人类健康取决于土壤养分

作者：John Duxbury，Graham Lyons和Tom Bruulsema 

土壤的成分影响作物的成分，进而影响食物的质量，对人类营养的贡献，并最终影响人类健康。改善农业管理方案包括种植系统多样化和通过施肥纠正不足。

在南美洲哥伦比亚的国际热带农业中心（CIAT）对木薯施用含有硒，锌和碘的肥料。

人类营养仍处于危机之中。虽然自1990年以来，饥饿发生率下降了21％，但仍有至少8.05亿人挨饿。在五岁以下儿童中，估计有1.61亿人发育不良（低龄化）。缺乏膳食维生素和矿物质导致的微量营养素缺乏影响约20亿人，对健康产生多重不利影响，往往会影响儿童的身心发育。随着大气中二氧化碳含量的增加，锌的缺乏可能会增加（Myers等，2014）。

大多数植物营养素也是人体营养素。膳食参考人类营养的摄入量是基于植物提供的必需的每种营养元素（NAS，2014）。硼还不被确认为必需元素，但一些证据表明它在骨骼、佝偻病和精神功能中发挥着重要作用。 Ni的一些作用被认可，但其人类饮食需求被认为<100微克/天（Welch和Graham，2012）。Zn，Ni，I，Mo和Se的施肥增加了它们在谷物种子和营养组织中的浓度。另一方面，施用Fe，Cu，Mn和Si对其在谷物中的浓度几乎没有影响。通常，植物组织在干重的基础上具有比谷物更高水平的微量营养素，因此其与动物营养和源自动物的食品的营养价值相关。

铁，锌和碘是微量元素中最重要的缺乏矿物质。对于主要的主粮，小麦和玉米的锌含量可以通过叶面增加两倍，土壤施肥效果较差，但是水稻的增加通常小于50％（Tariq等，2014; 表1） 。

表1. 施锌对水稻和小麦中谷物锌浓度的影响实例

粮农组织和许多其他机构一直强调，良好的营养需要可持续、公平和有弹性的粮食系统。种植系统的多样性很重要。豆类和豆科植物通常含有比谷物更高水平的微量营养素，但自绿色革命以来，它们相对于谷物的可获得性已经下降。一个值得注意的例外是孟加拉国大豆种植面积的增长，从1980年的接近零增长到2010年的40,000多公顷。

全球人类家庭的可持续饮食需要设计农业系统,以提供更好的人类营养。

全球大面积的土壤pH值较低，限制了Ca和Mg的吸收，这两种常量营养素对人体健康非常重要。简单添加白云石灰岩可以增加这两种矿物元素的浓度，特别是在蔬菜中，从而预防佝偻病等疾病。孟加拉国康奈尔大学支持的研究表明，40多种作物的产量增加10％至50％,质量也得到改善，包括：花生，萝卜，大蒜，卷心菜，花椰菜，茄子和姜黄，让280,000名农民采用施用石灰超过86,000公顷。中国和蒙古已经成功地利用碘酸盐灌溉渠道来解决人类缺乏碘的问题（Ren et al。，2008）。灌溉水的（碘）增加了整个食物系统的碘，让土壤、作物和动物产品(肉类、鸡蛋和牛奶)的的碘含量提高。这导致了人类健康的显着改善，包括婴儿死亡率下降了50％。动物生产力也提高了，强化了改善动物饲料和植物性食物营养质量的好处。

现代地球化学之父维克多·莫里茨·戈德施密特（Victor Moritz Goldschmidt）（1888-1947）引入了'亲生物'一词,用于在生物中发现的绝对或相对浓度较高的元素。它们包括氮、硫、磷、钾、硒、碘、锌和硼。这个概念指出了管理土壤-植物系统为植物、动物和人类提供这些营养的重要性。

硒和硫是强烈的亲生物元素。作为硒酸盐和硫酸盐，它们是容易被浸出。由于火灾，尤其是大草原上的火灾，它们也会以二氧化硒和二氧化硫的形式流失到大气中（Christophersen等，2012）。

土壤缺乏硫时，植物蛋白质含量下降，特别是对于富含硫的蛋白质。在撒哈拉以南的非洲较为潮湿的地区，人类饮食缺乏含硫氨基酸。这种缺乏源于低蛋白质摄入和土壤硫缺乏。在赞比亚，马拉维，卢旺达，布隆迪和其他撒哈拉以南非洲国家的许多土壤中，植物可利用的硒非常低，常见的水平低于20微克/千克（Hurst等，2013）。 2012年对赞比亚玉米进行的调查显示，硫中位数浓度仅为1,030 mg / kg，N：S比率为13-15（Lyons等，2014），数值仅相当于临界缺乏水平的60％ （Reuter和Robinson，1997年）。在解决撒哈拉以南非洲土壤的主要氮磷钾生育需求的计划中，硫和硒需要进一步考虑。在许多研究中，发现硒酸盐在提高谷物（大麦，面包和硬粒小麦）和豆类（鹰嘴豆，豌豆）作物中的谷粒/种子硒浓度方面比亚硒酸盐的效率高出约五倍。已经观察到产量（由于气候变化）和谷物硒浓度之间的反比关系，表明产量的稀释/浓度效应（McGrath等人，2013）。

芬兰数十年的经验和研究表明，从20世纪80年代开始，硒的肥料浓缩计划对人类硒的状况有很大的好处。在20世纪70年代，硒的人均膳食摄入量为30微克，其中70％来自肉类和牛奶。动物硒缺乏症很普遍，但添加到动物饲料中的无机硒没有多少将大量的硒转移到肉或牛奶中。食品和饲料作物中硒含量低是由于阴离子硒与典型酸性土壤中的氧化物强烈结合。从1984年开始，将硒酸盐添加到所有NPK肥料中，用于饲料作物（硒添加量为16 mg / kg）和谷物（6 mg / kg）作为实现人类营养充足和安全水平的策略。 1990年所有作物的比率变为6毫克/千克，然后在1996年增加到10毫克/千克。这些变化与食物中硒含量的变化和膳食摄入量有关（表2）。结果包括人体血清硒水平翻倍，而且还涉及其他因素，心脏病的死亡率从1982年到1997年下降了约三分之二（Laatikainen等，2005）。对癌症发病率的影响从无到中度不等。

表2. 在芬兰, 施硒影响了食品和膳食摄入量中的硒含量(从Eurola收集的数据,2005年)。

微量营养素的可用性可能受到常量营养素添加的影响。当磷酸盐肥料添加到不同的土壤中时，由于土壤吸附和沉淀反应，植物对硒的有效性可能会增加或减少。尽管海洋磷矿（沉积磷酸盐岩）含有比火成磷酸盐矿石更多的硒（例如来自科拉半岛），但它们的硒/磷浓度比通常不如天然陆地生态系统的表土那么高（McConnell，1979） ）。商业化肥的施用可能导致土壤中总硒/磷浓度比降低（取决于肥料的硒/磷比），这也会导致食物和饲料的硒/磷比降低植物。这指出，作为管理土壤肥力的一般原则，当肥料用于提供最有限的养分时，可能会对其他养分吸收到植物中产生长期影响。持续施用磷肥而不考虑其他营养成分，可能会导致土壤缺乏硫、硒和锌等营养物质。

在孟加拉盆地使用砷污染的地下水用于家庭和灌溉用途，导致饮用水和生产的灌溉作物中的砷含量增加。据估计，全世界有1.4亿人患有与砷相关的疾病，其中大部分在孟加拉国。最近对动物模型的研究表明，硒富集在抗砷毒性方面具有潜在作用。 Sah（2013）等人给小鼠喂食不同硒含量的扁豆（萨斯喀彻温小扁豆含0.3 毫克/千克硒，美国西北部小扁豆含<0.01 毫克/千克硒），发现硒在降低砷的体内滞留和增加砷的排泄方面发挥了作用，导致肝脏损害程度降低。这些研究结果与人类营养的相关性需要通过临床试验来证实。然而，通过植物育种和施肥，以及/或基于其生长的土壤的硒水平选择食物谷的硒的生物强化可能潜在地解决由过量砷引起的巨大的人类健康问题。