張耀聰

高雄區農業改良場

助理研究員

科技的發達促使各類農用資材不斷的推陳出新。但是農藥與化學肥料的大量施用除了提供農作的方便性和增加收穫外，亦對環境產生了不小的衝擊。曾幾何時，田間土壤中的蚯蚓、蟋蟀，以及灌溉水圳中的魚蝦、青蛙，因上述資材的不當使用而逐漸減少。化學肥料的過量使用已導致土壤微生物相與物理性狀的劣變。其對生態環境造成的影響已成為世界各國推動永續農業發展不容忽視的問題。而台灣在早期精耕政策與肥料價格保障及補助下，農民為了維護田間農作收益，養成『種田無師傅，拿肥料來堵就有…』的觀念，致使田間肥料不當施用，造成資源大量浪費。如今台灣業已加入世界貿易組織（WTO），肥料價格不再受到保障，必須隨著市場機制而調整。在各種原物料價格不斷上揚的情況下，肥料價格有逐年升高的趨勢，農業生產成本亦因此跟著提高。綜觀以上問題，農作生產的肥培管理顯得格外重要。但應如何為目前的困境解套呢？微生物的運用將扮演著關鍵性的角色。   

自然界中存在有豐富的微生物資源。微生物與人們的日常生活有密不可分的關係。舉凡醫藥製造、食品加工、環保工程等，均需要藉助微生物的作用。在土壤生態系統中，微生物的地位更不容忽視。微生物不易為肉眼所觀察，因此其所扮演的角色以往較不受農民重視。但近年來，國人的生活水準提升，環保意識抬頭，飲食文化也不同於以往。國人對食物安全、衛生及健康的重視，促使了有機農業的逐漸興起。政府為配合民意，乃積極輔導農民養成正確的合理化施肥觀念，同時加強微生物肥料的推廣與應用。若能運用天然的生物性資源促進地力改善，使其有益於提供植物養分，並促進植物對養分利用的能力，即可減少化學肥料的施用量，降低農作生產成本。   

何謂微生物肥料？簡單的說，就是含有具活性的微生物並能促進植物生長的製劑，可應用於種子、幼苗或土壤，以改善土壤環境，增進養分有效性及作物生長者。目前在國內較常研發與運用的微生物肥料有固氮菌、菌根菌、溶磷菌及促進堆肥腐熟或液肥製造的有益微生物菌劑。眾所皆知的豆科植物的根瘤菌具有固氮作用，能促進作物生長，當然亦為微生物肥料的一種。早在羅馬帝國時代，農民就已知道利用豆科作物的輪作制度可提高土壤肥力。而台灣於日據時代，也已經有日籍研究人員足立仁、金科雄等從事固氮細菌的相關研究。第二次世界大戰之後，中興大學土壤系吳敏慧教授在1954年首先提出「羽扁豆根瘤菌之分離與試驗」報告。因此，國內有關微生物肥料的研究已有五十年以上的歷史。

根瘤菌微生物肥料如何幫助植物生長？其原理與應用情況又如何？以下做一概要說明。根瘤菌為細菌的一種，屬於無細胞核的原核生物(prokaryotes)。最早於1888年從豆科根瘤中分離出細菌(bacterium radiocia)，之後被命名為根瘤菌(rhizobium)，在豆科植物的根圈中是一種重要的有益微生物。其主要可經由感染豆科植物的根毛而進入植物根部內，並引起豆科植物根部的皮層細胞增生，形成一個密閉系統的根瘤。而根瘤菌則生長在根瘤組織中，並變形成為類菌體，外圍由一層膜(envelope)包圍著。膜中含有豆血紅素，藉以控制氧氣的擴散進入類菌體，因此根瘤菌才能進行固氮作用。

氮氣雖約佔有大氣的80％，但無法由植物直接吸收利用。上述的生物固氮作用將空氣中游離氮素加以固定於根部根瘤內，並轉化成氨態氮(NH₃)，再將其轉換成銨離子(NH₄⁺)和硝酸根離子(NO₃^-)，自製氮素養份以提供植物利用。而另一方面，豆科植物的根部會分泌出生物素(biotin)、維生素B1(thiamine)、醣類及氨基酸等碳水化合物。根瘤菌以此為其生長所需的養分，並藉由此種分泌物，以百萬計的增生速度聚集於根圈附近，而促進根瘤增生。此種關係稱為互利共生。

另外，在非豆科植物中，如海岸林建造常見的樹種－木麻黃、山坡崩塌地造林常運用的先驅樹種－赤楊、以及果實可食用的特用作物樹種－楊梅，亦均會有根瘤的產生。但其產生的根瘤主要為放線菌(frankia)共生所引起。此類固氮菌較一般細菌更耐乾旱及高溫。共生情況良好的根瘤，其根部先端膨大、分枝、叢生聚集成團塊狀。共生根部幼嫩先端的固氮能力較佳。但根瘤會隨時間老化而成黑褐色，逐漸失去固氮能力而崩解。其共生形成根瘤的固氮能力大約與豆科植物的根瘤菌相當。對整個地球生態系統而言，其所固定的氮素總量並不亞於豆科植物根瘤菌所固定的氮素總量。

在應用方面，早在1932年就有根瘤菌接種劑於美國上市。目前在美國、歐洲與澳洲等地已有許多商品化的根瘤菌微生物肥料出售。在一般土壤中根瘤菌的族群並不大，大約每公克土壤中僅含4∼6個。因此於未種植豆科作物的新生地農田，其根瘤菌數量相當不足。而在此類農田栽植豆類作物則需運用根瘤菌微生物肥料進行接種，以利豆科作物與其互利共生，形成根瘤進行固氮作用。以目前高屏地區而言，每年栽植紅豆及毛豆總面積超過5,000公頃。根據田間試驗發現，毛豆及紅豆接種根瘤菌微生物肥料，可節省氮肥用量1/2以上。依作物施肥手冊3要素肥料推荐量為N-P₂O₅-K₂O＝20-60-60 kg/ha，與農民慣用施肥量212-186-218 kg/ha對照，計算每公頃施肥成本可節省12,633元，並可大量減少化學肥料的使用，降低施用化肥對環境的負面影響。接種根瘤菌微生物肥料的方法甚為簡單(如圖1)。通常於豆科作物播種前，先將菌劑與種子混合拌種，平鋪於室內蔭乾後隨即播種。若已播種者，亦可於幼齡期階段將菌劑加入灌溉水中藉灌溉接種。但接種效果則以拌種方式較佳，並能節省根瘤菌劑的使用量。

細菌性根瘤菌有品種或品系間的差異。在不同種類的豆科植物間，其共生固氮能力有所不同。一般而言，固氮能力良好的菌種其形成的根瘤數較少、形體較大，根瘤切面呈淺紅或暗紅色，分布於主根及較粗側根附近，具有良好的互利共生關係。而固氮能力較差或無固氮能力的品系則多形成小粒圓形的白色根瘤，分佈於鬚根系，且部分具有寄生關係，依靠寄主提供養分維生，而無法供給寄主所需的氮素。目前，高屏地區每年毛豆及紅豆春作、秋裡作及冬作合計約有4,500公頃，使用推廣的根瘤菌微生物肥料，進行田間接種。其微生物肥料菌劑的來源，主要係由農委會補助，中興大學土壤環境科學系楊秋忠教授研發提供。

非豆科植物放線菌則尚未獲得普遍的應用。由於此類固氮菌於1978年才被成功的分離培養，並證實其固氮能力，且與其共生的植物多屬於較為粗放的森林樹種，國內目前尚未有商品化產品銷售於市面。此外，由於具共生固氮能力的微生物均屬好氣性，若根圈土壤太密實或具湛水狀態，則土壤通氣不良，根瘤不易形成；且施用過多的氮肥會抑制根瘤的發育與形成，固氮能力也會因之減弱。

根瘤菌微生物肥料，目前在農委會計畫性的輔導下，已成為國內農業單位推廣面積最為廣泛的微生物肥料菌劑。但要使其發揮最大效益，讓小兵也能立大功，則需農民有正確的施肥觀念。適量使用肥料，並有效維持田間良好的生態環境，以供有益微生物進行繁衍，才能確保土壤微生物資源的多樣性。另外，微生物肥料的商品與種類有逐漸增加的趨勢。在微生物肥料的施用上，有任何相關疑問，可諮詢各地區的農業改良場，以尋求正確的使用方法。值得注意的是，微生物肥料並非萬靈丹，不是任何作物與土壤條件均能有效適用。必須先行採樣檢測土壤肥力，並配合適當作物栽植，以及選用適當的微生物肥料適地適種，才能真正事半功倍，達到減少化肥施用、增加收穫品質、並使地力獲得改善的目標。唯有如此，生態環境品質才能確保，農業生產才能獲得永續發展。