【護土固碳05】養土共生好夥伴 種好作物得靠土壤裡的小生物

土壤在你我腳下,只因非視線所及而缺少關注,然而土壤中那些非肉眼可見的生物,卻可能關係著你我的未來。圖為跳蟲(Collembola)。(圖片來源/Andy Murray/A CHAOS OF DELIGHT 授權使用)

土壤就在你我腳下,我們卻經常視而不見、缺少關注,然而土壤中細小、甚至肉眼不可見的生物,卻可能關係著你我的未來。圖為跳蟲(Collembola)。(圖片提供/Andy [email protected] Chaos of Delight

撰文/游昇俯

土壤可以是減緩氣候變遷的答案,但若沒有土裡的生物也做不到。原始深山森林中,沒有人為施肥卻能長出參天巨木,植物的養分來自大氣沈降、土岩風化和土壤內的養分循環再利用;正因為有各種細菌、真菌等土壤微生物,以及更大型的線蟲、跳蟲、雞母蟲、蚯蚓等土壤動物,默默進行生態系統中的物質循環。

一粒土,一世界。土壤是腳底下生命的棲地,雖是地球表上薄薄的一層,但在田間抓起一把泥土,其中所含的微生物數量卻可能有數億個之多,這些微生物包括細菌、真菌、藻類、放線菌等。除了微生物,土壤中還有肉眼可見到目不能視的大中小型各種動物。

土壤絕對是最重要的生物棲地之一,但對土壤生物多樣性的關注才剛起步。土壤裡有雞母蟲、蜈蚣、螞蟻跟蚯蚓,但這些已知的土壤動物相較於未知,卻只是滄海一粟。(圖片提供/(右上、左上)林業試驗所副研究員王巧萍;(左下)MD_JERRY(右下)豐年社資料庫)

土壤絕對是最重要的生物棲地之一,但對土壤生物多樣性的關注才剛起步。土壤裡有雞母蟲、蜈蚣、螞蟻跟蚯蚓,但這些已知的土壤動物相較於未知,卻只是滄海一粟。(圖片提供/〔左上、右上〕林業試驗所副研究員王巧萍;〔左下〕[email protected];〔右下〕豐年社資料庫)

為土壤健康奔走的農委會林業試驗所副研究員王巧萍表示,以往在生物多樣性議題上,長期以來都專注在「地上」,卻對「地下」少有關注,尤其是土壤裡微米級的小型動物相關研究不多;聯合國糧農組織(FAO)去年出版「State of knowledge of soil biodiversity – Status, challenges and potentialities」(土壤生物多樣性知識——現狀、挑戰和潛力),關注2020年後的生物多樣性發展,推動土壤生物多樣性的工作終要起步。

農地裡的免費長工   土壤微生物協力度逆境

土壤微生物種類繁多,目前能以培養基培養研究者小於1%,絕大多數仍屬未知領域,因此被比擬作「黑盒子」(black box),且只能透過顯微鏡觀察,因此常被忽略。但微生物卻是掌握自然養分、能量的循環要角,中央研究院院士、中興大學土壤環境科學系講座教授楊秋忠就說:「沒有土壤微生物,就沒有所謂的自然循環。」

土壤微生物擔負起自然系統中「氮循環」的重責大任,大氣中的氮,靠土壤中的固氮菌捕捉固定,提供植物養分;土壤中的含氮有機物靠微生物分解,才能被植物吸收利用;氮素分解後的硝酸鹽也要透過脫氮菌還原為氮氣,重新回到大氣中。

跳蟲是彈尾目節肢動物,雖有6隻腳,但近年研究不再歸類為昆蟲,與長翅目昆蟲跳蚤不同,是土壤生態系中的代表性節肢動物。體型大約介於1至5公釐,是土壤食物網裡中型動物,以有機碎屑、線蟲、真菌為食,自身則被無脊椎動物捕食。(圖片提供/Andy Murray@A CHAOS OF DELIGHT 授權使用)

跳蟲是彈尾目節肢動物,雖有6隻腳,但近年研究不再歸類為昆蟲,與長翅目昆蟲跳蚤不同,是土壤生態系中的代表性節肢動物。體型大約介於1至5公釐,是土壤食物網裡中型動物,以有機碎屑、線蟲、真菌為食,自身則被無脊椎動物捕食。(圖片提供/Andy [email protected] Chaos of Delight

植物與土壤微生物演化出共生機制,包括「固氮菌」可供應植物氮素,「溶磷菌」能將土壤中固定化的磷肥釋出;「菌根菌」會以其菌絲替植物吸收水分、養分;還有的微生物可誘發植物抗病蟲害潛能,甚至會主動攻擊危害植物的病原菌。

專長菌根菌研究的農業試驗所副研究員林素禎指出,陸生植物中80%以上可與菌根菌共生,菌根菌的菌絲可擴展養分吸收面積,比植物自己的根系大上100倍,且菌絲能深入植物根系無法進入的土壤孔隙,因此遇到土壤貧瘠、乾旱等環境逆境,有菌根菌共生的植物比較能存活,根系較粗的作物如柑橘類、茶樹等,對菌根菌的依賴性又更大。

叢枝菌根菌可以侵入植物根系與其共生,互通有無。外圍淡色輪廓是植物根系,墨色部分是叢枝菌根菌菌絲在根系中拓殖的情形。(圖片提供/農業試驗所副研究員林素禎)

叢枝菌根菌可以深入植物根系與其共生,互通有無。外圍淡色輪廓是植物根系,墨色部分是菌絲在根系中拓殖的情形。(圖片提供/農業試驗所副研究員林素禎)

極端氣候的逆境下更容易發現土壤微生物對植物的效益,但若土壤不健康,微生物菌相失衡,將會影響作物養分吸收,若植物病原菌成為強勢菌種,作物還會比較容易生病。

微生物菌相愈多  植物生活機能愈好

楊秋忠是國內研究農業土壤微生物的先驅,從1995年起就著手農業土壤長期生態研究至今。他追蹤水旱輪作試驗田,施用有機質肥料的田區菌相較接近,比例較均衡,投入化肥田區的微生物多樣性最差,尤其易讓腸內菌變成優勢菌種。但出乎意料的是,綠肥處理田區卻與化肥田區菌相類似。

他說,化肥與綠肥田區土壤都偏酸性,並且施用化肥會促進微生物分解土壤中的有機質,讓微生物把「老本」都吃光了;綠肥每期作翻犁入土,植株也會很快分解變養分,有機質同樣難以累積。土壤酸化、有機質含量低,都不利土壤生物多樣性。

中研院院士楊秋忠期待國內能仿照日本制訂《地力增進法》,訂定出健康土壤的指標,以國家的力量守護有限的土壤資源。(攝影/記者游昇俯)

中研院院士楊秋忠期待國內能仿照日本制訂《地力增進法》,訂定出健康土壤的指標,以國家的力量守護有限的土壤資源。(攝影/記者游昇俯)

「土壤生物多樣性可以比擬作提供植物生長的各種『生活機能』,多樣性愈高、生活機能愈好」,楊秋忠說,但若菌相失衡、偏重某一種,當環境變化遇到牠無法克服的逆境,作物還是得跟著完蛋。

農民使用微生物肥料、微生物農藥等資材幫助作物生長,常認為土壤缺好菌就給它補好菌即可,但楊秋忠說,關鍵應在照顧好土壤的生態系及土壤健康,否則「好菌丟進土裡能否活下來、能否繁殖還未知」,借助微生物不應該是「吃補」的概念。

土壤健康  壞菌自然被抑制

林素禎近年採集新竹、苗栗、南投、雲林及臺南等地區有機栽培及慣行栽培各15個柑橘果園的土壤,分析理化性質及微生物相。林素禎表示,慣行果園可能因使用化肥養分高,土壤中的有效性氮、磷含量均較有機果園高,當果樹容易取得養分,就無需借助菌根菌供應,根系會自然減少分泌吸引菌根菌共生,菌根菌因此比較少。

她的研究結果顯示,有機果園細菌多樣性比慣行果園高,「根瘤菌」「硝化細菌」這兩類氮循環過程中重要的微生物,在有機果園數量比較多。林素禎還說,有機果園環境菌根菌族群多,可抑制寄生性線蟲生長。

不可錯殺的好蟲蟲  「壞壞」線蟲也會幫助作物生長?

線蟲是地球上數量最多的動物,個體小者以微米(um)計,多數約介於0.01到0.5公分,棲息在海洋、陸地沙漠、極地,甚至火山中,根據科學家推估,光是土壤中的線蟲個體數量就多達4.4×10^20(4.4億兆)個,相當全球70多億人口的60億倍。

線蟲常被農民視為害蟲,但除了植物食性的線蟲,土壤裡其實還有專門捕食線蟲的捕食性(肉食性)線蟲,可以抑制危害作物的線蟲數量。(圖片提供/嘉義大學生物資源學系助理教授陳宣汶)

線蟲常被農民視為害蟲,但除了植物食性的線蟲,土壤裡其實還有專門捕食線蟲的捕食性(肉食性)線蟲,可以抑制危害作物的線蟲數量。(圖片提供/嘉義大學生物資源學系助理教授陳宣汶)

土壤線蟲雖是重要的植物病原之一,但其實對作物有害的寄生性線蟲只占線蟲家族小部分,其他絕大多數仍是以微生物為食的非寄生游離線蟲。若以其食性功能群分類,線蟲家族略可分成細菌食性、真菌食性、雜食性、捕食性及植物食性5大功能群。

農民不喜歡線蟲,但在平衡土壤生態系中,多數線蟲對作物無害,研究土壤線蟲的嘉義大學生物資源學系助理教授陳宣汶指出,植食性線蟲可能危害作物,但也會被捕食線蟲的捕食性線蟲所抑制;同時,細菌食性、真菌食性和雜食性的線蟲,也可以將植物病原的細菌、真菌數量抑制下來,間接幫助作物生長。

陳宣汶表示,線蟲在土壤生態系食物網中擔任「承先啟後」的角色,牠吃細菌、真菌及小型線蟲,排放出可被植物利用的營養元素;牠自己再被高階的蚯蚓及蟎蜱、蜘蛛等節肢動物捕食,將養分從土壤生態系底層傳遞到高階;所以土壤中線蟲多樣性愈高,對土壤的營養循環愈有利。


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