微生物肥料 —農業技術的新明星
 
2018/07/17
 
李讃虔 | 自由投稿者
 
 

近年來科技與醫療的進步使人類壽命逐年增長,人口也不斷增加,為了養活愈來愈多的人,農作物的生產量必須提高,這讓農夫與科學家們費盡了不少心思、嘗試了許多方法,像是:使用促進生長的化學肥料或是可殺死雜草的除草劑以及利用傳統育種法培育出理想品種。

 

使用化學肥料或許最直接,效果立即可見,但如果用量沒適度掌控,肥料容易因雨水淋溶而進入河川、湖泊,引起藻類和浮游生物快速的繁殖,造成湖泊優養化,使浮游生物和魚類因缺氧而死亡,這些生物的殘骸又將促使細菌大量孳生,這又會危害淡水生態,不僅水質受到汙染,鄰近區域更是充滿怪味,整體生態大受影響,讀者可以從「湖泊太過營養?怎麼辦?」一文中了解其嚴重性。

 
 

為了降低農地耕作過程中對生態造成的傷害,以及讓土地養分能更有效地被植物利用,減少化學農藥的施用,利用土壤微生物的方法遂成為農業技術的新星。微生物肥料就是藉由微生物本身的特性,將其活用在農業栽培上,有些微生物在演化過程中,原本就有與植物合作的淵源,有些則是從人類的栽培經驗與對微生物的了解後,才開始應用在栽培的過程。

 

植物與微生物的互動關係是非常微妙的,在「植物與病原菌的部落衝突」一文中即提到:許多微生物會用各種方式掠奪植物的養分,致使植物生病;然而,植物也非省油的燈,它們除了具有多種可偵測微生物表面蛋白的機制外,也會啟動植物的免疫反應,但與人類免疫反應不同的是,植物並不具有特化的免疫細胞,因此無法像人類一樣能夠產生專一性的抗體。

 

植物的免疫反應是合成許多可抵抗病原的物質,像是:萜烯類(terpenes)、酚類、植物鹼等二次代謝產物,這些物質有許多已經被人類利用作為香精、天然色素與藥用。當植物的免疫反應較強烈時,會使遭受到病原菌感染的區域產生較多的過氧化物與自由基,導致受感染的細胞與附近健康的細胞一起死亡,這個現象可以從植物的組織外表看到到褐化、發黑壞死等病斑,稱之為「過敏反應」。其目的是讓病原菌困在壞死的組織內,無法再進行擴散。

 

除了上述的對立關係之外,「植物與微生物的恩怨情仇」一文也提到,植物與微生物之間也有合作互惠的情形,也就是「互利共生」,像是具有固氮能力的根瘤菌與豆科植物之間的共生關係,在「大自然的巧手–由氮氣生成含氮化合物」一文中,即描述了氮源雖然可經由閃電打斷氮氣分子,再藉由雨水淋溶到土壤裡,以硝酸鹽的形式被植物吸收。但是,這種氮源所佔的比例極微小。其實植物的氮最主要是來自本身的固氮細菌吸收了大氣中的氮氣分子,並藉由固氮酶將氮轉變成氨及銨離子,其次才是人類所施用的氮肥。

 
 

要製造含氮的化學肥料,需採用哈柏法:在高溫(約攝氏400度)高壓(約250大氣壓)下,以鐵粉當催化劑,促使氮與氫反應生成氨。除了氮以外,土壤中還含有多種植物生長所需的營養元素,例如:磷、鉀等,但這些元素容易與其他元素結合成為不溶於水的化合物,像是:磷酸鈣、磷酸鐵、磷酸鋁,因此無法被植物有效地吸收利用,也使得肥效大打折扣。如果有溶磷菌與溶鉀菌這類的微生物存在的話,它們就能將土壤中的磷、鉀轉變成為可溶於水的形式,方便植物吸收,藉此可以減少施肥的量,這些菌種像是:氧化硫桿菌可以幫助不溶性磷鹽的溶解,乳酸菌﹑醋酸菌等細菌可以分泌乳酸﹑醋酸等有機酸,使土壤中的磷酸鹽溶化。在「微生物與有機農業(四):微生物製劑的應用」一文中,也提到土壤中還有不少有益於植物生長的土壤微生物,可知土壤中的微生物也是一個小型的生態圈。

 
 

除了前述的細菌外,真菌家族也有好壞之分,有些會傷害植物,但有幾類真菌卻是有助於植物吸收土壤養分的好朋友,在「植物內生真菌的角色」一文中,從生物多樣性的角度,描述植物與一起生存的真菌間的互動關係,方式還真是五花八門呢,文末也有說明如何分離培養及保存菌種的方法,想要多了解內生真菌的讀者,不妨細讀之。

 

在這些真菌中,最常見的菌根菌是一群能與植物共生的真菌,它們進入植物組織時,並不會引起植物明顯病徵,並且會協助植物對抗其他病原菌、增強寄主植物對棲地的適應能力(例如:高鹽土地)或環境逆境(例如:乾旱、寒流)的耐受能力。在自然環境中,共生真菌幾乎存在於所有裸子植物及被子植物的組織內,可以增加植物適應生物性或非生物性逆境的能力,可應用在增加作物的產量、減少灌溉用水量,或增加貧瘠與鹽化土地的可利用性。在「互利共生」一文中,也介紹可可樹(Theobroma cacao)藉由噴灑一種真菌的孢子後,可增強對致病性真菌的抵抗能力。

 

整體來說,植物和真菌共生以後,植物根部細胞壁會增強增厚、植物根部的水楊酸及酚類化合物的含量會增高等,可以更有效地抵抗土壤中病菌的入侵。微生物肥料對植物而言有助於養分的吸收與利用,又能防止有害菌的入侵,跟優酪乳對於人類的影響,還真有幾分相似呢。

 

土壤是許多微生物的天堂,施用微生物肥料後,微生物菌種就可以直接進入土壤,做為改善土壤質地的先鋒。但是,現在有些「有機農業」的愛好者認為只要是施用雞糞、豬糞或其他「生肥」如魚粉、米糠……之類成分當作肥料,就是所謂的「有機農業」了。但「微生物與有機農業(一):有機農業的概念」一文中就提醒大家,這些「生肥」必須要經過微生物分解成可溶於水的營養分之後,才能被植物吸收,而這類有益微生物總稱為「分解菌」,它們能將生物殘骸、有機物質分解成為植物可吸收的小分子,在土壤的腐植化作用中生成的腐植質能改善土壤的理化性質,更有利於農業生產。

 

在「肥料:微生物肥料的妙用」一文中,除了描述可做為農業肥料的微生物之外,也提點了許多施用微生物肥料需要注意的事項,有興趣的讀者可閱讀參考。如果缺乏微生物,「生肥」並不能被植物吸收,反倒會引起一堆腐生菌造成病害或汙染周遭環境。微生物肥料是活生生的生命體,施用後也要確保效力能長久維持,所以要注意土壤的物理化學性質與微生物適合生長的條件是否相符。因此,有機農業的運作除了施用有機肥外,千萬別忘了「土壤微生物群」。

 

由於生物科技的定序技術突飛猛進,有一項研究環境微生物相的專業領域---總體基因組學(metagenomics),即是藉由次世代定序(Next Generation Sequencing;NGS)來了解環境微生物基因表達的情況,來研究環境中的微生物世界(包含土壤、湖泊甚至是人類的腸道),這些成果將會加速人類對微生物的認知以及它們對人類所造成的影響,而人類也可以藉此發掘出更多的微生物資源。

 

雖然,早期還蠻容易見到在田間燃燒稻草作為肥料的方法,在「稻草作肥用埋的別用燒的!?」就有提到稻草如果先用機器裁成5到7公分,再混和有機益菌後均勻灑在稻田裡,用掩埋方式取代焚燒整地施肥,讓稻草分解後生成的有機質,其效果比起燒稻草產生的肥料還多出3到6倍!經過長期觀察下來,農田竟然可以增加百分3到百分之8的產量!燒稻草可說是既省時也省力,可能也不會影響到農地,但是會影響到周遭社區環境的空氣,影響到別人。從這裡我們可以再次了解土壤微生物對植物的益處竟然有這麼多,在「微生物與有機農業(三):土壤微生物的功用」一文中另增列了幾項改善土壤物理與化學性質的功能,有興趣的讀者不妨好好了解一下。

 

 

近年來人類生活品質大幅提升了,對於食物的要求,已經不只是「吃得飽」就好,還要「吃得安全又健康」,故要求無毒又安全的有機農業遂應運而生。如同「微生物與健康產業:微生物與有機農業」一文中所說的,我們已經知道過量地使用化學肥料與農藥將會對環境與生態造成嚴重的破壞,「微生物與有機農業(二):有益微生物與植物的健康」也提到化學農藥會殺死所有的土壤微生物,無論它是有益或有害,造成土壤失去微生物的調節,直到能頑強抵抗農藥的微生物出現,由於它們沒有其他微生物的競爭,故會快速在土壤中繁衍開來,糟糕的是這類型的微生物通常是掠奪能力強的有害菌,反而使得土壤微生物相變得更惡化。因此,施用有益於農業的微生物除了能幫助作物抵抗病原菌及病蟲害外,更可以分解土壤中有礙作物生長的壞物質,使作物有高生產力。減少化學農藥及肥料的過度使用,讓土地能永續利用,如果作物健康無殘留藥物毒害,我們對農產品的食用就可以更安心了。

 

 
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