自然栽培的科學與技術

黃孝春，杉山修一，張立功

(1日本弘前大學農學生命科學部 日本青森 0308570；2陜西西果聯農業發展有限公司 西安 710065)

1 蟲、雜草、微生物既可以是作物的敵人，也可以是作物的朋友

生物的力量是無農藥無化肥蘋果栽培成功的秘訣，“植物—土壤反饋”，“生物之間相互作用網絡”，“植物免疫”等這些生物的力量起到了農藥與化肥的作用。利用這些生物力量的自然栽培與支撐現代農業的綠色革命的技術有很大不同。

植物礦質營養學說由19世紀中葉的李比希創立（圖1）。他對作物的營養化學的發現很快被大學和農業試驗場繼承，其結果，有關作物的營養吸收的研究得到發展，促進作物生長的化學肥料的施用技術隨即確立。而且，有關作物病蟲害的研究找到了引發疾病的病原菌，弄清楚了害蟲的生態，因而各種各樣的合成農藥相繼問世。另外，有關作物的光合成研究奠定了培育高產量新品種的基礎。有了這些研究成果后，人們不再為作物的營養不足發愁，也不再為病蟲害煩惱，農業基本上就處于人類控制之下了。雖然世界各地有各種各樣的雜草，病原菌，害蟲，但只要使用合成農藥就不會有受害的擔憂。只要施用化學肥料，即使是貧瘠的土壤，也可以讓作物健康生長?；诨瘜W，生物學的綠色革命的技術具有普遍性，不管是在哪個國家，都能保證高產。但是，一旦停止使用農藥，蟲、雜草、微生物就會大量繁殖，阻礙作物的正常生長，人類就不再能夠很好地進行作物的栽培。同樣，不施肥，作物生長就會變差，收成不能令人滿意。

圖1 近代有機化學農業奠基人：李比希（來源：百度百科）

可是奇跡蘋果顛覆了這些迄今為止的常識。不使用農藥，作物也沒被害蟲吃光，樹葉也沒因病害全部枯萎，沒有施肥，作物也依然能適度生長并且帶來收獲。生活在農田里的蟲、草、微生物既可以成為作物的敵人，也可以成為作物的朋友。自然栽培的根基就是有效地控制農田里復雜的生物群落，利用生物的力量來取代農藥和化肥。所以，支撐綠色革命的科學和支撐自然栽培的科學的思維方式是完全不同的。以合成農藥和化學肥料的使用為前提的作物學不適合研發“木村秋則奇跡蘋果”的技術，為了開發自然栽培的技術，我們需要和現在的作物學不一樣的科學。

這兩種栽培方式的不同反映了不同科學領域之間存在的本質性區別，就好比生物學中的分子生物學和生態學。發現DNA的結構而兩次贏得諾貝爾獎的詹姆斯?沃森，兩次普利策獎的獲得者，生態學家，動物行動學家愛德華?威爾森，兩人的對立有助于理解這兩種栽培方式的本質不同。

2 兩位生物學家之間不同的生物學

詹姆斯?沃森和愛德華?威爾森是20世紀代表性的生物學家。沃森1928年出生，15歲進入芝加哥大學學習，22歲取得博士學位后渡英，因破解DNA的二重螺旋結構，和弗蘭西斯一起榮獲諾貝爾獎。他回到美國后，一直活躍在研究的最前線，引導世界生物學界。1929年出生的威爾森幼小時代開始接觸自然，以其對螞蟻的生態和行動研究獲得哈佛大學博士學位。然而，他并沒有停留于對螞蟻的研究，而是開拓了社會生物學這一新的領域，向社會訴說生物多樣性所面臨的危機，成為超越生物學，試圖將涵蓋社會學，藝術，宗教的人類本性與知性進行統合的大師。兩人在1956—1976年期間同時就職于哈佛大學生物學部門，于1958年分別以30歲和29歲獲得終身在職權，但作為生物學家，兩人并沒有成為相互尊重的同僚。

沃森在發現DNA的二重螺旋結構后，堅信以化學為基本原理來說明生物現象的分子生物學將是今后生物學的發展方向。他認為發生學，分類學，生態學等當時還是哈佛大學主流的古典生物學落后于時代，將威爾森這樣的生態學家貶為奇異生物標本的收集愛好者。當然，威爾森對以沃森為代表的基于化學原理的還原主義的生物學的傲慢有著強烈的抵抗情緒。深知生物學中生物多樣性的重要性的威爾森絕沒有滿足于標本收集，而是要探索隱藏在多樣的標本里的生物本質。

同樣是生物學，從細胞層面研究生命現象的分子生物學和以生物社會為研究對象的生態學，兩者依據的理論完全不同。沃森和威爾森的對立與其說是個人的感情對立，不如說是扎根于生物學的研究領域的不同主張。細胞的生命現象，說到底是基于化學原理。父母傳給小孩遺傳基因的結構，從卵到蝌蚪再到青蛙的成長過程，捕食并將它轉換為活動能量的代謝過程，這些都受化學原理的支配。就像蘋果從樹上掉下來是由于有重力的緣故，絕不會違背重力逆向運動一樣，生命現象不會偏離化學法則。物理學，化學都有基本法則，各種現象的發生都遵從這些法則。因此，物理學家，化學家的工作就是發現這些基本原理，并運用這些原理來預測，說明比如天體運動，電流，物質的變化等復雜的現象。

沃森的目的就是像化學，物理學那樣，根據基本法則對在細胞層面發生的生命現象進行有系統地重構。被稱為分子生物學的這個潮流取得了巨大成功，將生物學提高到和物理學、化學平起平坐的地位。而且分子生物學的發展還被運用到癌癥等疾病的治療、轉基因作物的研發等醫療和農業這些產業領域。綠色革命的栽培技術的普遍性，歸根結底是依托以沃森為代表的生物學的化學基礎。但是僅僅依靠化學的原理顯然是不能夠說明生物的多樣性的。DNA里寫有生命設計圖，每一個細胞里都含有作為遺傳物質的DNA，雖然存在這些共性，每個個體生物仍然是有區別的，因為DNA所寫的設計圖的內容不同。生物多樣性的制造者正是DNA本身。

威爾森所選擇的研究對象螞蟻以其種的多樣性而著名。據說有1萬種以上的螞蟻，既有吃纖維素的，還有吃花蜜的，還有捕吃扁虱這類小蟲的，還有吃自種的蘑菇的，生活形態多種多樣。他認為生物的本質就在于這種多樣性，因此對多樣性發生的原因及意義產生了興趣。為了研究生物多樣性，威爾森依據的不是化學的基本原則，而是達爾文的進化論。

3 達爾文從生物的遺傳變異和繁殖力的視角解釋進化

據推測，地球上生存的生物種超過150萬。土壤微生物，熱帶林昆蟲等尚未確認的種還有很多，估計實際上生活在地球上的生物種更多。所有這些多樣的生物種都是通過長時間的進化而產生的。

將生物進化作為具有說服力的科學理論展現給我們的是達爾文。1809年出生于英國的他在22歲至27歲乘坐貝格爾號航行世界的途中，得以觀察世界各地的多種多樣的動植物，成為他發現進化論的契機（圖2）。爾后經過20年的深思熟慮，他出版《物種起源》，提倡以自然選擇為基礎的進化理論。該書出版以來遭遇了很多的批評，但自然選擇理論到現在依然是解釋生物進化最令人信服的理論，為科學界廣泛接受。該學說不僅按時間順序來說明生物進化的結構，而且也對生物社會在某一場所是如何構成的做了理論解釋。

圖2 進化論：達爾文與航海旅行（來源：科普中國）

達爾文認為，生物的兩個基本特性必然導致進化。第一個特征是遺傳變異，即生物具有產生遺傳變異的能力，第二個特征是繁殖力，即生物具超常的生育能力。

4 自然選擇——從眾多的變異中擇優以適應環境

遺傳指父母的特性傳給小孩，但這里包含相反的要素。一般來說，同一遺傳基因從父母傳給子女，子女和父母相似。但同一父母所生的兄弟姊妹之間，相貌，身高，性格，運動能力等有很大區別。就像鳥窩里出鳳凰的諺語所表達的含義一樣，小孩跟父母的特征完全不一樣的情況亦有發生。生物的繁殖，一般來說是雄性和雌性之間精子和卵子結合的有性生殖。有性生殖就會產生相似和不相似這兩種可能。父母雙方的遺傳基因交叉傳給小孩，由于父母的特征混雜一起，在小孩身上就會出現各種變異。如果想將父母的特征原樣復制給小孩，無性生殖最好，但幾乎所有的生物都選擇有性生殖。因為與此類似，對生物來說，變異更為重要。更進一步，生物的變異，由于遺傳基因的突然變異而擴大。突然變異可以說是DNA的結構出了錯，這種錯誤偶爾發生。雖然生物具有產生變異的能力，但有性生殖或突然變異，其變異的內容受運氣或概率的支配。就好像人類，父母不能隨意決定小孩的特征一樣，生物也不能按照自己的意圖來制造自己想要的變異。這就意味著生物的進化受偶然因素的影響很強，但僅僅靠偶然而來的變異還不能產生進化。達爾文找到了安排偶然形成的變異秩序的機制，即從眾多的變異中擇優以適應環境。它就是自然選擇。

生物還有超強的生育能力。比如，老鼠出生50天后就可以繁殖后代，每胎生子近10只。如此，老鼠就會按幾何級數增加，但實際上并沒有發生這樣的事情。因為小老鼠出生后面臨食物、居所的競爭，很多會死掉。小老鼠之間如果存在爭奪食物的實力差別，強者優先奪取食物得以生存。這個差別通過遺傳傳給后代，就這樣競爭力強的老鼠得以進化。

對某一父母來說，后代的大量死亡，或許是一種浪費，但在廣泛的變異中通過嚴峻的淘汰，只有具有優異能力的后代才能生存下去，從進化的角度來說，這種超強生育能力就顯得很有意義。

5 自上而下和自下而上的技術

變異的發生不僅僅依賴偶然，而且在選擇的過程中也有預測不到的不確實性存在，究竟哪個個體被選擇，因環境條件不同而變化。

《物種起源》出版的時候，由于基督教的勢力很大，否定神是造物主的進化論自然成為眼中釘。當時已經確立了自身學問地位的物理學也加入了批判的行列。因為自然選擇理論跟以往的科學不同，帶有很強的偶然因素?？茖W理論憎恨偶然，因為它不可預測。愛因斯坦有一句名言，上帝不擲骰子。以普遍法則存在為前提的物理學、化學認為，概率因素強，不可預測的達爾文進化理論不是科學。詹姆斯?沃森和愛德華?威爾森對立的根源也在這里。基于物理學，化學的普遍法則，自上而下地研究生命現象的學問和以達爾文式的隨機變異和選擇來研究生物多樣性和生物群落的自下而上的學問，兩者之間存在巨大的思想溝壑。

生物多樣性強調受地域的環境條件和偶然因素的影響而產生地域固有的特征。利用生物多樣性的自然栽培的過程與通過對偶然發生的變異的選擇來創造秩序的自然選擇的過程有共通性。自然栽培可以說是從化學的力量向生物的力量轉換過程中的農業技術革新。

常規栽培和自然栽培是兩種方向完全相反的栽培體系。常規栽培排除生物多樣性，而自然栽培則利用生物多樣性（圖3）。這種方向性的不同為栽培技術的性質帶來本質的差別。常規栽培是一種自上而下的體系，而自然栽培是一種自下而上，分散型的體系。很多作物的常規栽培都有栽培手冊。在日本，國家的研究機構進行基礎研究，其成果為各縣的農業試驗場根據各縣的情況進行修正，地區的技術普及員，農協的職員則將這些技術傳授給農家。比如何時播種，如何施肥，何時噴什么農藥，根據各地區的不同環境撰寫的作業手冊上都有詳細說明，農家只要按照作業手冊去做就不會有大的失敗?，F在日本的常規栽培就是典型的自上而下的體系。

圖3 木村秋則參與編輯的《自然栽培》刊物

自然栽培不適合這種自上而下的體系，各個地區，每戶農家的田里長的草不一樣，病蟲害不一樣，土壤的肥沃度也不相同。自然栽培以各個農田里的多樣的生物為對象。生物社會的構成因場所而異，隨時間變化而變化。較之詳細的手冊而言，指南更有參考作用?？恐改侠斫庖c，具體的判斷還要靠農家基于觀察來下。和依靠手冊來作業的常規栽培相比較，對自然栽培來說，農家的個人判斷與能力格外重要。以多樣且變化無常的生物群落為對象的自然栽培更適合于柔軟的、自下而上型的技術。

6 自然栽培技術的確立

生物之間的相互作用的內部力量和來自外部的力量（比如攪亂）影響生物群落的結構與功能。因此，要想發揮生物的力量，有效地控制這兩種力量便非常重要。具體地說，第一，培育農田的生物多樣性，第二，通過攪亂來控制生物社會。生物多樣性差的地方形成不了生物網絡。生物從別的地方遷移過來，并在此定居，這是生物群落形成的最初階段。如果自然栽培的蘋果園建在居住區內，就不能指望多樣的生物從周圍移動過來。果園周圍是居住區還是森林，其生物多樣性會有很大的差別。

所謂景觀指的是地域內的各種各樣的生態體系的總和，是生物多樣性的重要決定因素。歐洲曽經對有機栽培給農田的生物多樣性帶來的變化做過大規模的調查發現，不撒農藥的確有助于蝶、昆蟲等生物多樣性的增加，但景觀的復雜性也起到了相等的作用。比如，較之成片成片的大規模麥田，麥地、草地、林地等不同的，混合的，復雜的土地利用形態更有效地提高了全地域的生物多樣性。這個結果暗示，景觀是自然栽培成功的條件。必須從地域全體的視角來思考生物多樣性，也就是說，地域全體一起來推進自然栽培比單打獨干會更有效率（圖4）。

圖4 木村秋則編著的“自然栽培”書籍

7 小的攪亂帶來大的變化

自然栽培的種植活動可以用生態學的“攪亂”來稱呼。采用什么樣的“攪亂”是決定自然栽培成功的關鍵。需要提醒的是，并不是所有的生物群落的構成種都能發揮相同的作用，要弄清楚決定這個群落結構的關鍵生物，即所謂的關鍵種是哪一個。美國生態學者羅伯特?佩因在海岸的潮間帶做了一個將生活在那里的海星清除的試驗。海星是以食殼貝，貽貝為生的動物。他發現，清除海星后，貽貝開始排除其他貝類，構成種從15種大幅度減少到8種，潮間帶的生態因此大為改觀。只清除貽貝而不動海星，群落的結構不會發生大的變化。只有控制海星這樣的關鍵種，群落結構才會發生變化。

自然栽培需要瞄準農田的關鍵之所在，進而操縱這一過程，農田的狀態才會發生大的變化。就奇跡蘋果來說，這個關鍵就是土壤。麥子，大豆的種植，雜草的清理，這些意在改良土壤的攪亂促進了植物和土壤微生物之間的氮素循環，從而改變了蘋果園。小的攪亂帶來了大的變化，這就是自然栽培技術的要點。