土壤與肥料研究室研究成果介紹

一、土壤肥料研究室重要研究成果摘要

    土壤為萬物之母，作物栽種的基礎在於土壤的良窳，本研究室乃進行土壤與肥料方面的研究，研究方向且主要為新型肥料之開發、果園草生栽培對土壤碳匯及果樹成長的影響、施用生物炭搭配有機質肥料來提升有機輪作田區土壤品質與作物影響之研究。研究室主持人為林永鴻教授，每年之計畫內容皆與新型肥料之開發、果園草生栽培加值化利用、生物炭與有機質肥料施用提升有機作物生產力相關；更嘗試利用生物炭及有益微生物來促進水旱田輪作作物之品質與產量，以提供予農民參考採行。送審人將近年主要研究方向分為：(一)新型肥料開發，(二)土壤與作物肥培管理研究，(三)果園草生栽培對土壤及果樹影響、土壤碳匯及草種加值化利用，研究成果分述如下：

 

(一)新型肥料之開發

1.畜牧場沼氣脫硫設備中高硫物質及腐植酸對作物生長的影響研究

    畜牧場沼氣發電是一種廢棄資源再利用的方式，沼氣脫硫設備中的粉末含有大量的硫化物質和植物所需的次微量要素，可以做為有機質肥料的添加物質，這種含高硫物質(HSLF)若添加到液體肥料中可用來製造高硫有機液肥。有諸多的研究探討了硫肥對於提升作物抗氧化力方面的功效。本研究室曾觀察使用HSLF 後對於鹽分逆境下萵苣根尖細胞形態的影響，在含有不同NaCl（0 和 40 mM）和HSLF（0.0、1.5 和 3.0 g L^-1）濃度的水耕液中栽培萵苣。結果顯示，雖然鹽分降低了葉片中K⁺/Na⁺的比例；然而，這種逆境在HSLF處理的萵苣中卻減少了，除磷和鉀外，萵苣對於其他營養元素的吸收在高鹽濃度下則受到抑制。利用掃描式電子顯微鏡，我們觀察到在無鹽分逆境下根尖細胞是完整的，此時增加 HSLF 的補充後對根尖細胞完整度並不產生任何影響。在40 mM NaCl 處理下根尖細胞則受到嚴重破壞，但經HSLF的處理後根尖細胞則獲得了保護。儘管鹽分逆境抑制了植物的生長，但經HSLF 處理卻可保護植物免於受到鹽分逆境的傷害，這應該與HSLF 的使用減輕了萵苣的鹽害有關，當中可能與HSLF增加了植物對磷和鉀的吸收能力和提升了植體的K⁺/Na⁺比有關。

另外，於草莓抗鹽分逆境的研究中亦發現，在高濃度鹽分處理下，以150～300 mg/kg的腐植酸進行處理，草莓根尖細胞的萎縮、開裂情形可逐漸恢復完整和正常。

因此於肥料中或可適度添加高硫物質及腐植酸，以提升施用後植物產生抗鹽分逆境的效果。這些前期研究可作為爾後進行多功能有機質肥料研究之參考。

2.微生物肥料功能與蓖麻粕肥料對作物及土壤生態之影響研究

    叢枝菌根真菌 (AMF) 可與高等植物產生互利共生。一些研究顯示，AMF 的共生可增加洋香瓜（Cucumis melo L.）對養分的吸收及抗逆境能力（例如乾旱、鹽分和病害）。本研究室之研究評估了洋香瓜與AMF共生後體內蛋白質在耐鹽機制中所扮演的角色。結果顯示，AMF與洋香瓜共生後，對鹽分逆境的耐受性主要歸因於促進碳水化合物的產生、能量代謝及有機酸的產生等，這可能對養分吸收的促進、植物抗逆境能力的的提升至關重要。這項研究對不同作物於接種AMF後進一步之基因功能的探討提供了重要線索。

    在台灣，蓖麻粕 (CM) 經常被農民作有機質肥料施用，因為它可迅速提供作物氮肥的利用，然而，CM的過度施用卻易影響環境生態系統。經本研究室之研究指出，CM的最佳施用量為100-150 kg/0.1 ha，在此範圍的施用量，於作物生產和生態系統的安全性之間可以取得平衡點。

新型肥料之開發研究成果發表之著作如下：

1. Chang, Y. T., H. Lin* and W. J. Wang. 2022. Effects of the Powder from Hoggery Desulfurization Tanks on the Salinity Resistance of Lettuce. Plants. 11, 868. (SCI, IF:3.935, 47/235, Q1) (本次升等代表著作)

2. Lin, Y. H.* and Y. T. Chang. 2020. Humic acid may retard damages of cells in strawberry apices in high saline environment. Phytoprotection. 100 (1): 22-27. (SCI) (SCI, 232/235, Q4)

3. Lin, Y. H., Y. Z. Lin, H. Lin*. 2022. Studies on the Spectrum Characteristics of Five Commonly Applied Composts in Taiwan. Scientific Reports. (under review)

4. Lin, Y. H.*, C. L. Wang, and J. Y. Chiu. 2021. Proteomic studies in the symbiotic associations between arbuscular mycorrhizal fungi Glomus mosseae with melon (Cucumis melo L.) under three salt conditions. ACTA Scientiarum Polonorum Hortorum Cultus. 20(4): 17-28. (SCI, 33/37, Q4)

5. Liu, Z. S., J. M. Wu and H Lin*. 2021. Optimum Castor Meal Application in the Cultivation of Pak Choi (Brassica chinensis L.) with Toxicity Survey for Earthworms (Eisenia andrei). Horticulturae. 7, 383. (SCI, IF: 2.923, 8/37 in Horticulture, Q1)

(二)土壤與作物肥培管理研究

1.施用生物炭與有益微生物對輪作制度下紅豆與水稻有機生產的影響研究

    近年來國際雜糧價格顯著提高，使得國內已漸具栽培的條件。其中南部地區(高屏等)又以紅豆為主要經濟作物之一，而豆科作物於南部地區常以水稻進行水旱田輪作，以此方式可以改變土壤環境與減緩病蟲危害，紅豆生育週期常遭遇病蟲害，如根腐病、露菌病、病毒病、潛蠅類、斜紋夜盜蟲、薊馬等。而過去農業栽培上均使用大量農藥與化學肥料等，但長期施用這些化學資材則易致使土壤漸趨酸化，生產效益降低，加上台灣因全年多雨，土壤有機質快速地被微生物分解，造成土壤有機質大多落於 2 % 以下，因此對於追求永續經營方式將產生潛在危機。隨著食安風暴的發生，促使消費者開始追求有機農產品，而生產安全有機且質優的有機紅豆與有機稻米，並維護國人健康甚為重要。有機農業為現今政府的重要政策，生產有機雜糧作物，不但有助國人健康，且可增加農民收益。然而相關雜糧作物的耕作系統及有機生產技術目前尚缺，極需整合相關研究人力投入此項研究。經本研究室之研究結果顯示，施用生物炭可有效改良土壤理化性質，紅豆及水稻產量有逐年提升趨勢，往後將持續觀察施用生物炭之長期效果。

 

2.堆肥及沼液液肥之研究

    目前國內對馬糞堆肥製作的文獻相當缺乏，且其製程仍有一些瓶頸尚未克服，例如馬糞因質地疏鬆，含有大量高溫纖維分解菌，堆積時高溫維持的時間過長 (堆置時間往往超過半年)，使得田間施用緩不濟急；另外，包含材料適當比例的調配方式及堆置方式等也需克服，因此本研究室探討其製程的缺失並研擬解決方法。另外，沼液中通常含有腐植酸、氨基酸和礦物質等對植物生長有益物質，因此可用於農作物的施肥。以往後學的研究發現，利用適當馬糞堆肥施用量及沼液液肥適當稀釋後分別進行多種作物之肥培試驗，對作物品質及產量的提升效果良好，因此值得進一步研究。

 

3.果園草生栽培對土壤碳匯的影響

目的在於評估台灣主要作物耕作模式之碳匯及其潛量，了解耕作模式改變之碳匯變化，研擬我國高土壤碳匯耕作模式之價值化，使農民的增匯貢獻能被計算、訂價及販售，所得收益投入增匯耕作，促成農業永續轉型。本計畫的內容主要針對果園不同草生栽培方式對土壤碳匯效果評估

 

3.其他土壤與作物肥培管理相關研究

作物耐土壤逆境機制研究、堆肥及沼液液肥特性研究、微生物肥料對作物生產影響之研究。

土壤與作物肥培管理研究成果發表之著作如下：

1. Lin, Y. H.* and J. H. Chen. 2019. Effects of aluminum on the cell morphology in the root apices of two pineapples with different Al-resistance characteristics. Soil Science and Plant Nutrition. 65(4): 353–357. (99/235, Q2)

2. Lin, Y. H.* and J. H. Chen. 2020. Studies on the Gene Expression in Different Aluminum- Resistant Pineapples. Bioagro. 32(3): 179- 186. (85/91, Q4)

3. Lin, Y. H.*, T. Y. Chen, C. H. Chang, T. C. Lin, Y. J. Lee, M. J. Lin. J. H. Lin. 2021. Shorten the producing process of horse manure to fermented compost and appropriate fertilization on crops. Journal of Agricultural Biotechnology and Sustainable Development.13(1): 1-11.

4. Lin, Y. H.* and J. Y. Chiu. 2019. Studies on the sod culture and the management of soil moisture for the improvement of waxapple quality. 2019. African Journal of Biotechnology. 65(4): 353–357.

5. Lin, Y. H.*, Y. L. Wei, J. Y. Chiu, T. Y. Chen and C. H. Chang. 2020. Production of liquid Fertilizer by Fermented livestock liquid and Application on Crops. African Journal of Agricultural Research. 16(6): 752-757.

6. Chen, S. C.*, C. H. Chiu, P. T. Chiu, Y. C. Chen, H. Lin, C. C. Young, J. Y. Chiu*. 2019. Draft Genome Sequence of Manganese-Oxidizing Bacterium Massilia sp. Strain Mn16-1_5, Isolated from Serpentine Soil in Taitung, Taiwan. Microbiol Resour Announc. 8 (32): 1-2.

7. Chen, S. C*., C. H. Chiu, P. T. Chiu, Y. C. Chen, H. Lin, C. C. Young, J. Y. Chiu*. 2019. Draft Genome Sequence of Manganese-Oxidizing Bacterium Massilia sp. Strain Mn16-1_5, Isolated from Serpentine Soil in Taitung, Taiwan. Microbiol Resour Announc. 8 (32): 1-2.

8. Lin, Y. H.*, F. M. Wang, C. P. Wu, M. J. Lin, Y. J. Li , W. J. Wang and K. C. Hung. 2022. Effects of fertilization experiment by liquid of anaerobic fermentation from livestock field on soil properties and plant nutrition. Journal of Agricultural Biotechnology and Sustainable Development. 14(1): 1-9.-

(三)果園草生栽培對土壤性質及果樹生產影響與草種加值化利用

本研究室曾選擇具優良特性之五種草類栽植於棗園，結果顯示果園經草生栽培後，植草區之土壤性質普遍優於清耕栽培區，棗果品質以紅葉滿天星區及匙葉蓮子區表現較佳，產量則以黃花蜜菜區及雜生草相區表現較佳；2015年於蓮霧園試驗結果亦顯示草生栽培區對土壤性質改良、植物營養及果實品質的提升較清耕栽培區佳。2017年於紅龍果園試驗結果則顯示，草生栽培區可抑制土壤酸化，且對土壤有機質、營養元素提升效果功不可沒。果園優良草生栽培除了可改良土壤性質及增進果實品質外，倘使這些優良草種能夠經加工再利用，則不但可達友善環境功能，亦可發揮循環經濟之效，達作物生產、生態保護及商品化利用三贏之優勢。目前已開發成功之產品有漱口水、止癢膏、茶包及氣泡水，並持續進行其他優良草種之加工產品開發。

此研究相關成果發表之著作如下：

1. Lin, Y. H.* and J. Y. Chiu. 2019. Studies on the sod culture and the management of soil moisture for the improvement of waxapple quality. 2019. African Journal of Biotechnology. 65(4): 353–357.

2. Tsai, S. H., C. R. Yen, P. H. Su, H. Lin*. 2021. Irrigation of Sodium Chloride Solution Increases Anthocyanin Content of ‘Pink’ Wax Apple Fruit. Journal of International Cooperation. 16(2): 137-152.

 

十一、土壤與肥料研究室未來研究方向

    幾個未來研究主題，茲分述如下：

我國已於2022年3月正式公布「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」，提供至2050年淨零之軌跡與行動路徑，促進關鍵領域之技術、研究與創新，以引導各項產業綠色轉型。因此應藉由正確的農業操作方式增加土壤有機碳存量，未來除了可確保糧食穩定生產，並透過土壤的減排與增碳匯措施，逐步朝淨零碳排方向前進，有鑑於此，本研究室未來將朝向農田管理方式對作物生產及土壤碳匯之影響進行研究。

有鑑於生物炭及微生物肥料於農田之施用方式、對土壤之長期改良效果、對作物品質與產量之影響等尚未有明確的結果與驗證。因此，未來將進一步針對生物炭及微生物肥料對於作物影響之機制進行研究，以作為改善施用方式之參考。

進一步開發優良果園草生栽培草種，除了可以改良土壤理化性質外，這些草種亦可進行加值化利用，如製作成日常用品、飲品、化妝用品等，以達友善環境耕作之效。

持續配合環保單位進行沼渣沼液肥分再利用對於各種作物的影響研究，以達循環經濟功效。