自然栽培的科學(xué)與技術(shù)

黃孝春 杉山修一 張立功

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(nóng)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(wǎng)絡(luò)”，“植物免疫”等這些生物的力量起到了農(nóng)藥與化肥的作用。利用這些生物力量的自然栽培與支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠色革命的技術(shù)有很大不同。

植物礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說由19世紀(jì)中葉的李比希創(chuàng)立（圖1）。他對作物的營養(yǎng)化學(xué)的發(fā)現(xiàn)很快被大學(xué)和農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場繼承，其結(jié)果，有關(guān)作物的營養(yǎng)吸收的研究得到發(fā)展，促進(jìn)作物生長的化學(xué)肥料的施用技術(shù)隨即確立。而且，有關(guān)作物病蟲害的研究找到了引發(fā)疾病的病原菌，弄清楚了害蟲的生態(tài)，因而各種各樣的合成農(nóng)藥相繼問世。另外，有關(guān)作物的光合成研究奠定了培育高產(chǎn)量新品種的基礎(chǔ)。有了這些研究成果后，人們不再為作物的營養(yǎng)不足發(fā)愁，也不再為病蟲害煩惱，農(nóng)業(yè)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(nóng)藥就不會(huì)有受害的擔(dān)憂。只要施用化學(xué)肥料，即使是貧瘠的土壤，也可以讓作物健康生長?；诨瘜W(xué)，生物學(xué)的綠色革命的技術(shù)具有普遍性，不管是在哪個(gè)國家，都能保證高產(chǎn)。但是，一旦停止使用農(nóng)藥，蟲、雜草、微生物就會(huì)大量繁殖，阻礙作物的正常生長，人類就不再能夠很好地進(jìn)行作物的栽培。同樣，不施肥，作物生長就會(huì)變差，收成不能令人滿意。

可是奇跡蘋果顛覆了這些迄今為止的常識(shí)。不使用農(nóng)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?guī)硎斋@。生活在農(nóng)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(nóng)田里復(fù)雜的生物群落，利用生物的力量來取代農(nóng)藥和化肥。所以，支撐綠色革命的科學(xué)和支撐自然栽培的科學(xué)的思維方式是完全不同的。以合成農(nóng)藥和化學(xué)肥料的使用為前提的作物學(xué)不適合研發(fā)“木村秋則奇跡蘋果”的技術(shù)，為了開發(fā)自然栽培的技術(shù)，我們需要和現(xiàn)在的作物學(xué)不一樣的科學(xué)。

這兩種栽培方式的不同反映了不同科學(xué)領(lǐng)域之間存在的本質(zhì)性區(qū)別，就好比生物學(xué)中的分子生物學(xué)和生態(tài)學(xué)。發(fā)現(xiàn)DNA的結(jié)構(gòu)而兩次贏得諾貝爾獎(jiǎng)的詹姆斯·沃森，兩次普利策獎(jiǎng)的獲得者，生態(tài)學(xué)家，動(dòng)物行動(dòng)學(xué)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(zhì)不同。

2 兩位生物學(xué)家之間不同的生物學(xué)

詹姆斯·沃森和愛德華·威爾森是20世紀(jì)代表性的生物學(xué)家。沃森1928年出生，15歲進(jìn)入芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)，22歲取得博士學(xué)位后渡英，因破解DNA的二重螺旋結(jié)構(gòu)，和弗蘭西斯一起榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。他回到美國后，一直活躍在研究的最前線，引導(dǎo)世界生物學(xué)界。1929年出生的威爾森幼小時(shí)代開始接觸自然，以其對螞蟻的生態(tài)和行動(dòng)研究獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位。然而，他并沒有停留于對螞蟻的研究，而是開拓了社會(huì)生物學(xué)這一新的領(lǐng)域，向社會(huì)訴說生物多樣性所面臨的危機(jī)，成為超越生物學(xué)，試圖將涵蓋社會(huì)學(xué)，藝術(shù)，宗教的人類本性與知性進(jìn)行統(tǒng)合的大師。兩人在1956—1976年期間同時(shí)就職于哈佛大學(xué)生物學(xué)部門，于1958年分別以30歲和29歲獲得終身在職權(quán)，但作為生物學(xué)家，兩人并沒有成為相互尊重的同僚。

沃森在發(fā)現(xiàn)DNA的二重螺旋結(jié)構(gòu)后，堅(jiān)信以化學(xué)為基本原理來說明生物現(xiàn)象的分子生物學(xué)將是今后生物學(xué)的發(fā)展方向。他認(rèn)為發(fā)生學(xué)，分類學(xué)，生態(tài)學(xué)等當(dāng)時(shí)還是哈佛大學(xué)主流的古典生物學(xué)落后于時(shí)代，將威爾森這樣的生態(tài)學(xué)家貶為奇異生物標(biāo)本的收集愛好者。當(dāng)然，威爾森對以沃森為代表的基于化學(xué)原理的還原主義的生物學(xué)的傲慢有著強(qiáng)烈的抵抗情緒。深知生物學(xué)中生物多樣性的重要性的威爾森絕沒有滿足于標(biāo)本收集，而是要探索隱藏在多樣的標(biāo)本里的生物本質(zhì)。

同樣是生物學(xué)，從細(xì)胞層面研究生命現(xiàn)象的分子生物學(xué)和以生物社會(huì)為研究對象的生態(tài)學(xué)，兩者依據(jù)的理論完全不同。沃森和威爾森的對立與其說是個(gè)人的感情對立，不如說是扎根于生物學(xué)的研究領(lǐng)域的不同主張。細(xì)胞的生命現(xiàn)象，說到底是基于化學(xué)原理。父母傳給小孩遺傳基因的結(jié)構(gòu)，從卵到蝌蚪再到青蛙的成長過程，捕食并將它轉(zhuǎn)換為活動(dòng)能量的代謝過程，這些都受化學(xué)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(huì)違背重力逆向運(yùn)動(dòng)一樣，生命現(xiàn)象不會(huì)偏離化學(xué)法則。物理學(xué)，化學(xué)都有基本法則，各種現(xiàn)象的發(fā)生都遵從這些法則。因此，物理學(xué)家，化學(xué)家的工作就是發(fā)現(xiàn)這些基本原理，并運(yùn)用這些原理來預(yù)測，說明比如天體運(yùn)動(dòng)，電流，物質(zhì)的變化等復(fù)雜的現(xiàn)象。

沃森的目的就是像化學(xué)，物理學(xué)那樣，根據(jù)基本法則對在細(xì)胞層面發(fā)生的生命現(xiàn)象進(jìn)行有系統(tǒng)地重構(gòu)。被稱為分子生物學(xué)的這個(gè)潮流取得了巨大成功，將生物學(xué)提高到和物理學(xué)、化學(xué)平起平坐的地位。而且分子生物學(xué)的發(fā)展還被運(yùn)用到癌癥等疾病的治療、轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)等醫(yī)療和農(nóng)業(yè)這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。綠色革命的栽培技術(shù)的普遍性，歸根結(jié)底是依托以沃森為代表的生物學(xué)的化學(xué)基礎(chǔ)。但是僅僅依靠化學(xué)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(shè)計(jì)圖，每一個(gè)細(xì)胞里都含有作為遺傳物質(zhì)的DNA，雖然存在這些共性，每個(gè)個(gè)體生物仍然是有區(qū)別的，因?yàn)镈NA所寫的設(shè)計(jì)圖的內(nèi)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(jù)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(tài)多種多樣。他認(rèn)為生物的本質(zhì)就在于這種多樣性，因此對多樣性發(fā)生的原因及意義產(chǎn)生了興趣。為了研究生物多樣性，威爾森依據(jù)的不是化學(xué)的基本原則，而是達(dá)爾文的進(jìn)化論。

3 達(dá)爾文從生物的遺傳變異和繁殖力的視角解釋進(jìn)化

據(jù)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(rèn)的種還有很多，估計(jì)實(shí)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(shí)間的進(jìn)化而產(chǎn)生的。

將生物進(jìn)化作為具有說服力的科學(xué)理論展現(xiàn)給我們的是達(dá)爾文。1809年出生于英國的他在22歲至27歲乘坐貝格爾號(hào)航行世界的途中，得以觀察世界各地的多種多樣的動(dòng)植物，成為他發(fā)現(xiàn)進(jìn)化論的契機(jī)（圖2）。爾后經(jīng)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(chǔ)的進(jìn)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(xiàn)在依然是解釋生物進(jìn)化最令人信服的理論，為科學(xué)界廣泛接受。該學(xué)說不僅按時(shí)間順序來說明生物進(jìn)化的結(jié)構(gòu)，而且也對生物社會(huì)在某一場所是如何構(gòu)成的做了理論解釋。

達(dá)爾文認(rèn)為，生物的兩個(gè)基本特性必然導(dǎo)致進(jìn)化。第一個(gè)特征是遺傳變異，即生物具有產(chǎn)生遺傳變異的能力，第二個(gè)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(yōu)以適應(yīng)環(huán)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(yùn)動(dòng)能力等有很大區(qū)別。就像鳥窩里出鳳凰的諺語所表達(dá)的含義一樣，小孩跟父母的特征完全不一樣的情況亦有發(fā)生。生物的繁殖，一般來說是雄性和雌性之間精子和卵子結(jié)合的有性生殖。有性生殖就會(huì)產(chǎn)生相似和不相似這兩種可能。父母雙方的遺傳基因交叉?zhèn)鹘o小孩，由于父母的特征混雜一起，在小孩身上就會(huì)出現(xiàn)各種變異。如果想將父母的特征原樣復(fù)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?yàn)榕c此類似，對生物來說，變異更為重要。更進(jìn)一步，生物的變異，由于遺傳基因的突然變異而擴(kuò)大。突然變異可以說是DNA的結(jié)構(gòu)出了錯(cuò)，這種錯(cuò)誤偶爾發(fā)生。雖然生物具有產(chǎn)生變異的能力，但有性生殖或突然變異，其變異的內(nèi)容受運(yùn)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(jìn)化受偶然因素的影響很強(qiáng)，但僅僅靠偶然而來的變異還不能產(chǎn)生進(jìn)化。達(dá)爾文找到了安排偶然形成的變異秩序的機(jī)制，即從眾多的變異中擇優(yōu)以適應(yīng)環(huán)境。它就是自然選擇。

生物還有超強(qiáng)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(huì)按幾何級數(shù)增加，但實(shí)際上并沒有發(fā)生這樣的事情。因?yàn)樾±鲜蟪錾竺媾R食物、居所的競爭，很多會(huì)死掉。小老鼠之間如果存在爭奪食物的實(shí)力差別，強(qiáng)者優(yōu)先奪取食物得以生存。這個(gè)差別通過遺傳傳給后代，就這樣競爭力強(qiáng)的老鼠得以進(jìn)化。

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

5 自上而下和自下而上的技術(shù)

變異的發(fā)生不僅僅依賴偶然，而且在選擇的過程中也有預(yù)測不到的不確實(shí)性存在，究竟哪個(gè)個(gè)體被選擇，因環(huán)境條件不同而變化。

《物種起源》出版的時(shí)候，由于基督教的勢力很大，否定神是造物主的進(jìn)化論自然成為眼中釘。當(dāng)時(shí)已經(jīng)確立了自身學(xué)問地位的物理學(xué)也加入了批判的行列。因?yàn)樽匀贿x擇理論跟以往的科學(xué)不同，帶有很強(qiáng)的偶然因素。科學(xué)理論憎恨偶然，因?yàn)樗豢深A(yù)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(xué)、化學(xué)認(rèn)為，概率因素強(qiáng)，不可預(yù)測的達(dá)爾文進(jìn)化理論不是科學(xué)。詹姆斯·沃森和愛德華·威爾森對立的根源也在這里?；谖锢韺W(xué)，化學(xué)的普遍法則，自上而下地研究生命現(xiàn)象的學(xué)問和以達(dá)爾文式的隨機(jī)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(xué)問，兩者之間存在巨大的思想溝壑。

生物多樣性強(qiáng)調(diào)受地域的環(huán)境條件和偶然因素的影響而產(chǎn)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(fā)生的變異的選擇來創(chuàng)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(xué)的力量向生物的力量轉(zhuǎn)換過程中的農(nóng)業(yè)技術(shù)革新。

常規(guī)栽培和自然栽培是兩種方向完全相反的栽培體系。常規(guī)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(shù)的性質(zhì)帶來本質(zhì)的差別。常規(guī)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(guī)栽培都有栽培手冊。在日本，國家的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，其成果為各縣的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場根據(jù)各縣的情況進(jìn)行修正，地區(qū)的技術(shù)普及員，農(nóng)協(xié)的職員則將這些技術(shù)傳授給農(nóng)家。比如何時(shí)播種，如何施肥，何時(shí)噴什么農(nóng)藥，根據(jù)各地區(qū)的不同環(huán)境撰寫的作業(yè)手冊上都有詳細(xì)說明，農(nóng)家只要按照作業(yè)手冊去做就不會(huì)有大的失敗?，F(xiàn)在日本的常規(guī)栽培就是典型的自上而下的體系。

自然栽培不適合這種自上而下的體系，各個(gè)地區(qū)，每戶農(nóng)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(gè)農(nóng)田里的多樣的生物為對象。生物社會(huì)的構(gòu)成因場所而異，隨時(shí)間變化而變化。較之詳細(xì)的手冊而言，指南更有參考作用?？恐改侠斫庖c(diǎn)，具體的判斷還要靠農(nóng)家基于觀察來下。和依靠手冊來作業(yè)的常規(guī)栽培相比較，對自然栽培來說，農(nóng)家的個(gè)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(shù)。

6 自然栽培技術(shù)的確立

生物之間的相互作用的內(nèi)部力量和來自外部的力量（比如攪亂）影響生物群落的結(jié)構(gòu)與功能。因此，要想發(fā)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(nóng)田的生物多樣性，第二，通過攪亂來控制生物社會(huì)。生物多樣性差的地方形成不了生物網(wǎng)絡(luò)。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(qū)內(nèi)，就不能指望多樣的生物從周圍移動(dòng)過來。果園周圍是居住區(qū)還是森林，其生物多樣性會(huì)有很大的差別。

所謂景觀指的是地域內(nèi)的各種各樣的生態(tài)體系的總和，是生物多樣性的重要決定因素。歐洲曽經(jīng)對有機(jī)栽培給農(nóng)田的生物多樣性帶來的變化做過大規(guī)模的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不撒農(nóng)藥的確有助于蝶、昆蟲等生物多樣性的增加，但景觀的復(fù)雜性也起到了相等的作用。比如，較之成片成片的大規(guī)模麥田，麥地、草地、林地等不同的，混合的，復(fù)雜的土地利用形態(tài)更有效地提高了全地域的生物多樣性。這個(gè)結(jié)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(jìn)自然栽培比單打獨(dú)干會(huì)更有效率（圖4）。

7 小的攪亂帶來大的變化

自然栽培的種植活動(dòng)可以用生態(tài)學(xué)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(guān)鍵。需要提醒的是，并不是所有的生物群落的構(gòu)成種都能發(fā)揮相同的作用，要弄清楚決定這個(gè)群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵生物，即所謂的關(guān)鍵種是哪一個(gè)。美國生態(tài)學(xué)者羅伯特·佩因在海岸的潮間帶做了一個(gè)將生活在那里的海星清除的試驗(yàn)。海星是以食殼貝，貽貝為生的動(dòng)物。他發(fā)現(xiàn)，清除海星后，貽貝開始排除其他貝類，構(gòu)成種從15種大幅度減少到8種，潮間帶的生態(tài)因此大為改觀。只清除貽貝而不動(dòng)海星，群落的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的變化。只有控制海星這樣的關(guān)鍵種，群落結(jié)構(gòu)才會(huì)發(fā)生變化。

自然栽培需要瞄準(zhǔn)農(nóng)田的關(guān)鍵之所在，進(jìn)而操縱這一過程，農(nóng)田的狀態(tài)才會(huì)發(fā)生大的變化。就奇跡蘋果來說，這個(gè)關(guān)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(jìn)了植物和土壤微生物之間的氮素循環(huán)，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(shù)的要點(diǎn)。