自然栽培的科学与技术

黄孝春 杉山修一 张立功

1 虫、杂草、微生物既可以是作物的敌人，也可以是作物的朋友

生物的力量是无农药无化肥苹果栽培成功的秘诀，“植物—土壤反馈”，“生物之间相互作用网络”，“植物免疫”等这些生物的力量起到了农药与化肥的作用。利用这些生物力量的自然栽培与支撑现代农业的绿色革命的技术有很大不同。

植物矿质营养学说由19世纪中叶的李比希创立（图1）。他对作物的营养化学的发现很快被大学和农业试验场继承，其结果，有关作物的营养吸收的研究得到发展，促进作物生长的化学肥料的施用技术随即确立。而且，有关作物病虫害的研究找到了引发疾病的病原菌，弄清楚了害虫的生态，因而各种各样的合成农药相继问世。另外，有关作物的光合成研究奠定了培育高产量新品种的基础。有了这些研究成果后，人们不再为作物的营养不足发愁，也不再为病虫害烦恼，农业基本上就处于人类控制之下了。虽然世界各地有各种各样的杂草，病原菌，害虫，但只要使用合成农药就不会有受害的担忧。只要施用化学肥料，即使是贫瘠的土壤，也可以让作物健康生长。基于化学，生物学的绿色革命的技术具有普遍性，不管是在哪个国家，都能保证高产。但是，一旦停止使用农药，虫、杂草、微生物就会大量繁殖，阻碍作物的正常生长，人类就不再能够很好地进行作物的栽培。同样，不施肥，作物生长就会变差，收成不能令人满意。

可是奇迹苹果颠覆了这些迄今为止的常识。不使用农药，作物也没被害虫吃光，树叶也没因病害全部枯萎，没有施肥，作物也依然能适度生长并且带来收获。生活在农田里的虫、草、微生物既可以成为作物的敌人，也可以成为作物的朋友。自然栽培的根基就是有效地控制农田里复杂的生物群落，利用生物的力量来取代农药和化肥。所以，支撑绿色革命的科学和支撑自然栽培的科学的思维方式是完全不同的。以合成农药和化学肥料的使用为前提的作物学不适合研发“木村秋则奇迹苹果”的技术，为了开发自然栽培的技术，我们需要和现在的作物学不一样的科学。

这两种栽培方式的不同反映了不同科学领域之间存在的本质性区别，就好比生物学中的分子生物学和生态学。发现DNA的结构而两次赢得诺贝尔奖的詹姆斯·沃森，两次普利策奖的获得者，生态学家，动物行动学家爱德华·威尔森，两人的对立有助于理解这两种栽培方式的本质不同。

2 两位生物学家之间不同的生物学

詹姆斯·沃森和爱德华·威尔森是20世纪代表性的生物学家。沃森1928年出生，15岁进入芝加哥大学学习，22岁取得博士学位后渡英，因破解DNA的二重螺旋结构，和弗兰西斯一起荣获诺贝尔奖。他回到美国后，一直活跃在研究的最前线，引导世界生物学界。1929年出生的威尔森幼小时代开始接触自然，以其对蚂蚁的生态和行动研究获得哈佛大学博士学位。然而，他并没有停留于对蚂蚁的研究，而是开拓了社会生物学这一新的领域，向社会诉说生物多样性所面临的危机，成为超越生物学，试图将涵盖社会学，艺术，宗教的人类本性与知性进行统合的大师。两人在1956—1976年期间同时就职于哈佛大学生物学部门，于1958年分别以30岁和29岁获得终身在职权，但作为生物学家，两人并没有成为相互尊重的同僚。

沃森在发现DNA的二重螺旋结构后，坚信以化学为基本原理来说明生物现象的分子生物学将是今后生物学的发展方向。他认为发生学，分类学，生态学等当时还是哈佛大学主流的古典生物学落后于时代，将威尔森这样的生态学家贬为奇异生物标本的收集爱好者。当然，威尔森对以沃森为代表的基于化学原理的还原主义的生物学的傲慢有着强烈的抵抗情绪。深知生物学中生物多样性的重要性的威尔森绝没有满足于标本收集，而是要探索隐藏在多样的标本里的生物本质。

同样是生物学，从细胞层面研究生命现象的分子生物学和以生物社会为研究对象的生态学，两者依据的理论完全不同。沃森和威尔森的对立与其说是个人的感情对立，不如说是扎根于生物学的研究领域的不同主张。细胞的生命现象，说到底是基于化学原理。父母传给小孩遗传基因的结构，从卵到蝌蚪再到青蛙的成长过程，捕食并将它转换为活动能量的代谢过程，这些都受化学原理的支配。就像苹果从树上掉下来是由于有重力的缘故，绝不会违背重力逆向运动一样，生命现象不会偏离化学法则。物理学，化学都有基本法则，各种现象的发生都遵从这些法则。因此，物理学家，化学家的工作就是发现这些基本原理，并运用这些原理来预测，说明比如天体运动，电流，物质的变化等复杂的现象。

沃森的目的就是像化学，物理学那样，根据基本法则对在细胞层面发生的生命现象进行有系统地重构。被称为分子生物学的这个潮流取得了巨大成功，将生物学提高到和物理学、化学平起平坐的地位。而且分子生物学的发展还被运用到癌症等疾病的治疗、转基因作物的研发等医疗和农业这些产业领域。绿色革命的栽培技术的普遍性，归根结底是依托以沃森为代表的生物学的化学基础。但是仅仅依靠化学的原理显然是不能够说明生物的多样性的。DNA里写有生命设计图，每一个细胞里都含有作为遗传物质的DNA，虽然存在这些共性，每个个体生物仍然是有区别的，因为DNA所写的设计图的内容不同。生物多样性的制造者正是DNA本身。

威尔森所选择的研究对象蚂蚁以其种的多样性而著名。据说有1万种以上的蚂蚁，既有吃纤维素的，还有吃花蜜的，还有捕吃扁虱这类小虫的，还有吃自种的蘑菇的，生活形态多种多样。他认为生物的本质就在于这种多样性，因此对多样性发生的原因及意义产生了兴趣。为了研究生物多样性，威尔森依据的不是化学的基本原则，而是达尔文的进化论。

3 达尔文从生物的遗传变异和繁殖力的视角解释进化

据推测，地球上生存的生物种超过150万。土壤微生物，热带林昆虫等尚未确认的种还有很多，估计实际上生活在地球上的生物种更多。所有这些多样的生物种都是通过长时间的进化而产生的。

将生物進化作为具有说服力的科学理论展现给我们的是达尔文。1809年出生于英国的他在22岁至27岁乘坐贝格尔号航行世界的途中，得以观察世界各地的多种多样的动植物，成为他发现进化论的契机（图2）。尔后经过20年的深思熟虑，他出版《物种起源》，提倡以自然选择为基础的进化理论。该书出版以来遭遇了很多的批评，但自然选择理论到现在依然是解释生物进化最令人信服的理论，为科学界广泛接受。该学说不仅按时间顺序来说明生物进化的结构，而且也对生物社会在某一场所是如何构成的做了理论解释。

达尔文认为，生物的两个基本特性必然导致进化。第一个特征是遗传变异，即生物具有产生遗传变异的能力，第二个特征是繁殖力，即生物具超常的生育能力。

4 自然选择——从众多的变异中择优以适应环境

遗传指父母的特性传给小孩，但这里包含相反的要素。一般来说，同一遗传基因从父母传给子女，子女和父母相似。但同一父母所生的兄弟姊妹之间，相貌，身高，性格，运动能力等有很大区别。就像鸟窝里出凤凰的谚语所表达的含义一样，小孩跟父母的特征完全不一样的情况亦有发生。生物的繁殖，一般来说是雄性和雌性之间精子和卵子结合的有性生殖。有性生殖就会产生相似和不相似这两种可能。父母双方的遗传基因交叉传给小孩，由于父母的特征混杂一起，在小孩身上就会出现各种变异。如果想将父母的特征原样复制给小孩，无性生殖最好，但几乎所有的生物都选择有性生殖。因为与此类似，对生物来说，变异更为重要。更进一步，生物的变异，由于遗传基因的突然变异而扩大。突然变异可以说是DNA的结构出了错，这种错误偶尔发生。虽然生物具有产生变异的能力，但有性生殖或突然变异，其变异的内容受运气或概率的支配。就好像人类，父母不能随意决定小孩的特征一样，生物也不能按照自己的意图来制造自己想要的变异。这就意味着生物的进化受偶然因素的影响很强，但仅仅靠偶然而来的变异还不能产生进化。达尔文找到了安排偶然形成的变异秩序的机制，即从众多的变异中择优以适应环境。它就是自然选择。

生物还有超强的生育能力。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，老鼠就会按几何级数增加，但实际上并没有发生这样的事情。因为小老鼠出生后面临食物、居所的竞争，很多会死掉。小老鼠之间如果存在争夺食物的实力差别，强者优先夺取食物得以生存。这个差别通过遗传传给后代，就这样竞争力强的老鼠得以进化。

对某一父母来说，后代的大量死亡，或许是一种浪费，但在广泛的变异中通过严峻的淘汰，只有具有优异能力的后代才能生存下去，从进化的角度来说，这种超强生育能力就显得很有意义。

5 自上而下和自下而上的技术

变异的发生不仅仅依赖偶然，而且在选择的过程中也有预测不到的不确实性存在，究竟哪个个体被选择，因环境条件不同而变化。

《物种起源》出版的时候，由于基督教的势力很大，否定神是造物主的进化论自然成为眼中钉。当时已经确立了自身学问地位的物理学也加入了批判的行列。因为自然选择理论跟以往的科学不同，带有很强的偶然因素。科学理论憎恨偶然，因为它不可预测。爱因斯坦有一句名言，上帝不掷骰子。以普遍法则存在为前提的物理学、化学认为，概率因素强，不可预测的达尔文进化理论不是科学。詹姆斯·沃森和爱德华·威尔森对立的根源也在这里。基于物理学，化学的普遍法则，自上而下地研究生命现象的学问和以达尔文式的随机变异和选择来研究生物多样性和生物群落的自下而上的学问，两者之间存在巨大的思想沟壑。

生物多样性强调受地域的环境条件和偶然因素的影响而产生地域固有的特征。利用生物多样性的自然栽培的过程与通过对偶然发生的变异的选择来创造秩序的自然选择的过程有共通性。自然栽培可以说是从化学的力量向生物的力量转换过程中的农业技术革新。

常规栽培和自然栽培是两种方向完全相反的栽培体系。常规栽培排除生物多样性，而自然栽培则利用生物多样性（图3）。这种方向性的不同为栽培技术的性质带来本质的差别。常规栽培是一种自上而下的体系，而自然栽培是一种自下而上，分散型的体系。很多作物的常规栽培都有栽培手册。在日本，国家的研究机构进行基础研究，其成果为各县的农业试验场根据各县的情况进行修正，地区的技术普及员，农协的职员则将这些技术传授给农家。比如何时播种，如何施肥，何时喷什么农药，根据各地区的不同环境撰写的作业手册上都有详细说明，农家只要按照作业手册去做就不会有大的失败。现在日本的常规栽培就是典型的自上而下的体系。

自然栽培不适合这种自上而下的体系，各个地区，每户农家的田里长的草不一样，病虫害不一样，土壤的肥沃度也不相同。自然栽培以各个农田里的多样的生物为对象。生物社会的构成因场所而异，随时间变化而变化。较之详细的手册而言，指南更有參考作用。靠指南理解要点，具体的判断还要靠农家基于观察来下。和依靠手册来作业的常规栽培相比较，对自然栽培来说，农家的个人判断与能力格外重要。以多样且变化无常的生物群落为对象的自然栽培更适合于柔软的、自下而上型的技术。

6 自然栽培技术的确立

生物之间的相互作用的内部力量和来自外部的力量（比如搅乱）影响生物群落的结构与功能。因此，要想发挥生物的力量，有效地控制这两种力量便非常重要。具体地说，第一，培育农田的生物多样性，第二，通过搅乱来控制生物社会。生物多样性差的地方形成不了生物网络。生物从别的地方迁移过来，并在此定居，这是生物群落形成的最初阶段。如果自然栽培的苹果园建在居住区内，就不能指望多样的生物从周围移动过来。果园周围是居住区还是森林，其生物多样性会有很大的差别。

所谓景观指的是地域内的各种各样的生态体系的总和，是生物多样性的重要决定因素。欧洲曽经对有机栽培给农田的生物多样性带来的变化做过大规模的调查发现，不撒农药的确有助于蝶、昆虫等生物多样性的增加，但景观的复杂性也起到了相等的作用。比如，较之成片成片的大规模麦田，麦地、草地、林地等不同的，混合的，复杂的土地利用形态更有效地提高了全地域的生物多样性。这个结果暗示，景观是自然栽培成功的条件。必须从地域全体的视角来思考生物多样性，也就是说，地域全体一起来推进自然栽培比单打独干会更有效率（图4）。

7 小的搅乱带来大的变化

自然栽培的种植活动可以用生态学的“搅乱”来称呼。采用什么样的“搅乱”是决定自然栽培成功的关键。需要提醒的是，并不是所有的生物群落的构成种都能发挥相同的作用，要弄清楚决定这个群落结构的关键生物，即所谓的关键种是哪一个。美国生态学者罗伯特·佩因在海岸的潮间带做了一个将生活在那里的海星清除的试验。海星是以食壳贝，贻贝为生的动物。他发现，清除海星后，贻贝开始排除其他贝类，构成种从15种大幅度减少到8种，潮间带的生态因此大为改观。只清除贻贝而不动海星，群落的结构不会发生大的变化。只有控制海星这样的关键种，群落结构才会发生变化。

自然栽培需要瞄准农田的关键之所在，进而操纵这一过程，农田的状态才会发生大的变化。就奇迹苹果来说，这个关键就是土壤。麦子，大豆的种植，杂草的清理，这些意在改良土壤的搅乱促进了植物和土壤微生物之间的氮素循环，从而改变了苹果园。小的搅乱带来了大的变化，这就是自然栽培技术的要点。