1、作者简介：赵其国（1930-） ，男（汉） ，湖北武汉人，教授，中国科学院院士，研究方向：土壤地理与资源*通讯作者：尹雪斌，博士，教授，Tel：13656225443；E-mail：注：部分内容，根据科学出版社出版的功能农业 ，内容有增删。2008-2018 功能农业的理论发展与实践赵其国 1, 2, 3，尹雪斌 2, 3, 4，孙 敏 3，刘永贤 4，侯非凡 3，张 宁 5（1.中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2. 中国科技大学苏州研究院功能农业重点实验室，苏州 215123；3.山西功能农业研究院，太谷 030801；4. 广西富硒农业研究中心，南宁 530007；5.江苏省
2、硒生物工程技术研究中心，苏州 215123）摘要：功能农业作为高产农业、绿色农业之后，农业发展的新阶段，是“调优供给” 、 “调强农业产业”的重要支撑性技术，加强功能农业研究是构建生态高值农业产业体系的重要内容，是我国农业供给侧结构性改革的主要举措之一，对我国农业发展和乡村振兴战略具有重要意义。功能农业从 2008 年提出至今已有十年时间，本文对有关功能农业的定义、学科的发展、应用实践，进行了系统回顾，对于未来发展进行了展望。关键词：生态高值农业；功能农业；硒；矿物质；植物有益物质中图分类号：S-01 文献标识码：A“民以食为天” ，农业的发展史，也是人类饮食的进步史。功能农业作为农业发展的新
3、阶段，支撑着农业的生态高值目标，开启了“吃”的新时代，即从吃得“饱” 、吃得“安全” ，向吃得“健康”迈进。根据十年功能农业研发实际，我国未来功能农业的发展宗旨是“科技领先、智慧创新、开拓发展、团结协同、公正诚信” ，12 字方针是“准确、质量、稳妥、安全、民生、持续” 。希望以此指导功能农业有序发展，造福 13 亿中国人，并期望服务全人类。山西、广西、宁夏、河北、山东、江苏、江西、湖北和安徽等省市，率先在省域规模化发展功能农业，是我国功能农业从科技创新走向产业实践的重要样板。1 生态高值农业的技术体系和模式构建1.1 生态高值农业的提出背景在中科院的部署与领导下，针对近年国内外农业发展面临的
4、机遇与挑战， “中国科学院农业领域战略研究组”于 2007 年 10 月至 2009 年 3 月集体完成并制定了中国至 2050 年农业科技领域发展路线图 1，提出了发展我国“生态高值农业”的理念及技术体系模式构建。2010 年 6 月，国家领导人在两院院士大会上，针对农业科技，首次提出要“构建我国生态高值农业产业体系” 2。1.2 生态高值农业的概念与内涵根据生态高值农业：理论与实践一书的总结。所谓“生态” ，就是要体现农业既能为社会提供安全、优质的农产品，又能实现农业资源的永续利用，将农业纳入可持续发展的道路；所谓“高值” ，就是要体现农业有很高的土地产出率、投入产出率、劳动生产率 3。因
5、此， “生态高值农业”目标是构建集约化经营与生态化生产有机结合的现代农业。它以健康消费需求为导向，以提高农业市场竞争力和可持续发展能力为核心，兼有高产出、高效益与可持续发展的双重特性，是转变农业增长方式、提高农业综合生产能力的集中体现。（1）生态高值农业的建设目标“生态高值农业”的目标体系可表述为： ，其中，D 为生态高值农业发展水平； E 为农业的生态环境效益；V 为农业的经济效益；S 为农业的社会效益，体现生态环境效益与经济效益相互协调的程度；a、b、c 是由社会生产力的发展水平、社会制度、人类的审美观与价值观等因素决定的。可见， “生态高值农业”是包括生态农业及环境，农产品的高产、高质、
6、高效，以及科技、市场、产业经济价值（包括农业的一、二、三产业的产值） “三者”相结合的总概念，是现代农业可持续发展的总体方向。到 2020 年，通过重点农业科技领域的重大创新突破，构建生态高值农业技术体系，为不断满足我国日益增长的对农产品总量、质量、安全和多功能的需求以及改善农业生产结构、生态环境和农业资源永续利用等生态高值农业体系提供科技支撑 4。到 2050 年，中国农业具备实现农业资源可持续利用，充分保障国家食物总量和质量安全，以及进入传统功能和现代多功能并存的未来农业所需要的科技支撑条件，使我国在发展中国家中率先进入生态高值可持续发展的新时代，全面实现农产品优质化、营养化、功能化，实现
7、农业生产管理的信息化、数字化、精准化，建成农业高值转换的产业体系，形成生态系统持续良性循环、景观优美、功能多样、城乡一体的新型农业。（2）生态高值农业的内涵实质生态即指生态农业，包括水、土、气、生、岩、污等部分。高值包括农产值、农技值、农市值、农经值。其中，农产值是指农产品高量、高质、高效，简称“农-产” 。农技值是指功能农业、智能农业、高科值农业，简称“农技-产” 。农市值是指市场经济价值（农二产） 、农加工、转工，简称“附加值” 。农经值是指产业化经济价值（农三产） ，包括农、经、贸、科、教、游、文等内容，如功能农业养生园、牛博园、盐博园、体验农业、农业公园等。可见，生态高值农业是包括生态
8、农业，环境与农业品高产、高质、高效，科技，市场，产业经济价值（包括农业的一、二、三产产值）相结合的总概念。比如，高产值：水稻-袁隆平 15 t/hm2；小麦-河南 10.35 t/ hm2；玉米- 新疆 19.5 t/ hm2；富硒、富锌功能农产品价格通常高出普通农产品 30%-50%。高科值：通过信息、分子和功能化等技术提高产值。市场值：通过农产品加工，走向国际与国内市场，加工后的农产品价值可提高几十到上百倍，如安徽 70 g 的番茄酱可卖 50 元；美国玉米加工有 3500 多种，产值提高达上千倍。我国农产品加工的工业值比农业产值比，每增加 0.1%，可带动 230 万人就业。综合经济值：
9、可通过“农经贸科教游文”增加大量产值。简言之，生态高值农业未来多体现在向一产、二产和三产联合的“大农业”方向发展。（3）生态高值农业土壤肥力与生态系统图解图 1 土壤肥力与生态(生物) 系统功能的内涵关联图Fig 1. The relevance of soil fertility and Ecological (biological) system functions2 功能农业的创建2.1 功能农业提出的背景2007 年 10 月至 2009 年 3 月，中国科学院农业领域战略研究组集体编制完成中国至2050 年农业科技领域发展路线图 ，提出了各阶段农业科技发展的主要方向及可突破的重大科学
10、技术问题。 “功能农业”正是规划路线图中的重要方向，其理念及设想被首次提出。中科院 2013 年出版的科技发展新态势与面向 2020 年的战略选择指出，未来的工作重心将围绕生态高值农业，构建中国特色的生态高值农业体系， “功能农业”作为生态高值农业体系的建设方向，在十二五、十三五规划中最有可能取得突破性进展。同年出版的生态高值农业：理论与实践进一步提出并论证了功能农业的发展，明确指出：“功能农业”是生态高值农业科技支撑体系的重要组成部分。这一方向很好的契合于当前我国农业从注重“量”转向注重“质”的战略需求。“功能农业”实际是对生态高值农业的进一步延伸。在“中国至 2050 年农业科技发展路线图
11、”理念与七大科技领域的研究“农业生产与食品安全营养技术”规划中也指出，食品的营养保健性和科技发展将是食品产业发展的重要趋势。同时， “生态高值农业 2020-2050 年的建设目标”中指出，要“不断满足我国日益增长的对农产品总量、质量、安全和多功能的需求” ， “全面实现农产品优质化、营养化、功能化，实现农业生产管理的信息化、数字化、精准化，建成农业高值转换的产业体系” 。实现产品的“营养化、功能化” ，科技发展是核心要素，主要是通过育种技术和动植物“生物强化”等生物技术和农艺措施、设施农业等非生物技术定量增加食品中的某些营养元素，如人体必须微量元素钙、铁、锌、硒等，人体必须氨基酸赖氨酸、色氨
12、酸等，维生素 VA、 VE、B9（叶酸）等，抗氧化物质花青素、多酚、类胡萝卜素等。随着基因组学和蛋白组学的飞速发展，功能农业将成为农业科技的重要方向，在消除“隐性饥饿” 5、预防癌症、降血压、降血脂和冠心病等方面发挥巨大作用。 2.2 功能农业的定义什么是功能农业？功能农业是通过生物营养强化技术或其他生物工程生产出具有健康改善功能的农产品。简单地说，功能农业就是要种植出具有保健功能的农产品 6。其中，既包括农产品中特定健康物质的提高，如矿物质、植物有益物质（Phytochemicals） ，也包括根据某个人群的需求对特定物质进行优化，比如，抗性淀粉大米因其中的淀粉不易酶解消化为糖，适合糖尿病人
13、食用。人们通过食用功能农业产品，可以对特定营养物质进行定量补充，可达到提高人体体质，改善健康的目的。比如：人体缺碘或碘摄入量不足时，会引起地方性甲状腺肿、不育症等病症，随着我国大部分地区食盐中加碘，已经明显减少缺碘病症的发生；人体缺硒或硒摄入量不足时，会引发克山病、大骨节病等病症，通过持续食用富硒食品，不仅可以消除病症，还可以提高人体免疫力，长期食用可有效预防癌症 7-8。其他人体健康所需矿物质包括钙、铁、锌等及不饱和脂肪酸、花青素、胡萝卜素等植物化合物，都可通过功能农产品的生产补充人体，改善健康。功能农业是农业发展的新方向，它是继高产农业、绿色农业之后的第三个发展阶段 9-10。功能农业作为
14、农业发展的第三个阶段，侧重于增加农产品的健康内涵（图 2） 。通过现代生物科技和农艺措施，标准化调整优化农产品的营养成分，满足人们个性化的需求。这一农业形态理想的目标是“缺啥补啥” ， “啥多调啥” 。图 2 农业发展三阶段Fig 2. Three stages of agricultural development2.3 功能农业有关的重点营养素2.3.1 矿物质矿物质是人体内无机物的总称，人体由 60 多种元素组成，其中很多矿物质元素是酶的必需组分，也是人体组织、骨的生长及维持的必需元素。按其在人体内含量的高低，可将矿物质分为常量元素和微量元素。常量元素，也称大量元素或宏量元素，其在人体内
15、含量较高，占人体总重量的 0.01%以上，如碳、氢、氧、氮、钙、磷、镁、钠等；微量元素也称痕量元素，在人体内含量很低，约占人体总重量 0.01%以下，如铁、锌、铜、锰、铬、硒、钼、钴、氟等。按照矿物质对人体健康的影响，可分为必需元素，非必需元素和有毒元素。必需元素是维持人体健康所必需的元素，缺乏时有机体的功能和组织都会出现异常，补充后即可恢复。目前，已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有 18 种，即铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷等；必需常量元素有钙，这样人体必需的矿物质元素总计有 19 种。加上锗等对人体有益的 3 种元素，共计 22 种对人体有
16、益的元素 11-12。其中，日常生活中的营养食品、保健食品中最常见和较多人群存在缺乏的矿物质有五种，包括硒、锌、钙、铁和碘（表 1） 13-14。表 1 常见矿物质元素及其功能Table 1 Functions of common mineral elements营养素Nutrient生理功能Physiological function每日需要量Daily requirement来源Source钙 凝血因子，能降低神经、肌肉的兴奋性， 0.6-1.2 g 绿色蔬菜、乳类、蛋是构成骨骼、牙齿的主要成分。 类含量多铁 血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和其他酶系统的主要成分，协助血液氧气运输15-18
17、mg 肝、蛋黄、血、瘦肉、绿色蔬菜、桃、杏、李锌 数百种酶的构成成分，促进细胞分裂、生长和再生；调节 DNA 复制和 RNA 转录，参与免疫有关酶的作用；促进身体和智力发育。缺乏锌，智力会下降，发育受阻，免疫力下降、食欲差10-15 mg 初乳、鱼、蛋、肉、禽、全谷、麦胚、豆、酵母等，动物性食物利用率高硒 谷胱甘肽过氧化物酶的组分，抗不生育，防止营养不良，提高身体免疫力，多种金属的解毒剂60-250 g 芝麻、麦芽、中草药黄芪、酵母、蛋类、海产类、肝脏、肾脏、大蒜、蘑菇碘 为甲状腺素 T3、T4 的主要成分，缺乏时引起单纯性甲状腺肿及地方克汀病90-120 g 海产如海带、紫菜、海鱼等磷 参与
18、核酸代谢和能量代谢，维持细胞膜的完整性，参与糖与蛋白质代谢，维持体内酸碱平衡0.4-1.2 g 乳、肉、豆、五谷铜 对制造红细胞、合成血红蛋白和铁的吸收有很大作用，与许多酶的形成关系密切,例如细胞色素酶、氧化酶等，存在于人体红细胞、脑、肝等组织内，缺乏易时引起贫血。0.5-0.8 mg 肝、肉、鱼、海蛎、全谷、硬果、豆类镁 激活糖代谢酶，与肌肉神经兴奋性有关，对所有细胞代谢过程都很重要，常与钙缺乏同时出现，导致手足抽筋160-320 mg 谷类、豆类、干果、肉、乳类2.3.2 维生素通俗来讲，维生素即维持生命的物质，是人体内生命活动必需的一类微量营养物质，也是保持人体健康的重要活性物质。通常将
19、维生素分为脂溶性维生素和水溶性维生素。脂溶性维生素包括维生素 A、维生素 D（又称钙化醇） 、维生素 E（又称生育酚）和维生素K（又称凝血维生素） ；水溶性维生素主要是 B 族维生素（主要包括B1、B2、B3 、 B6、B12） 、维生素 C（又称抗坏血酸） 、维生素 PP（又称尼克酸） 、维生素H（又称生物素）和维生素 M（又称 B9，也称叶酸）等。维生素大部分不能在体内合成或合成量不足，不能满足人体的需要，必须从食物中摄取。当膳食中缺乏维生素，将引起人体代谢紊乱，发生维生素缺乏症。例如：当缺乏维生素 A（vitamin A）时，会出现夜盲症、干眼病和皮肤干燥等 15。维生素 A（vitam
20、in A）又称视黄醇或抗干眼病因子，包括维生素 A1、A2 两种，是一个具有脂环的不饱和一元醇。维生素 A1 多存于哺乳动物及咸水鱼的肝脏中，而维生素 A2 常存于淡水鱼的肝脏中。由于维生素 A2 的活性比较低，所以通常所说的维生素 A 是指维生素 A1。植物来源的 -胡萝卜素及其他类胡萝卜素可在人体内合成维生素 A，-胡萝卜素的转换效率最高。在体内，在-胡萝卜素-15,15-双氧酶（双加氧酶）催化下，可将 -胡萝卜素转变为两分子的视黄醛，视黄醛在视黄醛还原酶的作用下还原为视黄醇，但 -胡萝卜素也可以合成虾青素（astaxanthin，强抗氧化剂） 16。表 2 常见维生素及其功能Table
21、2 Functions of vitamins种类Category作用Function食物来源Source维生素 A 可以维持正常的视觉反应、骨骼发育和上皮组织的正常形态与功能牛奶、鸡蛋、鱼肝油、动物肝脏、深绿色、深黄色蔬菜及水果等维生素 B1 缺乏维生素 B1 会患感冒、胃炎、肌肉疲倦且容易焦虑或记忆力减退、脚气、神经失调未经精制的谷物如糙米、胚芽米、瘦肉、牛奶、动物肝脏、酵母、豆类、牛肉等维生素 B2 缺乏维生素 B2 会引发口腔炎、口角炎、眼睛充血、精神恍惚、皮肤干、头发大量脱落等牛奶、动物肝脏、蛋类、瘦肉、麦胚、黄豆、花生等维生素 B6 与新陈代谢有关，需要量由蛋白质摄取量决定 麦胚、
22、牛奶、酵母、荚豆类、动物肝脏等维生素 C 促进“ 胶原 ”的形成，让细胞排列更为紧密 绿色蔬菜、水果等维生素 D 促进钙质的吸收进而使骨质钙化，维持正常的骨骼形态鱼肝油、动物肝脏、蛋黄、牛奶等维生素 E 缺乏维生素 E 容易不育，有良好的抗氧化性，降低细胞老化植物油、绿色蔬菜、动物肝脏、豆类、蛋黄、瓜果、瘦肉、花生等维生素 K 与血液凝固有密切关系，缺乏维生素 K 易患血友病绿色蔬菜2.3.3 植物有益物质（Phytochemicals）除矿物质和维生素外，功能农业密切关注多种植物有益物质。如人体必需氨基酸（赖氨酸、色氨酸） 、抗氧化物质（多酚、黄酮、类胡萝卜素、花色素） 、不饱和脂肪酸（-3
23、）等。对于这些有益物质的调控，目前更多的通过育种手段来实现。随着科学技术的发展和人们健康意识的不断增强，研究者将会对人体有益物质进行更加深入的研究，更多的植物有益物质将被发现。功能农业的内涵将越来越丰富。2.4 功能农业与生态高值农业关系“生态高值农业”是我国农业新型战略领域，其对农产品总量、质量、安全和多功能的需求，全面实现农产品优质化、营养化、功能化的发展理念与“功能农业”的发展方向是一致的， “功能农业”从产地条件、产品功能到产业开发一系列科技链条，符合生态高值农业的发展内涵，是未来生态高值农业的支撑性技术。 “功能农业”的稳定发展，为我国生态高值农业体系构建积累了大量经验，奠定了发展基
24、础。因此，以富硒、富锌等为主体的“功能农业”的研发，只有按生态高值农业的理念与内涵方向发展，才能不断走向创新开拓与可持续发展。今后其研发也必将走“生态高值型功能农业”的方向（图 3） 。图 3 功能农业与生态高值农业关联图Fig 3. The relevance about functional agriculture and ecological high - value agriculture结合中国功能农业产业发展实际，对于未来功能农业发展总结了 20 字宗旨与 12 字方针，希望以指导功能农业有序发展，造福 13 亿中国人。关于功能农业发展的 20 字“宗旨”：科技领先、智慧创新、开拓
25、发展、团结协同、公正诚信。关于功能农业发展的 12 字“方针”：准确、高质、稳妥、安全、民生、持续。3 功能农业的十大科学问题为了满足人们对某一个或几个功能物质的需求，功能农业相关的一系列科学问题需要不断探索和研究。下文重点以矿物质强化为例，按照其传输路经和规律，包括从土壤环境、作物栽培、元素拮抗、食品加工、消化代谢等等。在此提取了十个相关问题分别简述：3.1 作物吸收预测模型矿物质对人体健康起重要作用，多种矿物质复合，效果更加明显。功能农业的最终农产品，就是使其定量富含某种或某几种矿物质。首先要解决矿物质形态技术及吸收预测模型这一基础性科学问题。植物对矿物质的吸收具有选择性。矿物质的形态大体
26、可分为两类：植物可利用的和不易利用的。在植物吸收矿物质的过程中，自由离子是最易被吸收的形态，植物根部表面的正负离子与土壤中的正负离子可通过交换作用而吸附到根部。其他的可溶性离子浓度可以用分级提取的方法测得，比如有纯净水提取部分，也有模拟土壤盐分的盐溶液提取部分。植物对矿物质的吸收取决与多个方面，不同地区，不同作物的吸收、积累既与土壤中的矿物质形态有关，也与植物本身特性有关。不同性质的土壤中，有机物的含量，黏粒的含量都会影响到植物对矿物质的吸收。对于植物本身而言，不同种属间差异巨大，例如木本植物相比于草本类植物，由于其高大的特性，根部在向上运输离子的过程中受到层层阻隔，致使上部枝干中矿物质含量积
27、累较少，而草本植物低矮，易于吸收积累；植物不同器官中，含量差别亦较大，植物吸收遵循优先生长原则，籽粒、果实较叶片含量较高；在植物不同生长周期，吸收积累规律也有差别，比如水稻在分蘖期、灌浆期都是矿物质需求旺盛的阶段。对于植物矿物质吸收的准确预测，仍需土壤环境、栽培学等方面专家进一步的研究和调查。3.2 矿物质形态分析技术矿物质是地壳中自然存在的化合物或天然元素，多为无机盐。当矿物质经根部吸收至植物体内，会转化成多种形态存在。生物体对不同形态的矿物质，其吸收效果有很大差异，所以研究清楚不同矿物质的形态变化具有重要意义。矿物质经人体或动物吸收后，有的形成小分子状态存在，例如：硒就会转化为硒代蛋氨酸、
28、硒代半胱氨酸、甲基-硒代半胱氨酸等，这些物质的分子量一般会达到一百到几百道尔顿。有的矿物质转化为大分子形态，例如：如硒蛋白和含硒蛋白，以及一些分子量稍小的含硒的多肽、多糖。锌、镁、铁等也会在不同的功能蛋白中作为活性中心，协助蛋白发挥活性功能。3.3 矿物质间相互影响矿物质在吸收过程中具有相生相克的关系，即拮抗效应和协同效应 17。各元素之间的相互关系错综复杂，一种元素可能会影响另一种元素的分布与吸收。拮抗效应是指两种元素之间相互抑制的效应，主要发生在两种具有化学性质相似的离子之间，一种元素升高，另一种元素势必降低，存在竞争关系。协同效应恰恰相反，某一种元素会促进另一种元素的升高，两种元素相互叠
29、加。对于功能农业农产品来说，要保持矿物质的吸收平衡。当发生拮抗作用时，要重新对产品元素进行评估，对降低的元素进行补充；发生协同效应时，则要适当降低被促进吸收的元素供给，保持矿物质平衡。在实际的人体吸收过程，规律可能更为复杂，一种元素可能与不同元素之间既存在拮抗效应，又存在协同作用。所以，矿物质的最佳供给模型需要通过不断的试验研究来优化。在功能农业方面，矿物质的相互影响，在被人类食用之前就已经发生。比如在植物吸收矿物质时，阳离子之间大多存在一定的竞争关系。比如钙可能影响到镁、锌的吸收，但由于这一过程，还将受到植物生理的影响，不仅是纯粹的化学关系。比如，同为阴离子的硒就能促进碘离子的吸收。同时，植
30、物可吸收利用的矿物质量与矿物质的存在形态有关，例如：水稻硒的吸收量（生物有效硒）取决与土壤中的有效硒含量（化学有效硒） 18。因此，矿物质吸收的规律多样性，尚需要研究学者更加深入的研究（图 4） 。图 4 植物吸收矿物质原理图Fig 4. Plant absorbs minerals3.4 功能农产品的标准研究功能农业所生产的农产品，是否可以有效的提高人体健康质量，需要一个严格的标准来度量。所以，功能农产品的标准研究，是这个新产业发展起来以后的重要工作内容。功能农产品的标准包括两大部分，一个是什么样的产品才能算是功能农产品，即产品标准；另一个是这个产品在生产过程中需要恪守哪些规范、步骤，即生产过程的规范。后者在认证方面能提供非常必要的信息。但是目前功能农产品的标准研究少之又少。消费者在食用一种或者几种功能农产品，特别是主食性功能农产品，能够提高所需矿物质摄入量，但是在其含量方面，众多的产品中含量要求应该怎样平衡，以实现所有产品的综合食用不会超过安全量，是一个需要解决的重大问题。有关生产过程的标准，重要的是缩小含量波动范围，并防治制假。一个合适的标准既要保障安全，又要能够在规模化农业实施中实现。这些都还需要科技界和产业界进一步的合作研究来推进。3.5 食品加工过程矿物质形态演变
