土壤是復(fù)雜的有機(jī)和無(wú)機(jī)體混合物，經(jīng)由粗估，在一公頃土表15公分的耕作層內(nèi)，細(xì)菌、霉菌、藻類(lèi)、原蟲(chóng)與病毒等微生物總重量達(dá)數(shù)百至數(shù)千噸。而每噸土壤中的霉菌菌絲如相連，其長(zhǎng)度可來(lái)回地球和月球上百次。肉眼觀察豐富微生物含量的土壤，土質(zhì)色澤深、通透性良好，聞起來(lái)芬芳(放線菌特殊氣味)。土壤微生物世界，究竟在作物栽培生長(zhǎng)的環(huán)境中扮演了什么角色? 以下概略解析。
根系為作物支撐固定、攝取營(yíng)養(yǎng)的唯一器官。在復(fù)雜的根圈環(huán)境中，微生物、無(wú)機(jī)鹽、氣體、土壤動(dòng)物、水分等等的物質(zhì)，隨時(shí)和根圈互動(dòng)，更直接主導(dǎo)了作物根系吸收肥料養(yǎng)份的效率。從微觀的角度分析，根毛上細(xì)胞壁上的蛋白質(zhì)解離后，根毛表面形成負(fù)電荷，吸引帶正電荷之離子移動(dòng)至根毛表面，再經(jīng)由主動(dòng)運(yùn)輸(須消耗植物本身能量的生理反應(yīng))將養(yǎng)份轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，到達(dá)維管束時(shí)，再經(jīng)由維管束形成的蒸騰拉力，由水將無(wú)機(jī)鹽往上輸送至葉片等器官生長(zhǎng)發(fā)育。
微生物決定了根圈的土壤環(huán)境復(fù)雜的生化、生理、物理現(xiàn)象協(xié)同作用。而在根圈環(huán)境的角色，更是重中之重。首先在常態(tài)性耕作的土壤微生物，在代謝過(guò)程中釋放出有一、二級(jí)代謝物，包括有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂質(zhì)、維生素、酚類(lèi)、幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶、抗生素等物質(zhì)，有的可供根毛直接利用，有者則影響了土壤環(huán)境中的微生物生態(tài)。其次，除活菌貢獻(xiàn)代謝物外，死菌在分解過(guò)程中也貢獻(xiàn)了蛋白質(zhì)、胺基酸等并影響根圈的動(dòng)態(tài)平衡。因此，微生物的動(dòng)態(tài)活動(dòng)可說(shuō)對(duì)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育起了決定性的作用。
應(yīng)用菌肥的諸多效果，包括對(duì)果實(shí)發(fā)育中的可溶性固形物(即糖份)、風(fēng)味、產(chǎn)量等都有明顯的增加，對(duì)于糧食作物而言，抗病性、增產(chǎn)等等。這些直觀的效益，導(dǎo)源于微生物增加了肥料的利用率，提升了植物光合作用的效率和光合產(chǎn)物的累積。除了生理生化的層面，土壤微生物也奉行叢林法則，即菌海戰(zhàn)術(shù)也常在數(shù)量上「占領(lǐng)」布滿細(xì)胞壁表層，使病原菌無(wú)從接觸植物根系。我們可常從發(fā)黑、發(fā)臭、軟腐、不正常腫脹的根系或植物維管素中判斷植物被病原菌入侵，直接阻礙了植物吸收水分和養(yǎng)份而死亡。
土壤同時(shí)存在有益菌和病原菌，有益菌(常指酵母菌、乳酸菌、芽孢桿菌、放線菌等)和其也隨時(shí)處于競(jìng)爭(zhēng)拉鋸的狀態(tài)，常年使用化肥又缺乏有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，將導(dǎo)致微生物多樣性下降，益菌沒(méi)法發(fā)揮上述生理和物理的功能時(shí)，病原菌往往也有機(jī)可乘，引發(fā)病害。根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)界定，微生物肥料是指含有特定微生物活體的制品，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過(guò)其中所含微生物的生命活動(dòng)，增加植物養(yǎng)分的供應(yīng)量或促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。
目前常見(jiàn)的微生物肥料主要包括3 類(lèi)，分別為微生物接種劑(microbial inoculant)、復(fù)合微生物肥料(compound microbial fertilizer) 和生物有機(jī)肥(microbial organic fertilizer)。但三者因生產(chǎn)制造、銷(xiāo)售價(jià)格、應(yīng)用目的和方式等因素的差異而所有不同。
第1類(lèi)微生物接種劑，多為同類(lèi)的高純度單一微生物，以粉體或液體的形式存在，施用時(shí)需額外配合提供其營(yíng)養(yǎng)源(如有機(jī)質(zhì)、糖類(lèi))，以利快速持續(xù)在土壤中增殖。該類(lèi)產(chǎn)品中最常見(jiàn)的為植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR) 于土壤或附生于植物根面，可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院2015年即利用復(fù)合微生物接種劑替代部分化肥20%并在玉米表現(xiàn)出增產(chǎn)的效果。中國(guó)雖出臺(tái)了微生物肥料的相關(guān)管理辦法，但目前微生物接種劑類(lèi)產(chǎn)品依然面臨著一些挑戰(zhàn)，這包括: 1. 法規(guī)上對(duì)微生物制品仍有許多的限制，尤其是肥料在作為跨國(guó)貿(mào)易商品時(shí)較為敏感，往往是無(wú)法明確的宣稱的; 2. 土壤性質(zhì)、作物類(lèi)別、天候外在影響層面廣大，農(nóng)民使用有感與否，主觀性很大; 3. 微生物接劑或是復(fù)合肥的生產(chǎn)工藝有一定的門(mén)坎，非僅作摻混; 4. 反應(yīng)在高技術(shù)加工的售價(jià)上，農(nóng)民的使用意愿不大。
第2類(lèi)復(fù)合微生物肥料，主要的型態(tài)有固態(tài)和液態(tài)。通常為兩種或兩種以上的有益菌或功能性菌種，如根瘤菌、固氮菌、解磷菌和解鉀菌，并選擇性加入大量元素、微量元素、植物生長(zhǎng)素、腐植酸、海藻萃取物等物質(zhì)復(fù)合而成。在生產(chǎn)工藝上需同時(shí)考慮各菌種之間、菌種和元素之間的交互作用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要兼顧使用目的和使用時(shí)機(jī)的特殊性，如催芽、催花、催果、催甜等，使用的技術(shù)含量高。銷(xiāo)售成本也因產(chǎn)品的技術(shù)含量提升而相應(yīng)增加。
第3類(lèi)是最常見(jiàn)的生物有機(jī)肥，也就是廣義的農(nóng)家肥。以粉狀或粒狀或圓柱狀為主，生產(chǎn)工藝包括介質(zhì)配方混合、發(fā)酵翻堆、熟成降溫、擠壓造粒(或不造粒)，產(chǎn)品原料多源自農(nóng)產(chǎn)副資材或就地取材，無(wú)特別外加菌種，而靠農(nóng)副資材上原有的微生物，價(jià)格相對(duì)的便宜。但該類(lèi)產(chǎn)品可貢獻(xiàn)的N、P、K大量元素總量一般在5%以下。該類(lèi)產(chǎn)品施到土壤后，可為土壤微生物提供「糧食」，以確保微生物持續(xù)繁衍。相對(duì)未腐熟的有生物有機(jī)肥用到土壤中后，需靠微生物來(lái)分解，不但消耗微生物族群，分解過(guò)程中產(chǎn)生的高溫或中間代謝物，對(duì)根系有直接的傷害。未經(jīng)高溫程序發(fā)酵完成的資材，往往帶有許多病原菌和草籽等，會(huì)對(duì)土壤造成直接威脅。
目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的微生物肥料產(chǎn)品均歸屬于上述三個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別，而兼具養(yǎng)分緩、控釋功能的特殊微生物肥料卻十分罕見(jiàn)。因?yàn)橐话阍诩庸す残苑柿蠒r(shí)，微生物常因包覆過(guò)程中的高溫而被直接殺滅。應(yīng)用其他基理生產(chǎn)的微生物緩釋肥，如沸石緩釋肥，由于沸石多孔性的特性(已另文介紹)，不同的研究表明，使用沸石可成功的吸附微生物和銨離子，作為生物反應(yīng)器。韓國(guó)西江大學(xué)在2015年的研究當(dāng)中，更利用復(fù)合了硫化菌(sulfate reducing bacteria)的沸石，來(lái)去除海水中的重金屬銅、鎳和6價(jià)鉻。以上研究表明沸石和微生物具有一定的吸附性。新疆石河子市發(fā)表的研究表明，可使用膨潤(rùn)土(bentonite)和海藻酸鈉(alginate)來(lái)包覆N、P、K和PGPR，達(dá)到緩釋的效果，但仍處研發(fā)階段。馬來(lái)西亞的綠豐農(nóng)業(yè)在2000年量產(chǎn)沸石復(fù)合緩釋化肥，近1年來(lái)也將觸角延伸至含微生物復(fù)合緩釋肥，因沸石孔隙可提供微生物休眠狀態(tài)下物理空間上的「庇護(hù)所」，真正實(shí)現(xiàn)「施肥即補(bǔ)菌」的省工目標(biāo)，二者一旦施用到土壤后，便會(huì)各司其職，相輔相成。2015年綠豐農(nóng)業(yè)在「修復(fù)性肥料」技術(shù)研發(fā)上取得了眾多突破，實(shí)驗(yàn)室已優(yōu)化了產(chǎn)品組分的混配比例，并穩(wěn)定了各項(xiàng)沸石參數(shù)指標(biāo)。從而為量產(chǎn)囊括沸石、微生物、胺基酸、腐植酸、磷肥等有效成分的綜合性產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，綠豐農(nóng)業(yè)還針對(duì)受淹水、凍害、旱害等極端天候影響的作物，進(jìn)行「救根、養(yǎng)土、補(bǔ)元?dú)狻?，通過(guò)配合腐熟性的有機(jī)肥料開(kāi)溝埋入「含微生物復(fù)合緩釋肥」的方式，同時(shí)滿足作物養(yǎng)分需求、恢復(fù)土壤微生物多樣性、省工、省時(shí)、省成本等需求。
