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   微生物制剂在改善作物根部生长及有机肥制作之应用





    
    
    
    前 言
    
    在作物栽培过程中使用生物制剂为现今栽培的新趋势,微生物制剂使用在作物生长上的效益可粗分为直接利益及间接利益二大类。直接利益微生物以能直接促进植物营养吸收方式促进生长为主,如菌根菌、固氮菌、根圈有益微生物群;而间接利益微生物则包括对植物病原菌、植物虫害及杂草竞争之生物控制作用,如苏力菌、木霉菌、枯草杆菌,所以是属于降低影响作物生长不良环境因子作用的间接机制。这些微生物所产生的功用主要在促进植物生长、增加产量、减少病虫害,其它功能尚包含有产生植物贺尔蒙、诱发植物抗病反应、降低土壤酸化、减低土壤盐类累积、诱使其它有益微生物产生。这些生物制剂近年来已有相当多的研究人员投入,无论其所采取的机制为何,这些微生物在实验过程中均能显现促进作物生长潜能,能取代无机肥料及化学杀虫剂,降低生产成本及减少环境污染,并能确保作物产量。是以目前在各项农业资源遭受威胁的今天,微生物资源的研发可能是一条明智之途。
    
    根圈有益微生物之种类及功用
    
    植物根圈微生物在植物生长过程中,扮演了重要的角色,其除了有可造成植物病害的病原微生物外,亦包含有促进植物生长的微生物。促进植物生长的根圈微生物依其作用包含有:
    
    促进植物养分吸收利用
    
    这类微生物因其功能可与作物根部共生,如固氮菌类、菌根菌类、溶磷菌类(包含溶磷细菌类、溶磷真菌类、溶磷放射线菌及菌根菌),藉由微生物的吸收及代谢作用可从土壤及矿石中固定游离氮、吸收养份或溶解无机盐类如磷钾,以供应植物生长所需的养份,进而促进其生长。一般此类微生物在环境恶劣、土壤贫瘠或化学肥料欠缺地区使用效果较显著,可克服如干旱、淹水等影响植物生长之因素。目前较常用且有商品化者,计有(1)根瘤菌可促进氮的利用,一般为液态菌种包装。 (2)菌根菌类,可协助磷吸收、抗旱、抗盐及提高抗病性,一般为固态菌种(孢子与砂土混合)包装。 (3)溶磷菌类能将土壤中被固定的有机磷矿质化或促进难溶性无机磷酸盐溶解,能提高磷的利用性,一般为液态菌种包装。
    
    抑制土壤有害微生物之为害
    
    使用在土壤病原菌生物防治上的细菌种类有冠瘤菌、萤光细菌、枯草杆菌、木霉菌及放射线菌等,这些微生物可直接或间接抑制病原微生物之生长、繁殖与为害,其可藉由产生抑菌物质、缠绕寄生或营养竞争而降低病原微生物的为害。目前较常用且有商品化者,计有(1)萤光细菌类可抑制小麦病害及大部分腐霉病菌引起的病害、立枯丝核病及镰孢菌病害。 (2)枯草杆菌类,可减少灰霉病、白粉病、露菌病及锈病。 (3)木霉菌类可抑制重要农艺和园艺作物之立枯丝核病、白绢病、菌核病、疫病、腐霉病、灰霉病及镰孢菌等。 (4)放线菌类可防治线虫、立枯丝核菌及腐霉病引起之病害。
    
    
    促进植物生长之根圈微生物
    
    本类细菌聚集于植物根圈部,其可产生植物荷尔蒙,如生长激素、乙烯、细胞分裂素、维它命及其它植物生长物质,促进植物生长与增产。这类微生物在国外研究以假单胞细菌群为主,尤其萤光细菌更可产生大量之生长促进物质及抗生物质,对植物生长促进及抑制有害微生物皆有极显著之功效,但在国内使用上效果并不如预期有效。具这些特性之微生物尚包含有枯草杆菌类、木霉菌类及放射线菌类等等,其除产生生长促进物质外,有益根圈微生物尚可利用或代谢土壤中一些微生物产生的有毒代谢物质(如氰酸),可减轻其对植物根部的伤害而使植物正常生长。这些根圈微生物除了扮演促进植物生长、养分吸收及病害抑制之各种角色外,近来更有研究发现其能诱导植物产生系统性抗性,而对病原感染时所造成之发病率或发病程度显著降低。此种抗性现象显露了此类细菌生物防治的一种新机制,也开启了植物病害防治的新途径。本场经多年研究,己开发多种有益微生物,其中木霉菌已研发多项产品运用于田间效果显著,除可促进植物生长、增加产量、减少病虫害、产生植物贺尔蒙、诱发植物抗病反应外,并能减低土壤盐累积、降低土壤酸化、并诱使其它有益微生物产生,可协助农友提高作物产量及收益。微生物制剂有机肥制作之应用一般农业废弃物均兼具污染性及资源性,如妥为处理,将能转化为农业生产系统中的养分源(氮、磷、钾)及能量源(碳)。因此将农业废弃物回归于农田,不仅合乎资源再利用的自然法则,而且也是现今消纳如此庞大量有机废弃物之重要方向之一。然而施用未腐熟的有机物,容易造成土壤过度还原性及释出毒性物质等问题。因此有机废弃物需经过适当的堆肥化处理以除去不良有机成分及毒性物质等限制作物生长的因子。所谓堆肥化作用即利用广泛分布于自然界之微生物,在控制的条件下,将废弃物中不稳定的有机组成份加以分解,转换为安定的腐植质成份,即腐熟的堆肥。在堆肥化过程中,有机物基质中所含碳水化合物会迅速被微生物作用而分解,同时微生物之增殖必须吸收氮、磷等营养成份以合成微生物体质(biomass),所以堆肥化前有机物基质中应含有丰富的营养要素成份,并需将堆肥化前有机物基质中各种成份调整至较适宜比例范围内,以利于微生物进行堆肥化作用。农牧废弃物堆肥化处理所需之微生物菌种,一般依废弃物种类组成分而有所区隔,有机材料在适当的控制条件下堆积酦酵,利用微生物作用,可以缩短有机物分解的时间,而生产出物理性状均一、化学成分稳定的高品质堆肥。参与分解有机物之微生物包括细菌、放线菌及霉菌等,在不同酸碱度范围中有不同的微生物族群,可对不同种类的有机物进行分解,但仍以中性为佳。除非资材中有极酸或极碱的物质,一般不须对酸碱度加以控制。堆肥腐熟后常呈中性或微碱性。自然环境中就有许多微生物族群,可不必刻意加入微生物之菌剂。但资材中若有大量不易分解物质时,可加入专门分解此物质的菌种,以缩短腐熟时间。此外,堆肥堆积过程中的高温化作用,会影响堆肥内微生物的种类与活性,如可利用耐高温的有益微生物菌种,将能加强堆肥内有益微生物数量,因此筛选适合的堆肥酦酵菌种将有利制造出品质优良的堆肥。
    
    堆肥微生物菌种之特性
    
    为什么堆肥要强调生物特性呢?首先,堆肥的品质与堆肥化过程与成品中的微生物相有密切关系。堆肥的生产制作涉及微生物的活动,而堆肥化是一个动态的过程,各种微生物在过程中消长,结果是堆肥内部温度与组成物的变化。因此,堆肥化过程中必须要有适当的微生物族群出现,堆肥化的成功与否与微生物作用的速度与效率息息相关。堆肥化过程可分为始温、中温、高温与后腐熟四个阶段。当堆肥化条件适当时,微生物开始繁殖,腐生性真菌及耐温性真菌族群便大量成长如Aspergillus spp.及Penicillum spp.;此时堆肥温度开始上升;当温度到达35℃时,因微生物的分解及代谢反应,使热能的产生速度最快,此为始温期。随后嗜温真菌的繁殖因材料养分分解转换而逐渐减缓,细菌作用逐渐频繁,使温度提升持续进行;当温度到达45-50℃时,耐温性真菌的族群逐渐消失,取而代之的是耐中高温细菌如Bacillus spp.及Actinomyces spp.的出现,此为中温期。当温度上升至55℃时,此刻耐高温细菌主宰整个过程,持续作用下去,温度可超过60-70℃,微生物的活动会因养分消耗而受到抑制,堆肥化的速度因而减缓,此为高温期。在实务上,堆肥会重新翻堆以使养分再均匀化,防止微生物因养份不均匀影响堆肥堆积化作用,此为现场管理的重要工作。最后则为后腐熟阶段,此时有机物分解速度与热的产生都明显减缓,中温菌再度繁殖于堆肥之中,腐植质则逐渐增加。从另一个角度而言,堆肥材料的主要作用便是提供微生物繁殖所需的养分,也可说是微生物大量繁殖所需的食物,但堆肥酦酵速率与品质常因材料内所存在的微生物种类而影响。
        
    在制作堆肥时所用的微生物是否是酦酵所需的微生物菌群?或是堆肥堆积环境适不适合微生物生长?或是添加的菌种活力强不强?这些问题常困扰堆肥制造者。目前市面上有贩卖使用的堆肥菌种偏重于中温、高温与后腐熟三个阶段的微生物,然这些微生物是否可适应堆肥初堆积的环境或利用粗材料的养份常使人怀疑,也因此常有堆肥制造业者在制造堆肥过程中无法有效的克服堆肥味道恶臭,酦酵速率品质无法提升的问题,因而导致田间施用效果不佳而影响农作物生长、品质及产量。
    
    堆肥微生物菌种之开发
    
    本场所研发的新型生物性堆肥化微生物菌种,主要针对台湾地区大宗有机废弃物之稻壳、蔗渣及木屑(菇类太空包废木屑)等纤维性高之资材,选出具快速分解能力之木微菌(Trichoderma spp.),在堆肥制造过程开始之初,将具纤维分解能力强之木霉菌菌株添加于堆积混合好之堆肥粗资材内,可分解堆肥成份中多糖类的纤维质,将多糖类成分的纤维质裂解成双糖及单糖类的碳水化合物,可供堆肥制作过程中,中、高温分解菌如放射线菌群及杆菌属细菌养份的利用来源,除可提高产品堆肥化过程中的核心温度外,并可加快堆肥组成分的矿化速率,使整个堆肥制程时间缩短,成份稳定且可增加堆肥养分含量,此外为了使具纤维分解能力强之木霉菌菌株能适应不同资材,而能快速分解堆肥粗资材,木霉菌菌种大量繁殖技术结合新型生物性堆肥酦酵菌种的开发,可利用新培养繁殖法所制配之稻谷菌种强化木霉菌之适应能力,添加到堆肥中,可促进堆肥酦酵速率,减少堆肥味道恶臭,缩短堆肥制程所费时间,诱发中温、高温与后腐熟三个阶段的微生物,并可以有效率地制造成品质优良的有机质肥料,施用于土壤除可增加土壤肥力外,并可改善土壤孔隙及团粒结构,使作物藉由堆肥的施用克服土壤逆境而能正常生长,且能增进田间农作物栽培之品质与产量。
    
    木霉菌堆肥酦酵稻谷菌种的特性
    
    运用稻谷培养木霉菌,在国内外尚未有人利用来培养,目前生产木霉菌大多利用液体酦酵培养,以厚膜孢子进行量产。或以脱壳后之米粒培养微生物,但因米粒内营养成份影响,及水份太多米粒会软化聚粘影响通气性,使微生物生长不良,水分太少则微生物因缺水而无法正常生长,固态酦酵培养因生产技术无法突破而鲜少人使用,利用所制备之木霉菌堆肥酦酵稻谷菌种特性为好气性、具纤维分解酵素、低单糖类需求微生物。本发明所研发之谷粒培养基,由于消毒完全且谷粒外壳完整,供试微生物要利用谷粒内米粒养分时要能产生纤维分解酵素,分解部份外壳后利用米粒养分,菌丝缠绕后在稻谷外壳即可形成绿色木霉菌孢子。本项发明除利用相关技术突破木霉菌固态培养瓶颈外,并具高再生性及储存期长等优势。所制备之稻谷菌种因谷粒完整具高再生性,在冲洗外壳所附之孢子后,即可覆盖保湿再生成孢子重覆繁殖二~三次,孢子数皆可维持在109spore/g左右。另并具高低温储藏性,制备好之菌种储存在-30℃低温保存箱中,活性可维持二年以上,且孢子活性无衰退情形,本稻谷菌种比市面上以厚膜孢子制品之储存时间增加一倍以上,耐低温性优于其他产品,耐堆肥酦酵高温能力强过其它产品,菌种再生性则为国内其他孢子产品无法竞争之独特性。经使用于堆肥酦酵尚可快速分解堆肥资材,快速腐熟,且菌种仍可存活在堆肥中,除可使堆肥成品成份提升稳定外,木霉菌存活在堆肥成品中尚可供作物生长使用,为其他产品无法竞争的特点。
    
    结 语
    
    台湾作物栽培环境,因化学农药及肥料的过度使用,除了破坏土壤环境外,并导致作物病菌害虫的抗药性产生,回归自然的栽培管理方式将可舒缓及延迟自然界环境选汰压力的产生,使用有机质堆肥,除了使有用资源能回收再利用,并可藉由使用于土壤中可改善土壤质地及团粒结构,而堆肥在制作过程中所产生的优势微生物种类,除可使堆肥有效养分均匀释放外,这些微生物并可在作物根部聚集累积促进作物生长,相关学者并发现此些微生物可拮抗多种病原菌为害,在本场所开发的生物堆肥产品上,目前在田间作物试验上已见成效,如水稻、茭白笋、叶菜类、甘蓝、番茄、青椒、茄子、丝瓜、苦瓜、胡瓜、草莓、葡萄、柑橘、枣、梨、桃、甜柿、海芋、玫瑰、非洲菊及洋桔梗等作物上,在田间使用效益评估试验结果显示,使用木霉菌堆肥酦酵稻谷菌种制成之生物性堆肥,可以促进多种作物生长,增进产量及品质,提升农业经营效益,且未对相关作物生长有影响情形,持续使用除可增加土壤有机质含量改善土壤肥力外,并能促成农田土壤永续经营。品质不佳的堆肥常导致田间作物生长不良影响品质及产量


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