微生物与有机农业

作者：台湾师范大学生命科学系李冠群副教授

微生物与有机农业（一）：有机农业的概念

泥土中含有各种微生物及微小生物，不管这些微生物是有益还是有害，他们之间却维持着一种生态上的平衡，互相制衡而共存，泥土中充满了生命体。

       泥土中含有各种微生物及微小生物，不管这些微生物是有益还是有害，他们之间却维持着一种生态上的平衡，互相制衡而共存，泥土中充满了生命体。
       泥土中含有各种微生物及微小生物，不管这些微生物是有益还是有害，他们之间却维持着一种生态上的平衡，互相制衡而共存，泥土中充满了生命体。
       现今农业界常有一种错误的观念，就是以为施用鸡粪、猪粪或其他“生肥”如鱼粉、米糠……之类的有机质就是道地的“有机农业”了，其实这些“生肥”材质并不能为植物所吸收，反而造成腐败与病虫害的衍生。有机质必须经过微生物分解成可溶于水的营养分之后，才能为植物所吸收，同时微生物也必须靠这些物质分解时，取得能量与养分才能大量繁殖以发挥其功能，只有当有机物与有益微生物同时并存时，才能使植物体健康成长。因此，有机农业的运作除了施用有机肥外，千万别忘了“土壤微生物群”。
       土壤中除了有益微生物之外，也有病原菌及病虫害的同时存在，这一些微生物同样地会利用有机质来大量繁殖，其结果除了造成作物的病害之外，同时也招来虫害与蚊蝇。因此，有机物的施加必须配合以有益微生物，来对抗病原菌才能有助于作物。现今台湾的农地，因为滥用化学农药与肥料，天然的有益土壤微生物都被毒杀殆尽，而倔强的病原菌则相对地肆意猖獗，在耕地上占其优势，因此如果一味地施加有机物于如此恶劣条件之耕地上，反而会助长病原菌的滋长而造成更严重病害的祸源，其前后差异只在“土壤微生物相”的恶化所致。
       作物一旦发生病害，应即刻选用合法的轻农药来抑制病害，同时在药性减退时施用有机肥料及有益微生物，来补充作物所需要营养分及有益微生物群。如此运作，可使作物迅速恢复健康、增加抗病力。继续定期如此运作，除可增强植物的抗病力，减低病害的频率。这就是作物“有病要吃药，无病要补身”的道理。耕地作物强壮后，不必要时就不要习惯性地施药，以达最后不用农药的目标。
      植物主要营养必须依赖有机肥，利用少量化肥来作肥培管理上的调节，能更称心如意地调节作物生长，希望作物芽叶生长，则稍加化学氮肥，催花催果则利用氮、磷、钾三元素的比例来调节，正如人类牙周出血时，利用维他命C来治疗一样，维他命对人类健康有好处，正如氮、磷、钾对植物一样，但是我们却不能放弃三餐，而每天只吃维他命过日子，如此反而会妨碍健康，作物也是一样，如果放弃有机肥而完全依赖化学肥的话，长期下来，土壤败坏，植物生长就不好。照顾作物就像照顾人类一样，三餐要营养，最好再吃一点维他命更好，有机农法使用有机肥外，再配合一些化学肥料助益不浅。有机农法运作一段时间，耕地作物健康生长，只要在有机肥中，顾虑到作物营养的均衡性，那么化学肥料就不再是绝对需要的了，如此就能做到有机农法不用化肥的目标。
       本来泥土中含有各种微生物及微小生物，不管这些微生物是有益还是有害，他们之间却维持着一种生态上的平衡，互相制衡而共存，泥土中充满了生命体，所以泥土是“活土”。但是如今农业滥用农药化肥，使这本来活生生的泥土，变成一片“死土”，更因生态平衡的破坏而致使倔强而繁殖快速的病虫害、病原菌猖獗泛滥。病原抗药性与农药化肥的依赖性及恶循环，使得台湾农每天少不了使用农药化肥。在如此恶劣的环境下，要谈自然农法，真是一件天大的难事。如果一味坚持自然农法的大前题，就是即刻停止使用农药化肥，那么一夜之间，田园中的作物势必受害而化为乌有。因此，我们必须以渐进的手法来达成不用化学药剂的目标才对。
       有机农业的目标虽是不用化学农药，不用化学肥料，但这是我们努力的目标，要达到这目标一定要经过一段艰辛的路程，首先必须恢复土壤中有益微生物，发挥大自然的力量，恢复生物间物质循环的大原则，进而修复饱受人为破坏的生态平衡与食物链，利用杀菌补菌、益菌优势与自然的拮抗作用等等的方法，来按部就班地由减农药、减化学肥料的折衷运作（准有机农法），渐次地踏入完全不用农药、化肥的地步，只有如此渐进的办法才能达到自然农法的目标，就像要上二楼，最好的办法是利用楼梯一步一歩稳健地走上去，想利用跳上楼，侥幸成功的机会不多，而且一旦失败的话，还会摔得很惨。
微生物与有机农业（二）：有益微生物与植物的健康

植物的生长与健康需要微生物为其共生伙伴，若不断地使用农药，则在杀除病原菌的同时也把有益微生物全部杀尽灭绝。(图片来源：维基百科)

       植物的生长与健康需要微生物为其共生伙伴，若不断地使用农药，则在杀除病原菌的同时也把有益微生物全部杀尽灭绝。(图片来源：维基百科)
       植物的生长与健康需要微生物为其共生伙伴，若不断地使用农药，则在杀除病原菌的同时也把有益微生物全部杀尽灭绝。(图片来源：维基百科)
传统想法中，根的功用乃是植物体定着基点，同时用之以吸收无机养分及水分的器官。这一种传统的想法，对现今面临“永续性地力”的困难问题，则提不出充分合理的说明来。为什么植物所需的水分、无机肥分充分供应之后，植物仍旧不能茂盛地成长？为什么根部不能完全地吸收这些养分？为什么病原菌、病虫害会孳衍繁生而不可收拾？
       科学的进歩突飞猛进，已能明确地追踪微量物质的来龙去脉。现代科学已能确认植物生理与微生物间不可分离的共生关系。植物根部分泌物质来供应微生物的需求，同时微生物也生产各种不同物质来回馈植物体，两者实际上乃是共生的伙伴。要使植物生长茂盛，除了水分、养分之外，足够的土壤微生物乃是最重要的必要前提。
      植物体包括根、茎、叶、花、果实，事实上它整体的表面穿着一件微生物的外衣。在土壤中根的表面周围约5厘米的范围，重重地围绕着高密度的微生物，称之为“根圈菌”。植物排出其特有的分泌物吸引无数的根圈微生物于其周围，使得根部周围的微生物密度远超出非根部的土壤区域，生活于根圈的微生物也分泌出各种有机物，包括胺基酸、低分子核酸、生长激素及各种酵素等等，这些有机物对植物生长、生殖等生理作用有显著的效果，对农产品的质与量的提升贡献甚巨。其他更有微生物侵入根部组织内，在根细胞内繁殖，这类称之为“菌根菌”，但它不但不破坏根部组织，却更能与根部细胞交换物质，共存共荣，促使根部活力、吸收力的增强，有利于植物健全的生长与自然抗病力的加强。在植物体表面也附着有无数的微生物，这一些微生物的存在，不但能使植株强壮，更能保护植物、减少病害。要达到有机农法“减农药”、“减化肥”的目标，就定夺于有益微生物在耕地上的培养之成功与否。
      放线菌类（Actinomyces）可分泌各种不同的抗生素，假球菌（Pseudomonas）可分泌各种不同的抑病物质，例如：乳酸菌（Lactobacillus）、酵母菌（Saccharomyces）、木霉菌（Trichoderma）……，都有抑病物质的分泌，只要能够好好地把这些拮抗微生物培养于耕地中，它们就会无时无刻地分泌多种抑病物质来压制病虫害的滋长，自然农药的需求量也将随之下降。
       植物的生长与健康需要微生物为其共生伙伴，若不断地使用农药，则在杀除病原菌的同时也把有益微生物全部杀尽灭绝。好菌、坏菌都抵不住剧毒的农药，造成耕地暂时性的真空状态，当药效降低时，周围仍旧存在的病原菌便乘机而入，以其快速繁殖的特性，很快地便又占据了被农药清洗干净，而没有竞争对手的耕地，于是病原菌群优势地迅速繁殖，病害更快地复现，只好再喷农药，如此一而再，再而三，造成农药喷洒愈演愈烈的恶循环，这就是现代农业的通病。如果在药效降低的同时，大量施加有益微生物群来领先占领农药洗净后的耕地，以绝对的优势来扺抗病原菌的复入，就是病原菌有多强也要相当努力，才能征服，才能占领这已充满有益微生物的耕地，还要再发挥到病症复现，更需要一段时间，如此一来，病症复发的时间自然拖长，渐渐地拉长施药周期，最后自然地与农药绝缘。
微生物与有机农业（三）：土壤微生物的功用

       有益土壤微生物除了转变有机质为肥分之外，它对促进植物生长贡献甚巨，其功用可略分如下：
       分解有机物质：土壤中有机质必须经过微生物分解成可溶于水的营养分之后，才能为植物所吸收，同时微生物也必须靠这些物质分解时，取得能量与养分，才能大量繁殖以发挥其功能。此外，微生物分泌的各种有机养分及其代谢物也可供植物吸收。
       土壤改良：微生物的繁殖除了可分泌大量多糖类黏液、促使土壤团粒化外，并可排出各种气体，包括二氧化碳、甲烷气。每1公克土壤之中，平均含有1亿个微生物体，其排出之气体与气压足以疏松土质、增进土壤空隙度与耕耘深度。丝状菌的大量繁殖，其菌丝之繁衍亦有助于土壤之改良。土壤微生物除了此类直接影响土壤物理性质的作用外，它并可分泌大量生化物质，包括胺基酸、核酸、糖类、活性酵素、抗菌物质、溶磷物质等等，以改良土壤生物性、化学性，并能抑制病原菌的增殖。
       拮抗作用：微生物在土壤中的密度达到一定限度时，为了确保自己生存的环境，微生物将分泌一些对其他微生物之生存具有抑制作用的物质或方法，如噬食、寄生或杀菌物质、溶菌物质的分泌，此为“拮抗”作用，能够产生拮抗作用的微生物即称之为 “拮抗微生物”。在土壤微生物，如果含有足够的拮抗微生物，则土壤中，甚至于植物体中的病原菌即可减少，甚至灭绝，如此可减少农药的需求量，以期将来进入完全不用农药的有机农业、自然农业的境界。
      造肥作用：空气中含有80%的氮气，但是这种气态的氮分子（N2）植物不能吸收利用，必须经过固氮菌的作用才能供给植物吸收。其实，整个大自然的氮气循环不已，称之为“氮循环”，植物吸收氮肥而成长，动物又摄食植物而成长，最后两者的尸体及动物排弃物，均需由微生物来将它腐化，其结果氮素以氨气的形态产生，此氨气又由亚硝酸菌和硝酸菌的连续作用而化为可供植物吸收利用的硝酸态氮，这些硝酸态氮的一部分由“脱氮菌”又将它游离进入空气中，这些空气中的游离氮再由“固氮菌”或雷雨的闪电力量转为植物可吸收的氮肥，植物又吸收而长大，如此一再地利用同样的一批氮元素在大自然中循环不已。
       解决土壤硬化板拮：土壤中无机磷肥常与铝、铁、钙质结合成不溶性复合物，不溶于水，又造成土质硬化现象。大多数的土壤微生物都能分泌酸性物质以助磷质的可溶化，提供植物吸收，增进磷肥。
       防止化肥流失：施洒在土壤上的化学肥料，大约有一半以上会随雨水或灌溉渗漏到地下水或流至河流及湖泊。河流或湖泊累积的肥料，可能导致水的优氧化现象，使得水中的藻类大量繁殖，因而破坏自然生态的平衡。假设土壤中有丰富的微生物，则可先行吸收这些化学成分，转化为菌体营养，当菌体死亡时再慢慢分解释放给植物利用，藉此一步步降低化肥流失所带来的生态耗损。
       解除毒素：土壤中的有害气体如硫化氢、氨气等，一部分由有机物发酵时，大量发生，另外也有一部分由土壤中“嫌气性菌”，如“硫酸还元菌”的繁殖所产生，这些气体溶于水中接触根部，将毒害组织而造成烂根，同时使病害菌乘机侵入根部而造成病害，如立枯病、黑腐病、秋落、落果等等。土壤微生物群中，如光合成菌，它可利用硫化氢、二氧化碳、水及日光或热能，将之转化成单糖类及硫酸根，硫酸根与氨又可化合为硫酸铵成为植物的肥分，不但使硫化氢、氨气等等的毒素从泥水中消失，而且还能把它们转变成有用的肥分，一举两得，这就是有益土壤微生物的一大功劳。
      由于微生物这些作用，土壤养分才能充分发挥它的效果，要培养大量有益微生物于耕地上，最先必须准备一个适合微生物生存繁殖的有机温床，耕地上不但必备微生物的粮食─有机物质之外，并须注意到土壤空隙度、保水性以提供微生物生存所需的氧气及水分。然后定期地补充综合微生物群，以维持有益微生物的菌群优势来对抗病原菌的侵入，发挥其造肥、抑病的效果。
微生物与有机农业（四）：微生物制剂的应用

（有机农业运作的基本成功条件是要有正统学术基础研究开发出来的纯净菌种为基础(图片来源：flickr)

       有机农业运作的基本成功条件是要有正统学术基础研究开发出来的纯净菌种为基础(图片来源：flickr)
       有机农业运作的基本成功条件是要有正统学术基础研究开发出来的纯净菌种为基础(图片来源：flickr)
       微生物肥料是有机农业中不可或缺的一种重要微生物制剂，微生物能固定天然氮肥，转化氨、硫化氢为肥分；溶化土壤中不溶性的磷酸盐为磷肥；又能自行光合作用制造葡萄糖，微生物也可合成胺基酸、核酸等有机肥分；分解高分子有机物为有利植物吸收的低分子物质；更能分泌各种有机酸、抗生物质、生长激素，以促植物生长、提高抗病力；微生物利用化肥合成菌体有机质，繁殖成长，可以避免化肥流失，提高肥料利用率。而微生物肥料功效有三：1.提供微生物菌种源；2.提供有机营养源；3.提供微生物发酵时分泌的抑病物质。
       例如Azotobacter属及Azotospirillium属为非共生性固氮菌，无寄主专一性，可促进各种作物根系对水分、养分之吸收力，并能分泌植物生长素及细胞分裂素；溶磷菌为可帮助土壤中难溶性无机磷盐溶化之微生物的通称，綄合土壤微生物群即包括所有“溶磷菌”，微生物中氧化硫杆菌可产生酸以帮助不溶性磷矿盐的溶解，另外如巨大芽孢杆菌﹑腊样芽孢杆菌﹑乳酸菌﹑醋酸菌等分泌有机酸如乳酸﹑醋酸等类有机酸，使土壤中难溶牲磷酸盐溶化，因为这些菌类都属一般土壤微生物群的一部分，因此只要提供良好的有机温床与一般综合土壤微生物群，做好有机农法就可达到溶磷效果，使土质疏松。
       在生物防治方面，利用微生物或其毒性物质作为防治病虫害的药剂，因其毒效专一性高，对人畜及环境的危害远比化学农药为低，没有药剂残留问题，因此对人体健康及环境生态影响上都非常重要。例如革兰氏阳性细菌—苏力菌可产生内生孢子、外毒素及结晶内毒蛋白，对多种病虫有效，尤其对鳞翅目的蛾类、鞘翅目的甲虫类及双翅目的蚊蚋类有明显效果。在环境中，尤其在日光下的持效性较短，容易被分解，没有药剂残留问题；放线菌属属可分泌各种抗生素、抗菌素、杀虫物质，除有效拮抗作用外，并具有分解纤维质及几丁质之功能；木霉菌属可产生多种抗菌物质，好酸性及高温，能以寄生方式攻击病原丝状菌。
       在做为微生物除草剂方面，利用寄主专一性，感染致病力强的植物病原菌或其酵素来消除杂草，可取代农药中使用量最大的化学除草剂的一部分。有机农业运作的基本成功条件是要有正统学术基础研究开发出来的纯净菌种为基础，有了纯净的菌种之后，最主要的是必须把这些菌种根据需要在耕地里扩大培养起来。只加菌种而不去照顾培养微生物，就好像养殖家畜而不给饲料一样，使用微生物制剂只是“洒菌种”而不是“洒菌”。耕地中有机肥一定要足够，通气性、保水性要好，有空气、有水、有营养，才能使菌种繁殖发展成菌群，然后才能显出其效果来。
附注：

      苏力菌：Bacillus thuringiensis
      放线菌属属：Streptomycess
      杀虫物质，如Blastocysin、Avermectin…等
      木霉菌属：Trichoderma
      在做为微生物除草剂方面，利用寄主专一性，感染致病力强的植物病原菌或其酵素来消除杂草，可取代农药中使用量最大的化学除草剂的一部分，可用菌种有Fusariun属的Lateritium roseum等，或Phytophthora palmivora及Collectotrichum gloeosporioides及Alternavia macrospora等，另外还有由Streptomyces hygroscopicus抽取而得之含磷peptide制成之除草剂，此类因作用极端专一性的关系，实际应用上将有相当的困难。
文章来源：科学Online
原文链接：第一部分：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48805
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