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利用土壤與植物的簡化分析技術促進農業發展

2019/09/06 @國際

摘要

土壤為農業生產中最重要的資源之一。利用施肥翻土改善土壤性質,能夠提升農地的生產力,甚至可以穩定農業經營。而這次所採訪對象為宮城大學專攻土壤肥料學的食品產業學群暨糧食資源開發學類的木村和彥教授。   植物會在土壤裡紮根,吸收氮、磷、鉀,也就是在植物生長中所需要的「植物三元素」,但過程中也會吸收不必要的元素,例如對生物有害的金屬。木村教授研究了眾多土壤中對植物影響的元素,期盼能找到最佳的土質管理模式。本稿將針對木村教授所研究的土壤分析、以及土壤管理所面臨挑戰與未來前景進一步探討。

利用土壤與植物的簡化分析技術促進農業發展

來個一石二鳥-利用牡蠣殼減少農作物的鎘濃度
  木村教授過去曾以牡蠣殼當作肥料施土,以降低鎘濃度之驗證當作研究主題。其研究源自於日本地形上擁有許多礦山,相較於世界各國鎘濃度相當高。一旦土壤的pH值(氫離子濃度指數)上昇,就會降低植物對於鎘濃度或是各種金屬的吸收量,因此木村教授想到用牡蠣殼來中和會產生碳酸鈣的石灰岩、以作為因應對策。但是此舉也有利也有弊,若是施量過多,則會影響植物的生育。
  為此,木村教授提倡了用牡蠣殼中的碳酸鈣質取代土壤改良劑。在他過去的研究中,得知了牡蠣殼殼可以降低玄米或大豆的鎘濃度,同時也已證實並不會因為這樣而影響其生態。木村教授表示:「利用廢棄的牡蠣殼,也是有助於當地需要處理這些殼的農民。」而目前已有企業著手開發利用牡蠣殼萃取肥料。
  此外,由於植物所鎘濃度低,此研究需要高感度的ICP-MS來進行分析,因此木村教授也在著手開發MP-AES(微波電磁原子發光分析裝置)來對土壤及植物進行簡易的分析。

簡易土壤分析方法之研發源由
  由於近年來土壤礦物質匱乏情況逐漸增加,已成為日本國內需解決難題之一。加上,日本為多雨氣候,土壤中的鈣和鎂等礦物質因雨水而流入土壤裡層,容易造成酸性土壤。甚至加上農業仰賴化學肥料的原因下,更加速了土壤礦物質缺乏。
  為此,木村教授也表示:「過去日本曾廣泛利用家畜糞便當堆肥,然而隨著農業近代化,高度仰賴化學肥料施肥之後,土壤的礦物質減少嚴重性也隨之惡化,相信這樣的狀況會持續下去。」
  為了改善這種情況,最重要莫過於土壤狀態測試與施肥管理兩大重要指標。也因此,讓簡易且快速的土壤測試需求有逐年增加趨勢。
  不僅如此,木村教授針對近年來的土壤分析現況進一步指出:「為了擴大農業生產規模,詳細的土壤管理資訊必然不可或缺,此外,另一邊農民也希望一旦發現作物產生生長不良時,可立即性查出土壤狀態。然而,目前土壤分析仍需要一定程度的技術外加進一步研究。即使是送至縣的農業試驗場檢驗,負責檢驗者也未必能針對結果做出分析。再加上,由於沒有專職的分析師,因此,即使是負責檢驗者也沒有具備土壤專業分析能力。在這些諸多源由下,希望即使沒有專業的分析師,也能透過簡易的測試即可快速了解土壤狀態。」
  而木村教授正為因應這些需求,以可正確且快速多方驗證的MP-AES作為主要研究方向。

利用MP-AES讓全世界都能輕易分析土壤狀況
  一般來說,農業試驗場的土壤肥料相關領域,大多利用原子吸收光譜儀技術(AAS)來測試,MP-AES的優勢卻鮮少人知。木村教授認為MP-AES的優勢在於:「AAS麻煩之處在於每測試一個元素,需要更換一次光源燈,而MP-AES一次即可測試一個樣品是否含有多元素在內,並可以快速分析。
  再加上,最近,雖然有很多地方導入比AAS和MP-AES高精準度的電感耦合等離子體光學發射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry;ICP-OES),但ICP-OES需要氫氣原因下,不僅機器運轉成本高且設備昂貴,針對此,MP-AES設備價格比ICP-OES低,又比AAS更容易使用,可說CP值相當高。
  即便如此,MP-AES在分析土壤與植物仍舊存在諸多問題。木村教授針對MP-AES未來發展表示:「相較ICP-OES的電漿性能弱,MP-AES有幾個元素不易檢測出來,雖可測出植物中的鉀,鎂,鈣等元素,但鋅和磷就相對比較不易測出。為此,目前正與MP-AES的經銷商安捷倫(Agilent),針對測試方法與條件進一步研究當中。」
  另外,木村教授預計將在2019年9月的日本土壤肥料學會針對MP-AES土壤分析之現況發表此研究議題,他認為「土壤中雖缺乏鈣,首先可先就土壤最重要鈣等可交換性鹼根離子之分析方法進行進一步探討。
  木村教授期盼藉由此研究希望未來不僅在日本,在世界各處都能簡化植物和土壤前置作業,甚至就算沒有專業的分析者,也能輕易分析土壤情況。最後,他也表示:「期盼藉由安捷倫(Agilent)共同研究分析條件與測試方法,讓MP-AES研發能更持續進一步發展下去。此外,透過研討會與學術發表會與安捷倫(Agilent)相互交換資訊,從中也獲取更多知識與人脈。

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