统,对人体是有益的,而剂量提高则毒性急速增加[2]。含砷的砒霜如此,二噁英亦如此。毒物学研究还表明,即或是水果、蔬菜吃太多也不好,它们均遵循:First good,Then bad的原则[3]。这意味任何对健康有利的”好“食品不要每天都吃,对健康有害的”坏“食品也不要一点都不沾边。香港徐氏医学基金出过一本书,书中介绍,每人对不同食品都有不同的     适应性,当你不知道哪种食品对你的身体有伤害,最好的办法是4天之内不吃同一样的食物。即使对你有害的食品只要隔4天不见面,4天以后再吃也无妨,这种观点可供参考。

2、 对动物

根据《饲料学》第二章第四节矿物质:常量元素是指动物体内含量大于0.01%以上的元素,包括:Ca、P、S、Cl、K、Na、Mg;微量元素是指含量小于0.01%的元素,动物体内必需的微量元素有Fe、、Cu、I、Zn、Mn、Co、Se、Cr等[4]。

人是高等动物,饲料学中的动物是指供人类食用的禽畜。

3、对植物

根据《高等植物的矿质营养》,植物必需的矿质元素可分为[5]:

● 大量养分:N、P、S、K、Mg、Ca  6种;

● 微量养分:Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl、Ni   8种;

● 微量养分和“有益”元素:Na、Si、Co、I、V   5种。

其中已确定前两类14种矿质元素对高等植物是必需的。

三、以人类为核心的中微量元素观

在地球生态系统中,植物是生产者、动物是消费者,微生物是分解者。在人类为主导的生物链中,人是消费者。人类不仅消费植物,也消费大量禽畜制品。有趋势表明,人类对粮食的消费将逐渐退居次要地位,而以消费蔬菜、水果、坚果及动物质食品(肉、禽、蛋、奶、鱼类)为主。据推测,2020年我国人均消费支出中,用于购买粮食的费用仅占5.7%,用于购买动物性食品和蔬菜的费用为25.2%[6]。

日本蔬菜养分50年来大幅下降,以菠菜、胡萝卜为例,1950年100g蔬菜中铁含量分别为13mg、2mg,2000年已分别下降至2mg、0.2mg。我国100g菠菜可食用部分也仅含铁2.5mg。假若说菠菜是补铁食品,补充相同数量的铁,现在与50年前相比就要多吃6倍量的菠菜;菠菜、胡萝卜中所含维生素A,1950年是2000年的11.4倍和9倍;维生素C的含量为4.3倍及2.5倍。

美国得克萨斯大学唐纳德·戴维斯(Donald Davis)于2004年12月在美国《营养学院》杂志发表的论文,跟踪了美国农业部1950年至1999年记录的43种园艺作物的13种营养成分、产量,发现这些果蔬的蛋白质、钙、磷、铁、核黄素(维生素B2)和维生素C含量,在过去的半个世纪“的确下滑”了。下滑的百分比依产品而不同。例如,自1950年以来,红萝卜的铁含量下降24%,茄子的维生素C含量下降44% ,西兰花的钙含量减少了37% ,冬瓜的核黄素含量已经大幅下降52% 。今天的杂货店里蔬菜的矿物质与50年前相比平均下滑5%~40%(感谢广东省生态环境与土壤研究所陈能场研究员2015年提供的上述资料)。 

《中国居民营养与健康状况》调查报告(2014年10月发布)表明 中国人吃得越来越好,但微量营养元素(维生素、矿物质)的缺乏普遍存在,营养失衡已成社会负担。 

● 全国人均每天钙摄入量400mg(推荐量800mg); 

● 维生素A 摄入量476μg(推荐量800μg); 

● 维生素B2 摄入量为0.8mg(推荐量为1.3mg)。 

据世界银行统计,仅铁、碘和维生素A缺乏造成发展中国家每年的经济损失达GDP的2%~3%。 全球疾病医疗负担的7%源于缺乏微量营养元素。农产品品质下降是世界性问题。

为什么会造成食品营养价值今不如昔呢?

西班牙《万象》月刊2012年5月号发表文章,微量元素缺乏,造成食品营养价值下降,土壤中过多的氮虽然有利于作物生长,但会降低作物中镁和Vc的含量。当今,在世界范围内,以追求最少的投入来种植那些能结出硕大的果实但营养成分不高的作物品种,只是满足了农业生产者的需求,而忽视了消费者的需求。

更营养、更有效的方法是通过施入营养全面的肥料,使产出的农产品更营养,营养平衡才能生产高品质农产品。英国诺丁汉大学的科研人员研制了含矿物质丰富的“超级蔬菜”,研制出能优化蔬菜中钙、镁含量的化学肥料。日本研究表明,控制糙米含N <1.4%,并补足磷、镁、钾,就能改善大米品质使口感更好。因此,中微量营养元素对于改善作物品质具有重要作用。

为了人类的健康,中微量元素的开发,应使蔬菜、水果中的中微量元素富化;应通过饲料作物(玉米、大豆等)中的中微量元素富化,使肉、禽、蛋、奶、鱼更富于营养;中微量元素还应该包括人类所必须的碘、硒、等,这就是以人类为核心的中微量元素观。

四、利用中、微量营养元素增强作物抗性

早在1995年,Fertilizer International 就发表了一篇很有新意的文章“如何更有效地施用氮肥——学习植物语言”。该文认为,我们需要更好地理解植物语言,理解植物的关键词是“压力”(Stress),像人与动物一样,压力是经常存在的,有时大,有时小,我们的目标是尽量减少它。压力通常开始在根部,假若根部淹水并缺氧,它们引起植物压力;假若土壤太干,根不能正常生长,这也引起植物压力;植物的根力图持续生长,但仅在根冠后扩展,根冠后的区域大部分水分和营养物质被作物吸收,根冠后面的生长区有充足的钙以形成坚强的细胞壁是很重要的。若钙在此关键区域不充足,根细胞很弱,导致形成有漏洞的根细胞,这将引起病毒侵入。该文还特别提到施用大量硝态氮肥引起的问题及如何通过补充钙、硼来消除[7]。

大白菜的腐心病也与缺钙有关,Ca(NO4)2·4H2O含N仅15.5%,Hydro公司夸赞他们的“硝酸钙是硝态氮与100%的水溶性钙完美结合,它具有许多其它肥料所不及的性能与优点,使其成为当今肥料市场中最有价值的肥料之一”就是因为硝酸钙可以为植物快速补钙。

黄瓜、甜瓜、草莓、葡萄等的白粉病、黄瓜的枯萎病、褐斑病等,均与作物缺钙、缺硅、缺锰、缺硼有关。Benepal等报导(1967)氮多、缺硫、缺钾栽培的南瓜易遭一种瓜类害虫——缘蝽的侵害;还有报导,高氮低钾栽培,易引发作物由“绝对寄生菌(Obligate parasites)”产生的病害;如锈病及白粉病氮低钾栽培,由“条件寄生菌(Facultature Parasitis)”引发的黑斑病、萎凋病、斑点细菌病增多[8]。

当前,许多中微量元素不足是导致不少作物抵抗力下降,引发病虫害的主要原因之一。因此,平衡供应作物不同营养元素特别是中微量元素,就能起到植物“健身防病”的作用,合理的肥料配方使农作物健壮成长,发挥代替农药的作用,而减少化学农药的施用量。

2013年美国AOAC已将硅列为中量营养元素肥料[9]。水稻缺硅会导致由丝状菌引起的纹枯病、枝叶褐变病、小粒菌核病、麻点叶枯病及昆虫二化螟、稻飞虱的虫害。硅是植物重要的营养元素,作物施用含硅肥料后,可使作物表皮细胞硅质化、使作物的茎、叶挺直, 减少遮阴, 使叶片光合作用增强。可提高抗倒伏能力。作物吸收硅后,使茎叶表层细胞壁加厚,角质层增加,从而提高防虫抗病能力,特别是对稻瘟病、叶斑病、茎腐病、小粘菌核病、白叶枯病及瞑虫,小麦白粉病、锈病、麦蝇和棉铃虫等。

作物体内含硅量增加, 使作物导管刚性加强, 促使通气性增强, 这对水稻、芦苇等作物有重要意义, 不但可促进作物根系生长, 还可预防根系的腐烂和早衰, 特别是对防治水稻的烂根病有重要作用。施硅后, 产生的硅化细胞有效地调节叶片气孔的开闭, 控制水分蒸腾作用,提高作物的抗旱、抗干热风和抗低温能力。

硅能减少磷在土壤中的固定,活化土壤中的磷, 并促进磷在作物体内的运转,从而提高结实率。同时硅是品质元素,有改善农产品品质的作用, 并有利于贮存和运输。

基于上述认识,我们开发了中浓度、多营养元素、功能性脲硫酸复肥新工艺,这种新型肥料含有N+P2O5+K2O 36%~42%,含CaO+MgO大于5%,、S+SiO2大于10%,具有增加作物抗病害能力,增强作物抗倒伏能力的附加功能,是以增强作物体质达到作物高产优质的新型肥料[10]。根据我们对市场上含硅、钙、镁、硫的肥料价格初步评判,大约每1%的(枸溶性钙+枸溶性镁+可溶性硅+水溶性硫)其售价相当于0.5%(N+P2O5+K2O)。因此,含有效CaO+MgO 6%,水溶性S+可溶性SiO2 10%的含(N+P2O5+K2O)38%的功能性脲硫酸复肥,其肥效及售价均应等同于38+(6+10)*0.5=44— 含(N+P2O5+K2O)44%的普通复合肥。

在三項中国发明专利支撑下,中浓度、多营养元素、功能性脲硫酸复肥已实现年产10万t装置产业化。并于2015年获得中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖。

五、介绍一种以钾肥为原料的高端缓释控释肥料——高磷、中钾、低氮花卉专用控释肥

一种以硝酸钾为核心,含N 8%~12%、P2O5 22%~26%、K2O 10%~15%,总养分44%~49%的第四代包裹型缓释/控释肥,并含有一定量的有效MgO及微量元素高端缓释控释肥料是:

● 由美国Luxmark(乐喜马克)公司提出配方,由我们在美国研发,用于美国东海岸景观棕榈树的肥料,其售价在美国控释肥市场上最高;

● 由我们出口日本,并在日本800个花卉专卖店作为首推产品出售,销售了7年,用于日本家庭园艺及花卉苗圃;

● 2003年作为“低磷无磷型、高磷长效型缓释与控制释放肥料”获得由科技部、国家税务总局、商业部、国家质检总局、国家环境总局联合颁发的“国家重点新产品“证书。

作为一项成熟的技术,我们接受由中国无机盐工业协会中微量元素行业分会的推荐,向国内、外有粒状硝酸盐来源,并有能力、有实力向全球开拓花卉、家庭园艺、苗圃市场的钾盐企业转让此技术。

让我们共同为开拓中国的高端钾肥市场而努力!

参考文献:

[1] 黄承钰主编,医学营养学[M].人民卫生出版社.2002:25-44. 

[2]  Rebecca Renner. Scientific American, Nov.2003:9.

[3]  Mark P. Mattson. Scientific American, July 2015:31.

[4] 王成章,王恬主编, 饲料学[M].中国农业出版社. 2003:38-40.

[5] H.Marschner著,李春俭译.高等植物的矿质营养[M].中国农业大学. 2001.06。

[6] 赵晋府主编,食品工艺学[M].第2版.中国轻工业出版社2010:4,24.

[7] Jerry Stoller, How  to use nitrogen more effectively—learn The language of the plant, Fertilizer International No.347 July/August  1995:86-88.

[8] 渡边和彦等,无机元素の病虫害への关与とその机作[J],季刊肥料(日),2002(91):11-25;(92):83-86.

[9] Sebastian et al, Journal of AOAC International Vol. 96 (2),2013:251-259. 

[10]  侯翠红、许秀成、王好斌等。倡导复肥新潮流:中浓度、多营养元素、功能性复肥、磷肥与复肥 2013,3:7-10 


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