美國製造

可溶性矽在植物病蟲害上的機理與應用

 

首頁

實驗報告

農民實用經驗

美國農業部認證有機資材

美國華盛頓州農業部認證有機資材

OMRI, Organic Materials Review Institute

美國有機資材審查學院 認證有機資材

 

正在侵襲植物葉面的紅蜘蛛 

 

本文作者美國JCE Organic正記有機資材公司總裁 湯姆.

矽是地球表面上散佈第二廣泛的元素,但大部份的矽都是以結晶型的二氧化矽如石英、矽酸鹽化合物如矽酸鉀、矽酸鈉、矽酸鋁等形態呈現,然而在大自然界還是有存在許多生化活性矽,像可溶性矽與非結晶型矽食品級矽藻土,就是兩個最常見的例子,可溶性矽在土壤中的形成,對植物與微生物生長過程影響極大。矽元素在自然界中的生物地質化學循環程度,比起陸地生態系統中的磷與鉀元素之循環,有過之而無不及。

人類自古以來在土壤中的耕種方式,每年雖然由農作物的收成中獲得巨大的進展,但是也逐漸地摧毀土壤中的養分平衡。土壤中的矽以及其他礦物質養分,隨著農作物的生長與收成,被大量地釋出,根據統計,農田中每年每公頃大約要釋出40300公斤的活性矽。

由於矽不僅是一種植物生長,以及維持土壤中微生物活動中必需的養分,同時也是土壤組成中的一項極有助益性的元素,因此愈來愈嚴重的缺矽問題,已經造成許多不良的後果。土壤中若缺乏矽元素,會直接導致土壤肥沃度,以及可耕性的退化。矽元素在植物的生長中扮演著一項極重要的角色,它不僅能控制根部系統的發展,還能阻抗植物非生物性(高低溫,風,鹽,重金屬,碳氫化合物)與生物性(昆蟲,菌類,疾病) 之逆壓。

土壤中適時補充施予矽肥料,將可以實際解決一些以下,因矽缺乏所導致的農業經濟與環境上之問題:

 1) 矽能增加農產品的產量,同時也增進農作物的生長品質。

自從1848年以來,綜合美國一些農業實驗室,溫室,以及大田的實地試驗數據,顯示土壤中施予矽肥的益處極多,以矽元素需求量最大的單子葉植物來說,稻米增產了15-100%,玉米增產了15-35%,小麥增產了10-30%,大麥增產了10-40%,甘蔗也增產了10-55%,就是對於矽元素需求量較低的雙子葉植物,也是有著同樣的益處,這對於有機農業永績耕耘之維持,是一項令人振奮的結果。 

矽肥料的施用,在土壤與植物系統中有著雙重的效果:

l          首先,植物矽養分的增加會改善並強化植物對於疾病,蟲害攻擊,及環境天候等不利因素的保護特性。

l          第二,土壤中施予生物地質化學之活性矽,可以強化土壤的肥力,進而改善水質,與土壤的物理與化學特性,維持植物隨時都能獲得養份的狀況。

2) 矽能恢復原先遭到惡化的土壤之肥力,並且增進土壤的肥份以備新作物的耕種所需。

一般專家認為,農民每年自可耕性的土壤中,由農作物的生長與收穫所移除掉的矽,大約每公頃有50300公斤左右。由於目前農民施撒化學肥料,都是偏重於化學氮磷鉀主要配方肥料,完全忽略土壤中本來最豐富的矽肥之補充。這一種土壤中長期性的(可溶性)正矽酸的缺乏,與非結晶型二氧化矽(例如食品級矽藻土)數量的遞減,正在逐漸毀壞原本有機礦質之複合體,加速土壤有機質等級的降低,使有機礦物組成更形惡化。此時矽肥料的補充是必須的,因為如此才能提升土壤中的高度有效肥份,確保有機農業的永續經營。

3) 矽能增加土壤對於風沙與水侵蝕的抵抗能力。

施予非結晶型矽土壤改良劑(例如食品級矽藻土)能夠恢復土壤的良性結構,非結晶型矽藻土本身的多孔性與強力吸附性,能增加30-100%土壤的保水能力,離子交換能力(非結晶型食品級矽藻土CEC = 34.1cmol/kg,結晶型工業級矽藻土CEC = 7.8 cmol/kg),以及土壤抗侵蝕能力。矽能助長植物根部的發展,並能增加根部的質量達50-200%之多。

4) 矽能增加植物的抗旱能力。

土壤中若施予矽肥料,能夠在不會造成植物不良影響的狀況下,降低30-40%灌溉用水。如再加上灌排系統,施予活性矽肥料,更能使受鹽害危及的土壤完全復原。

5) 矽能中和酸性土壤中的鋁重金屬毒性,其提升pH值的中和效果不會輸給石灰。

以矽含量高的物質(例如非結晶矽,食品級矽藻土)來降低土壤中鋁重金屬毒性的作用機制可能有五種之多,石灰只是這些作用機制中的一種,但不幸的是石灰或白雲石粉雖然可以提升土壤中的pH值,但是卻會造成土壤中的磷被固定,植物可吸收的磷會被轉化成無法吸收利用的磷。以矽含量高的物質(食品級矽藻土,二氧化矽 = 89%, pH =7.6),如果再配合天然腐植酸物質的溶矽作用機制,不但可以降低土壤中鋁重金屬的毒性與提高pH值,同時也可以改善並優化植物對於磷養分的吸收。

6) 用不著另外再施以額外的磷肥,單單矽本身,就能夠增加40-60%植物對於磷養分的吸收,並可增加100-200%,植物對於磷礦石粉肥料的吸收效率。

土壤中矽肥的施予,能夠促進將植物無法吸收的磷,轉化為可以吸收與利用的磷,並且防止剛剛施於土壤中的磷肥,被轉化成植物無法利用之非流動性磷化合物。許多肥料製造商,常會將矽含量高的非結晶食品級矽藻土,加入緩釋性有機肥配方中,增進植物對於磷肥的吸收效率。

7) 矽能降低耕種地區土壤中的氮、磷、鉀肥養分被淋失的機會。

矽含量高的物質,尤其是多孔性吸,附力超強的食品級矽藻土,做為土壤改良劑,有極佳的保水保肥效果,能夠大大地降低沙質土壤中肥料養分被淋失的機會,確保養分處於植物隨時可以吸收與利用的狀態。

8) 矽能增加植物對於鹽害的抵抗能力

矽肥可以減輕高等植物對於鹽害的壓力,許多有關的學術性理論,都在解釋矽對於減低鹽害壓力的影響。

9) 矽能保護植物免受疾病,昆蟲與真菌類的攻擊。

矽的材質就是玻璃,硬度達到7,世界上最堅硬的鑽石硬度是9, 而一般昆蟲的硬度只有5。非結晶矽經過天然腐植酸溶解後,所產生的可溶性矽,能夠沈澱累積到植物的表皮層組織,物理性地強化植物組織的強韌性,並且可保護植物免受昆蟲與真菌等外力的攻擊。矽已經被學術界認為可以控制植物的疾病、真菌與蟲害的攻擊,並且還能做為一種有效的殺蟲劑與殺菌劑,更好的是矽的使用對於環境,也不會帶來任何不良的副作用。非結晶型食品級矽藻土若加水噴撤於植物的葉片表面,由於它本身的玻璃材質堅硬碎片與突刺,能機械式地刺傷蟲昆的表皮,加上其強力的吸附力更能將受傷後的昆蟲之體液吸乾,讓其最後因為脫水過多而死亡。

10) 矽能恢復遭受重金屬與碳氫化合物污染地區的植物之生機。

矽質肥料能中和重金屬毒性的影響,並能恢復土壤固有的肥力。許多農業專家在溫室與大田的試驗結果顯示,矽成份豐富的工業副產品可拿來與新的科技整合,用來純化與恢復遭石化工業產品污染地區的土壤。

11) 矽能充分地利用生物污泥。

吸附與解毒效果極佳的活性非結晶矽(食品級矽藻土),如果拿來混合像糞便肥或工業廢棄物,能夠將這些活性與毒性的污染源轉換成無毒隋性的形態。

12) 矽能延長殺蟲劑的藥效,降低化學農藥的毒降性殘留。

可溶性矽若添加在化學農藥中,可以延長殺蟲劑的藥效。對於生物藥草性驅蟲劑亦有相同效果。根據研究,矽能夠明顯地降低植物因為蟲害與疾病所帶來的損害,此外它還能緩和鋁與錳的毒性,減低氮的過量吸收,強化昆蟲害的損害控制與生物防治。矽的補充與施予,不會在食物上或環境中留下任何化學殺蟲劑的殘餘,本身又是一種價廉的物質,並且還能其他各類昆蟲控制,如生物防治,化學控學制,栽培技術等,結合成為一個總體性的昆蟲害防治方法。

 

二氧化矽的循環與功能

在土壤中,少量的矽酸會由於土壤中的微生物或昆蟲幼蟲的呼吸作用,以及植物的根與微生物所衍生出的酵素,所產生的碳酸之酸化作用去溶解二氧化矽或矽酸鹽。一般有機質較豐富的土壤都會含有一些天然腐植酸物質,要不然可以在土壤中添加一些JCE Organic天然腐植酸原粉,在土壤pH9以下的潮濕土壤中之腐植酸物質,能夠加速將土壤中的矽礦化合物中的矽釋出,形成自由基矽酸。但是矽酸卻是一種很不穩定的物質,水溶性的二氧化矽又會與有機質的表面結合,形成穩定性的非結晶矽(二氧化矽),如此一來又會阻礙矽酸的釋出。這是兩道相反的因素,控制著自由基矽酸的活動,並且在潮濕土壤中的矽酸之可利用性,扮演一個極重要的角色。一般正常的有機土壤中,矽酸含量大約在50-400 ppm之間,但這必須要在pH值在9以下的土壤中,矽酸才有可能被溶解釋出。少量的矽酸通常會浮遊在水域的表面(但如經過濾或添加劑會將矽酸移出),土壤中植物被分解的殘留物所形成的腐植酸物質,亦會產生一些矽酸。

矽的循環起始於植物由根部開始吸取一種叫正矽酸的生物活性矽,土壤溶液pH值在9.0以下時,矽酸呈水溶性不帶任何電荷,極容易遭到浸透。在植物體內組織中很快地會被轉變成水溶性或膠狀的非結晶型二氧化矽,後來這二氧化矽膠體經過轉運,凝聚,沈澱後,就不再會於植物體內移動。

矽酸在植株內的主要功能

組織功能:

累積在植物細胞壁中的二氧化矽,會增加植物表皮的抗壓性,莖的直立性與堅韌性,提高陽光的攔截率,與光合作用效率,植物的抗旱能力因而得到提升。

生理功能:植物中的二氧化矽能保存組織中的水分,降低水分的被蒸發。它亦能增進氣道的堅韌性,提升植物自根部吸收氧氣的有效性。

保護功能:

二氧化矽能增加植物抵抗病原體與昆蟲害的能力,它亦能將有毒重金屬氧化,平均輸送到植物的組織各處,因而保護植物免於受鎂與鐵等過量重金屬的毒害。矽酸亦能形成二氧化矽包覆在這些氧化重金屬微粒的表面,防止它們被凝聚與沉澱。最後這些非結晶矽所形成的微粒,以及其他含有二氧化矽的植物組織,在死亡與腐化後會回歸到土壤,又開始另一波自然界二氧化矽的新循環。

植物在成長的初期,含有微量以矽酸形態呈現的二氧化矽,但隨著植物的年齡成長,所含有的矽酸比例逐漸下降,在完全成熟的時侯,矽酸含量減低到接近零,究其原因,可能是二氧化矽的微粒逐漸地包覆著有機聚合物與多酚體有關,另外植物組織水分的喪失也會升高矽酸的凝聚度,老化的植物加上水份的乾化,可溶性矽酸的濃度就會很快地下降到接近零的程度。

 植物中的矽抵抗逆壓的機制原理

植物在應力狀態下愈能顯現矽的有益性,這是因為矽能保護植物免於受到多重非生物與生物性逆壓。許多學者研究的結果顯示,矽在不同種類植物中均能有效地控制真菌與細菌所引起的疾病。舉個例,矽能增加水稻對於稻熱病、稻瘟病、紋枯病、胡麻葉枯病、雲紋葉枯病、與小球菌核病的抵抗力。矽亦能減低黃瓜、大麥與小麥的白粉病,甘蔗的環斑病,豇豆的袢腄A百慕達草的葉斑病,聖奧古斯丁草與黑麥草之灰斑病,等發生的機會。在一項水稻稻瘟病病害系統之深入研究中,研究人員發現矽的累積能延長潛伏期,另外病斑長度,病斑擴展率,與染病葉面積都會大大地降低。

 

矽的增強對於抵抗疾病與蟲害之機制原理

1) 矽能夠被植物當成一種天然的物理阻力:

矽累積在植物的表皮與護膜下,形成一道雙層保護膜,這道護膜能夠機械式地阻擋真菌類的入侵,並瓦解病毒感染的進程。目前學術界對於矽能保護植物,免受外來疾病侵擾的最主要理論就是,水溶性矽酸雖然是一種液體,但提它的主要材質卻是堅硬的玻璃質。矽酸從植物的根部被吸收後,能夠透過植物的維管系統轉運到葉部組織,在那裡它會逐漸沈積,在葉面四週形成玻璃質的護膜,用以抵抗外來病原菌或昆蟲害的攻擊。 

根系植物不能像動物那樣有自我移動與防衛的能力,因為植物本身缺乏動能與行為控制能力。當植物遭受到攻擊的時候,它既無法逃開,也不能用爪子抓,或嘴巴咬,也無法用尖叫聲將攻擊者嚇走。植物唯有的兩種防衛機制:物理自我防衛,與自然的化學防衛。植物的物理性防衛特徵包括:刺、脊柱、毛狀體、針晶體、粗糙化、外皮組織堅韌化、硬殼、與豆莢。許多植物會以含水性的極細微非結晶二氧化矽或蛋白石顆粒,包含在細胞壁中,做為一種盔甲保護它自己。在植物界中我們可以找到許多矽能保護多種植物,對抗昆蟲侵害的例子,以極細微的固態二氧化矽儲存到細胞壁中,用以強化其表皮只是植物防衛它自己的方法之一。二氧化矽沈積在植物的葉細胞中能夠使葉片粗糙化與堅韌化,這樣更能阻止食草動物與病原體的入侵。它能形成一道物理屏障,這就是為什麼矽能抵抗昆蟲害侵擾的原因之一。

2) 可溶性矽可以做為植物對抗病原菌的調節體:

在許多單子葉植物(水稻,小麥)與雙子葉植物類(黃瓜)的研究中均顯示,植物如果含有足夠的矽,在可能造成稻熱病與白粉病等真菌病毒入侵時,能產生酚化合物與植物抗菌素,減低病毒發作的機會。何謂「植物抗菌素」?它是在植物遭受外來的病原菌入侵時,自我產生出來對付疾病的酚化合物,其作用就像是植物的自我的免疫系統。此種抗菌素會將所產生出來的酚,透過組織轉運到遭到病原菌攻擊的地點,降低植物所受到損害的程度。

3) 矽亦能活化植物的某些自我防衛機制:

舉個例,如果黃瓜的根部已遭到腐霉菌的感染與纏據,矽含量的增加能夠增強幾丁質,過氧化酶,與多酚氧化酶的活力。在稻米方面,獲得足夠的矽所培育轉變而來之新品種,在稻瘟病菌侵染與纏據的狀況下,亦會形成不同程度的葡聚醣酵素,過氧化酶,與PR-l蛋白之累積。但是,這些生化式反應,只有植物在有獲得足量的可溶性矽時才會反映出來,意味著由於矽能刺激植物本能的防衛機制,矽在加強植物抵抗疾病與病毒方面,應該扮演一個很吃重的角色。雖然有眾多學者提出一些有關的機制原理,但是可溶性矽與植物能夠抵抗疾病的生化路徑間的真正關係,尚待進一步的研究中。

4) 植物本身的胺基酸活動,能夠將可溶性矽轉變成不可溶性固態二氧化矽(非結晶矽),強化細胞表皮組織,抵抗真菌病毒與蟲害的入侵:

最近有一項有關於黃瓜在系統獲得抗性之感應研究中,有一種基因改造形成的脯氨酸含量高之蛋白質之值被強化,這種C-端重覆序列的蛋白含有極高成份的賴氨酸,與蛋白氨酸。由此種重覆序列的蛋白所衍生出來的合成縮氨酸,能夠聚合可溶性矽酸,使之成為不可溶二氧化矽;也就是非結晶矽,它能增強植物的細胞壁組織,抵抗企圖入侵表皮細胞的真菌類的刺穿。此項研究提供了矽能增強植物抵抗疾病能力,之生化與分子理論基礎。除此之外,矽亦能加強植物抵抗,像稻莖螟與稻飛蝨,等蟲害的侵擾。矽的加強對於植物最大的影響在於,它能以非結晶二氧化矽的形態,累積在植物的組織內,提供一道物理屏障,抵擋蟲害的刺穿與咀嚼。

 

二氧化矽與植物的生物與非生物性逆壓

() 非生物性逆壓

矽能緩和化學應力,物理應力,與其其他方面的生物性逆壓。化學應力包括鹽害、重金屬毒害、與土壤養分失衡;物理應力則包括倒伏、乾旱、輻射線、高溫、凍結、與紫外線。大部份的助益效果,都是肇因於矽之累積於植物的根、葉、莖、皮與殼之細胞壁中。舉個例,累積於根部的矽能降低質外體環線流量,並提供一個重金屬的結合點,結果是由根部到幼芽的重金屬之吸收與轉運量,因而降低了。累積於植物的莖、葉、殼之矽,能增強細胞壁的堅韌度,降低從表皮與護膜的蒸騰作用,結果是植物抵抗倒伏、高低溫、輻射線、紫外線、與乾旱逆境的能力因而提高。在乾旱與鹽份逆境的狀態下,矽的緩和效應可能與植物的抗氧化防衛能力的增加有關,但這也可能是矽對植物的一種益處,而不是它的直接效應,因為矽不可能直接影響到抗氧化酵素的活動。

矽除了能緩和各式的逆壓,還能保持葉的豎立性,改善陽光的截取率,刺激水稻冠屬葉片的光合作用,這一點很重要,因為在植物密集栽種的狀況下,農民通常氮肥都會施得很重,因此,如何降低各植株的相互遮蓋率將會益形重要。矽能夠增進細胞的延伸,但卻不會造成細胞分裂,究其因可能是矽在水稻的細胞壁中有提升其伸展性所致。研究學者最近發現,矽能增長植物生長區部份的伸展性,但卻同時也會減低高梁根部之內胚層细胞中,内切向壁的基部維管束組織之伸展性,這意味著矽能加強植物根部的延伸性,並以硬化軸管內胚層組織細胞壁,做為一種機械壁壘,去保護植物的軸管組織。

生長在大田裡的植物,隨時都會遭遇到來自多方面的逆壓,這些逆壓都有可能需要矽來緩和。如果一種植物的生長會累積大量的矽,例如水稻,那麼它接受到矽所帶來的益處也會愈多,因為矽這種元素能增強植物對逆壓的抵抗力。同樣地,不管是單子葉植物或雙子葉植物,任何一種植物如果想要透過矽來獲得益處,那麼它就必須要能獲得足夠高濃度的矽元素才行。這一點對於像水稻與甘蔗這種必須累積高成份矽的單子葉植物尤其重要。舉個例,如果要年年穫得水稻的豐收,那麼經常性地維持高成份的矽之累積是必需的,但是如果矽之累積時時處於低程度的狀況下,水稻的收獲之質與量,必會明顯地降低許多。

大麥在添加矽水耕液栽培下對於錳毒害的影響,可被視為是一種矽對重金屬逆境之翻轉。許多農作物也有類似相同的例子,添加在植物肥料中的矽,能減輕或翻轉重金屬逆壓帶來的不良影響,因此在豆科植物腰豆的水耕液中添加了矽之所以能降低錳毒害,不是因為矽能使植物減低錳毒素被吸收或轉運到幼芽的量,而是由於矽能增強植物的葉片組織對於所吸入的錳之容忍力所致。在水稻方面,添加在水耕液中的矽,也能夠減輕錳毒素的量。矽對於能減輕像鋁那種重金屬毒害的影響,應該也很類似,只是這方面的確實數據,還略嫌不足。

另一種礦物性逆境,「鹽害」,與重金屬逆境不同的是,它只會在鈉鹽濃度高的狀況下才會顯現出來。在幾項水稻與小麥的實驗中,研究人員發現水耕液中如果添加了矽,就能增強植物對於高鹽逆境的抵抗力。在以下的兩項實驗中,添加了矽都能減少植物體內的鹽分的濃度,豆科灌木,墨西哥合歡以含260 mM鹽分之鹽水,灌溉的結果,比含有矽之矽酸鈉含量0.46 mM相較的結果,沒經過處理的,比有經過矽處理的,對於高鹽逆境的容忍度要來得差很多。

(二)生物性逆壓

以上對於矽能保護植物抗拒非生物性逆壓之證據,其重要性遠不及像真菌類與昆蟲等破壤性極強的生物性之證據來得明顯。學者華格納早在1940年,即已提出矽肥的施予,能夠保護農作物,免於受真菌類攻擊的論述。

水耕液栽培下的黃瓜添加了矽,所帶來的許多益處已廣為人知,除此之外矽亦能增強黃瓜對於白粉病菌與其他真菌類的抵抗力。如果植物本身所含有的矽,處於不足的狀態,重覆施灑再多的殺菌劑,亦無法制止植物真菌類病變的爆發;但經過足量的矽處理過的植物,通常都不再會遭到真菌類的攻擊。不管是水耕栽培或土壤中成長的黃瓜,矽肥的施予,都有類似的結果。而且有愈來愈多的證據顯示,矽的施予的確能保護黃瓜免受真菌類的侵擾。另一篇最新的論文,更將矽肥以葉面噴灑的方式,施灑於蔬菜,並取得矽亦能降低嚴重白粉病感染的有效證據。用同樣的方法去試驗矽對於葡萄白粉病的防護,亦得到令人滿意的類似效果。然而,到底矽是如何影響病原真菌侵入植物組織的真正機理,到目前為止,學術界還沒有一套很明確一致的理論。

以上所討論的雙子葉植物,由於對於病原體的感染甚為敏感,一直都是一項令學者專家頭痛的問題。但是,學者漢德里克早在1967年,即已發表多篇有關於施加足量的矽,能抵抗水稻與穀類植物之真菌類攻擊的論文報告,這對於本來就需要高量矽的禾本科本物,並不令人感到意外。與蔬菜類不同的是,穀類植物在矽方面的研究大多數是在農田上實地試驗,其中以水稻的試驗,在經濟價值方面的結果,最令人滿意。日裔學者山內與美國學者温斯洛,在水稻於缺矽熱帶土壤中生長的論文中,指出施加矽肥的土壤,不但能像以往學者討論那樣,增加水稻的收穫量,並且還能降低水稻細菌性穀枯病的發生次數。植物像水稻穀枯病那樣的褪色現象,主要肇因於外皮遭到許多真菌類感染所致。隨後的許多研究,許多不同的水稻疾病原也被確認出,土壤中矽肥的施予降低了這些被確認出疾病原的嚴重性;不同的水稻品種也有著不同的反應結果。

水稻不僅能生長在低矽且高度礦物淋失的土壤中,大多數也能生長在低矽之有機性土壤裡。在這些土壤中,矽肥的施予,亦能大大地降低嚴重程度的真菌病毒感染。學者們曾經仔細的觀察殺菌劑在環境方面的應用,但也很想好好去研究,像矽肥這種非傳統方式的殺菌方法。就像我們以上所討論到雙子葉蔬菜類的論述,矽能減低穀類植物的真菌類感染之作用機理,還是須要我們更進一步的去探討。學者卡佛在大麥的實驗中曾觀察到一些有趣的現象,他提到未來能培育出一種既能吸收高量的矽,並且能活化抗拒真菌病毒滲透的新品種的可能性。

但是,並非所有的寄生物都是真菌類,植物的幼芽也不是唯一會遭受到攻擊的器官。玄参科半寄生草本植物,「獨脚金」,就是這類植物,它能夠攻擊許多重要農作物,像水稻、高粱、小米、玉米、甘蔗、與小粒穀等的根部。根據學者史萊福的研究,獨脚金是所有會遭到寄生物攻擊的種子作物中,牽涉範圍最廣,受害最嚴重的寄生物。獨脚金的吸根能穿透寄主的根,其穿透程度還會因寄主的品種,與根之木質化與矽化內皮層與周皮層之厚度而異。但是到目前為止,學者們還找不到矽化作用對於植物抗拒獨腳金的攻擊,有明顯的關聯。不管是真菌類的菌絲,或寄生物的吸根,如果要感染侵入植物細胞,一定要先以化學方式,破壞植物的細胞壁。包括植食性昆蟲在內的食草性動物,則必須以物理方式,直接刺穿植物的細胞壁。植物的細胞壁的物理性質,以及細胞壁被刺穿或浸軟後的細胞本質,都會影響到植物被食草動物侵害後的嚴重性。然而還是有足夠的證據顯示,植物的本身如果含有高矽成份,的確可以保護植物,免於受到食草動物的侵襲。

 

可溶性矽在水耕液中的效果

水耕液栽培法是一種,能夠讓研究人員在可以控制下的環境中,將植物的根,浸入一定組成的礦物質溶液中,研究其結果的科學方法。此種水耕液研究法,將植物的根暴露於,可以控制下的礦物質水耕液的環境中,對於過去與未來要研究礦物性植物的養分,離子轉運,礦物性新陳代謝與水關係,與不同品種對於環境逆壓的反應等,都將會扮演一個重要的角色。

以下我們將可溶性矽在植物生態環境中的一些重要效果歸納如下:

l          如果土壤中或水耕液中有充足可供植物吸收利用的矽,植物組織中所含有矽成份,會與其他重要礦物元素如鉀、鈣、鎂、硫、磷等,維持一種適量平衡的關係。

l          大部份被吸收後的可溶性矽,最後都會以非結晶矽(二氧化矽)或蛋白石的形態,沈積在植物的細胞壁中,至於沈積的部位與方式,則會因品種與環境的不同而有所不同,矽在植物吸收與轉運許多水耕液中必需與微量元素的過程裡,發揮極大的影響力。

l          矽對於許多植物的生長,尤其是它能以物理性地增強植物的細胞壁,保持植物莖與葉的直立性,以截取充分的陽光,都有正面的效果。

l          矽常常能夠緩和或消除水耕液中過度的磷,重金屬,或鹽份所帶來的不良影響。

l          矽對於植物的細胞壁之浸滲作用,使它能成功地阻檔真菌類,寄生物與植食性昆蟲的攻擊。

以上所指的這些效果雖然足以說明矽在植物生物學上的重要性,但是到目前為止,學術界一直還不能正視,矽元素在植物生長中的重要性。植物生物實驗中大部份水耕液媒體中的養份組成中,依然絕少考慮到矽肥的添加,我們建議在水耕裁培中,沒有土壤中可供溶釋出天然可溶性矽的狀況下,一定要添加足量的矽肥,才能避免因為植物因缺矽所帶來的不良後果。

矽在水耕液栽培中的優點與功效

將非結晶型二氧化矽添加到水耕栽培系統中,是防止許多因水耕栽培法中,植物因為無法利用土壤中自然形可溶性矽礦物質,所產生出養分缺乏、溫度過高或過低與蟲害等,水耕栽培法一直沒辦法解決的普遍性問題。

多年來歐美各國鮮花產業界,已經懂得如何好好地利用,矽對於切花運銷中的有利特性。也許您正在使用含矽的產品,只是自己沒有查覺到而已,舉個例,您可能為認為花卉中常常附帶的小袋香囊,可能是一些營養補充劑,其實幾乎所有的歐美切花運送,都會添加一些含有矽成份的營養劑。

園藝界長久以來即已知道矽對於植物生長的許多優點,矽不僅是土壤中含量最豐富的元素,也是乎所有植物生長過程中所不可或缺的物質,只是現代化的耕種方式只偏重於氮磷鉀等化學肥料的施肥,卻常常忽略了土壤中含量最多,但也是最不容易受植物自然吸收的矽元素之補充。超級市場中以及您的環境週遭,充滿著二氧化矽,與各式各樣矽酸鹽等含矽的有益產品。可溶性矽能夠減緩許多像過冷過熱、乾旱、鹽害、重金屬毒素,或礦物質缺乏等,對於環境所帶來的衝擊,並且還能改善植物的生長,與抵抗昆蟲與真菌類的侵擾。

Perma-Guard, Inc.Fossil Shell Flour食品級矽藻土(粒徑1-10微米pH = 7.6),如果再加上內含有30%黃腐酸的JCE Organic超微粒腐植酸原粉(粒徑15微米pH = 3.7),在水中,這兩種近奈米尺寸的微粒混合成懸浮性水溶液,可以形成一種緩釋性的可溶性矽酸,能夠提升植物對於真菌類侵擾的自我防衛能力,在許多狀況下,甚至能夠在不需要殺菌劑的狀況下,即可完全消滅真菌類的感染。

沉積在表皮細胞壁上的二氧化矽,能夠提高植物對於俗稱「白蜘蛛」、「紅蜘蛛」或「二點葉蹣」等,葉蹣類蟲害的抵抗能力,而葉蹣正是高溫帶植物以及溫室栽培中之一種極為普遍的蟲害。植物的表皮尤其是葉面上如果累積了足夠的二氧化矽,由於矽本身的材質就是玻璃質,硬度極高(硬度 = 7),當然可以在物理上,提升植物對於昆蟲與真菌類蟲害的自我防衛能力。植物表皮細胞壁的強化,亦能增加莖稈的強度,促進植物生長的新陳代謝功能。 

矽能增強植物對抗病原菌的能力

如果您曾經有過植物遭受到白粉病菌侵染的經驗,植株一但遭到蚽f或其它真菌感染後,通常要治療病菌感染為時已經太晚,大部份人的都必須付出昂貴的代價去根除它,食品級矽藻土正是以物理性的防治法,去對付真菌類刺穿感染植株表皮之一種有效方法。 

通常植物在遭受到真菌類侵染的時候,會在正遭受到攻擊的重點部位堆積較多矽膠(懸浮性二氧化矽),用以防衛它自已。雖然在正常土壤耕種條件下,如果矽濃度高於週遭環坑中植物所需的量,植物在24小時內會將多餘的矽從植株中自我排除掉。但是,由於水耕栽培法中通常都沒有在溶液中提供足量的矽,因此,以水溶性矽的葉面噴灑或矽肥的添加,供給植物對於矽原素的持續性需求是極為重要的。

 氧化矽當葉面肥噴灑的效果

許多植物以可溶性矽噴灑葉面,均能得到極佳的效果,本來植物從葉面直接吸取需要養分之效果,就遠勝於從土壤與根部中的吸收,葉面噴灑可溶性矽特別有效的原因在於,累積於葉面的二氧化矽,能形成一道類似玻璃狀的極細薄保護膜,可以被用來當做一種對抗像蚜蟲與葉蹣等,吸食性昆蟲的天然壁壘。 

增強植物抗逆壓能力,加快新陳代謝率

累積在植物細胞壁中間的矽所形成的保護性壁壘,亦能降低植株的蒸散作用,讓大多數的植物承受攝氐32度以上的高溫。耐高溫能力的提升,意味著植物的葉片較不容易枯萎,並增進植物的繁殖與生長,提高植物對於過量錳、磷、鋁與鹽害等重金屬的容忍力,與抗高熱能力。 

二氧化碳的吸收

葉片中如果有高成份可溶性矽,就能增進植物承受過暗或過亮光線照射的能力,因為植物會根據環境中的光線明暗程度,在葉組織中分泌出較高含碳量的催化酵素自我調節,控制 二氧化碳的新陳代謝量,讓植物吸取較高濃度的氣體。您可以自己的農作物來試試看,如果您的作物是以水耕法栽培的話,那您可以將作物分成兩個區域,一邊以可溶性矽噴灑葉面,另外一邊維持原來的施肥方式,經過一段時間,答案即可揭曉。

 

矽在防治農作物昆蟲害上的效果

植物的昆蟲害是限制全世界農作物生長,最主要的生物性因素之一,舉個例,南非的蔗糖產業,每年因為甘蔗捲葉蟲對農民所帶來來損害,大約達到六千萬美元。在所有的植物昆蟲害的防治方法中,栽種抗昆蟲害品種作物是最有效的方法,因為它不會在食物或環境中殘留任何有毒的農藥,並且它在植物生長期間一直都有效。除此之外,對於農作物肥料方面的精心調配,尤其是對於能夠降低蟲害可能性之矽元素的補充,也是另外一種有效降低昆蟲害的方法。這是因為植食性昆蟲之所以會對植物發動攻擊,常常取決於寄主植物本身的生理狀況,特別是其養分與逆壓狀態。生理狀態佳,養分充足,無逆壓狀態下的植物,不太會引來昆蟲害的攻擊;反之,虛弱與營養狀態不佳的植物,往往會成為昆蟲害攻擊的目標。 

長久以來有關農作物缺矽的問題,一直都引不起農業學者專家們的注意,雖然有些單子葉植物如水稻等矽的需求量很高(10%左右),一般而言,矽元素一直只是被當成植物生長中的一種非必要元素,它的重要性幾乎完全不存在。然而現在科學家們對於,矽元素做為一種植物功能性的養分的重要性,已經漸漸地形成一股正面的共識。專家們的報告,充滿著許多二氧化矽能夠增強植物細胞壁的堅韌度,抵抗農田中的農作物與儲糧中的昆蟲害與植物真菌類疾病的報導。矽在防治螟蟲、褐飛蝨、綠葉蟬、白背飛蝨、以及紅蜘蛛等昆蟲方面的功效,已經獲得肯定。 

甘蔗:矽肥的施予對抗甘蔗昆蟲害的損失

西方科學家最早對於矽養分的多寡,與甘蔗捲葉蟲有關係的研究報導,是由1967年印度學者饒烏提出的,他發現不同種類的甘蔗品種之芽鑽孔蟲之數量,與蔗園內每單位葉鞘上矽的最高濃度有直接關聯。美國佛羅里達州學者阿瓦德(1982),發現在每公頃腐泥土中施撒了20公噸矽酸爐渣以後,甘蔗的葉斑蟲害就明顯地降低了許多,此外,由於矽養分的改善,甘蔗對於螟蟲的抵抗力也有所增加。隨後的幾項研究亦印證了甘蔗矽含量的增加,有助於抗蟲害提升之報導。1979年亦有一位台灣學者,做了一項以蔗渣灰與矽酸爐渣等不同形態的矽材料,施肥於甘蔗的實驗,結果顯示,有施予矽肥的甘蔗園區之螟蟲發生率,比沒施矽肥之控制區的發生率低了許多。南非最近又有一批學者在研究,植物對矽的吸收與寄主植物對抗甘蔗莖螟之間的關係,四種不同的矽肥材料,在溫室與大田的實驗數據中,被用來比較它們對於抗蟲害的優劣性。在溫室實驗中,莖螟蟲卵被接種於不同種類的甘蔗中,每公頃蔗田又被施予0, 5, 10公噸不同劑量的矽酸鈣,結果每公頃施予10公噸矽酸鈣的蔗田,甘蔗螟蟲損害減少了30%,蟲量也減少了20%。最有抗蟲性的甘蔗品種,對於矽肥吸收量最高的,反應最有效。在這四種不同矽肥材料中,甘蔗捲葉蟲發生率下降的情形如下: 南非矽酸鈣 > 美國進口的矽酸鈣 > 爐渣 > 飛灰。在大田實驗中,其結果的數據也與溫室實驗不相上下。 

小麥:矽肥的施予對抗小麥昆蟲害的損失

學者米勒(1960)發現麥稈若含有較高成份的矽,就不會嚴重地遭到麥癭蠅幼蟲的侵害。他指出有些較敏感的小麥品種,在含有矽酸鈉的水耕液栽培中,會發展出很高的抗蟲性,此外,在另一項溫室實驗中的數據顯示,大部份比較有抗蟲性的小麥品種,都會有圓形到橢圓形狀的矽沉積暗黑點,以密集或粒狀的方式,分佈於整個葉鞘的表面。另外,隨著植物年齡的增長,矽在植物組織上的沉積也愈明顯,在一些比較敏應的小麥品種中,在植株行距之間,矽亦以桿狀質量的方式累積於株行之中。最近有些研究報告顯示,矽肥對於較敏感的小麥品種之施予,不管是在大田中或儲藏穀倉中,都能增進對農作物蟲害的抵抗力,並且也能降低昆蟲害的侵擾。 

水稻:矽肥的施予對抗水稻昆蟲害的損失

美國學者於1985年發現不同品種的水稻組織中的矽含量,與受稻條螟侵擾的稻桿百分比,和每株水稻活幼蟲的數量,呈反比關係。學者潘達(1975)指出,由於稻莖中含有較高的矽含量,水稻一點螟蟲的幼蟲,較無法攻擊具抵抗力的水稻植株。同樣地,日裔學者板木(1961)發現如果在水稻田的土壤中增加矽肥的供給量,就能減輕水稻遭受稻條螟攻擊的機會。日裔學者高橋(2002)在研究水稻的稻莖之不同矽含量問題時發現,水稻莖的矽含量與稻條螟幼蟲刺穿稻莖與幼蟲糞便的量,呈反向關係。 

在亞洲其他地區的一些實驗報告中顯示,水稻中矽酸含量雖然低到0.01 mg/ml,亦能有效地抑制稻蝨對水稻的攻擊。此外,學者沙林(1992)亦發現水稻中的矽含量愈高,稻蝨幼蟲長大變成蟲的數量,以及成蟲的壽命,與雌蟲的繁殖量都會呈反比性地減少。 

玉米:矽肥的施予對抗玉米昆蟲害的損失

學者沙爾瑪(1972)發現,玉米植株中含有高成份的矽,會增強植物對於玉米螟損害的抵抗力。非洲貝林共和國學者(1993),在研究矽肥施予於玉米田中對玉米螟的影響時,將偏矽酸鈉以每棵植株施撒0, 0.56, 0.84公克,等不同量的矽於玉米田中,發現矽肥的供給量每棟植株增加0.56公克矽肥,能夠將本來每26%玉米螟幼蟲存活率,降低到僅存4%幼蟲存活率。1984另一份研究報告顯示,玉米植株對於第二代歐洲玉米螟的抵抗力,與葉鞘與葉襟組織上的矽含量有極密切的關係。 

其他農作物:矽肥的施予對抗其他農作物,像蔬菜、柑橘類與草坪等昆蟲害的損失,情形亦差不多。不管是單子葉植物或雙子葉植物,水溶性矽都會以二氧化矽的形態,沉積於植物的組織器官中。這意味著矽對於絕大多數的農作物,都扮演一份很吃重的角色。

 

矽對於防制紅蜘蛛病蟲害的最新研究

學者紐曼曾經以可溶性矽,生物防治製劑等綜合病蟲害防治法,對茄子、番茄、四季豆、與黃瓜等雙子葉植物,做了一系列有關二點葉蹣與紅蜘蛛之防蟲研究報告。茄子的葉片最容易遭受到病蟲害的侵襲,最後導致整個葉片乾枯。實驗中的矽酸鉀被溶解成可溶性加入水耕液,每天在農作物上噴灑一次。除此之外水耕中還添加了白殭菌為主的生物防治製劑。這項實驗的假設是,可溶性矽(矽酸鉀pH = 13.5強鹼)會被植物當成一種催化劑去吸收,變成一種抗蟲害的機制,矽含量高的植物本來蟲類就不太會喜歡,現在又加上天然植物性抗蟲劑,昆蟲如果要再侵擾植物的話,就得要再加倍努力才行。在此種狀態下,昆蟲會覺得很壓抑,因此有經生物防治製劑理過的植物其抗蟲性,一定會比缺矽的植物抗蟲性要來得高。

到目前為止的實驗結果都很一致,也相當令人滿意。在又雙子葉植物方面,施灑於這些植物根部系統的可溶性矽,會將矽酸傳輸到植物的葉面組織上,當可溶性矽酸鉀的施灑量達到80 mg/L以上時,得到如下兩項結果:

l          經矽處理過的植物,紅蜘蛛損害的程度降低了許多。

l          矽肥的施予並不會造成紅蜘蛛的直接被殺死。

這兩項結果是可以理解的:「矽酸鉀」( pH = 13.5強鹼)可溶性矽肥的施予,會在植物的葉片中累積較高份量的矽,增加葉片的強韌程度,經過一段時間,紅蜘蛛損害的程度,必定會降低許多。至於為什麼紅蜘蛛不會被(矽酸鉀)可溶性矽直接殺死,那是因為雖然葉片的強韌度提高了,葉面上紅蜘蛛的量只會逐漸減少,但應該還不至於立即被殺死的程度,須知紅蜘蛛是一種抗藥性極高的昆蟲,一般殺菌劑與化學殺蟲劑是很難將其根絕的,化學的方法行不太通,其實還有他其傳統性以外的方法可以對付紅蜘蛛,像物理性驅蟲法的Perma-Guard, Inc.Fossil Shell Flour食品矽藻土( pH = 7.6),與JCE Organic腐植酸原粉( pH = 3.7)之混合懸浮液,如果再加上生物防治製劑,就有可能達到更有效的驅蟲效果。

 

可溶性矽在防治昆蟲害之功效總結   

農藥中延長殺蟲劑藥效之功能:

可溶性矽若添加在化學農藥中,可以延長殺蟲劇的藥效。對於生物藥草性的驅蟲劑亦有相同效果。自從二次大戰開始以來,歐美許多學者專家,即已發現到矽在農業上的優點,以及它在農藝學中之可能性潛力。西方農藥與肥料生產業者,早已注意到矽是一種自然界中最豐富且無毒性的元素,如果可以用矽來取代碳的話,在降低毒素方面一定可以獲得很大的改善。事實上目前市面上就有許多用「矽-碳交換」的原理製造出來的農藥,像氨基甲酸鹽殺蟲劑,有機磷殺蟲劑,合成除蟲菊殺蟲劑,甚至已經禁止使用的DDT殺蟲劑,以及保幼激素類似物等類的農藥產品,多多少少都會含有一些矽,因為製造廠商們相信,農藥中的矽元素能夠延長殺蟲劑的藥效。 

天然的物理阻力上之功效:

最近許多關於矽在農作物上的優點之探討,都偏重於矽在增加植物抵抗昆蟲害與疾病方面之研究。根據學者伯奈斯與巴爾伯翰(1987)的研究,矽肥的施予,會造成專門侵擾禾本科類作物之昆蟲,在咬嚼農作物時困難度上的增加,兩位學者認為植物中的矽含量是一個很重要的因素。他們指出通常大部份的矽都會累積在植物的表皮上,這樣更能阻止一些專門要在莖幹上活動的稻螟類穿孔性昆蟲之攻擊。過去已經有多項研究均證實,矽能增加植物組織細胞中的強韌性,並能干擾禾本科昆蟲之幼蟲對於作物的穿孔與吸食能力。日裔學者高橋(1996)與美國學者艾波思坦(1999),在有關於水稻中施予矽肥,是否能夠增加作物對於稻二化螟抵抗力的研究中認為,沈積在表皮組織細胞中的矽,也許有著多重包括支持與保護植物,免於病原體與食草動物或昆蟲入侵的物理性防衛功能。許多證據顯示,當水稻中的矽成份夠高時,稻條螟的下顎會因為咬嚼農作物而遭到傷害。然而有些小麥品種對於麥癭蠅侵擾狀況,卻不會因為農作物中矽成份的提高而有所影響,學者米勒(1960)解釋這種現象,他認為植物葉鞘外側部位的矽含量的高低,會影響到昆蟲對於作物的侵害程度,因為昆蟲大部份都是先從葉鞘外側部位咬食,不同作物葉鞘外側部位矽成份含量之差異,才是另外一項重要因素。 

提升植物抗菌素對抗病原菌的功效:

在植物的疾病控制方面,以矽能加強植物細胞壁的強韌度,去而去解釋為什麼它能增強植物抵抗真菌類病原菌的論調,也開始受到質疑,近年來開始有許多學者以雙子葉植物,尤其是黃瓜類的現象,提出嚴厲的挑戰。這些學者認為可溶性矽,能夠激起黃瓜類的植物對抗立枯病之自我防衛機制,誘導幾丁質之分解,過氧化酵素與多酚氧化酶的合成,與酚化合物累積量的提升。最近有更多的證據支持矽成份的加強,能夠刺激植物產生類黃酮之「植物抗菌素」,進而提升植物對於疾病的自我防衛能力之理論。在抗蟲害方面,有許多類似的抗蟲機制,像矽成份的提高能增加甘蔗對於莖螟的防衛能力,松針類植物二氧化矽的含量,與常遭松異帶蛾侵擾的松樹植株內的酚類含量,亦有明顯的直接關係。此外植物本身的矽含量,對於遭受外來昆蟲,像擬尺蠖、墨西哥豆瓢蟲、豌豆蚜、美洲蟑螂等攻擊時,植物會從中樞神經產生一種重複激發的衝動,傳輸較多量的可溶性,累積到受到攻擊的部位,進而達到降低昆蟲害的效果。

樣品訂購與連絡

各地經銷商

 

 

 
 
*本網頁著作權屬 JCE Organic 美國正記有機 所有,請尊重美台國際智慧財產權,任何內容文章轉載引用必須 事先獲得本公司書面許可。