同一塊地連續種同一種菜，為什麼會長不好？
― 每年都有東西，悄悄地從土裡被運走
同樣的花盆、同樣的土、同樣的種法。但今年的番茄卻長不高，果實也很小。自古以來，農夫就說「不可以連續種同一種作物」，還會在中間種一季豆類。這背後的原因，其實直到大約130年前才被弄清楚。
陽台花盆裡的小番茄，去年結實累累。丟掉土太可惜，於是直接沿用，今年又種了一次。
沒想到，葉色偏淡，下面的葉子開始發黃。雖然結了果，卻只長到去年的一半大就停住了。
澆水和日照都和去年一樣。唯一改變的，是這些土又多被「用」了一年。
原因大致有兩個
把果實和葉子帶走，就等於把裡面的成分也帶出了田地。最容易不夠的是氮，它是製造葉子和果實中蛋白質的材料。
作物的根周圍，會聚集喜歡這種作物的細菌、黴菌和微小的線蟲。同一種作物連續種植，對牠們來說就像每年都有食物送上門，數量便會增加。
這兩件事疊加起來造成的長勢不良，統稱為連作障礙。有趣的是，人類花了非常久的時間，才弄懂第1個原因的真相。
1：從土裡被帶走的氮，到底有多少？
組成葉子和果實的，是水、碳，以及少量的氮。碳可以源源不絕地從空氣中的二氧化碳取得。但氮只能靠根從土裡吸收。
後面的摺疊區塊會計算，從1平方公尺的田地收成番茄，整株加起來大約有20公克的氮被帶出田外。而且這件事每年都會重複。
這裡有件奇怪的事。空氣中有78%是氮。在1平方公尺田地上方的空氣裡，大約含有8噸的氮。然而，就在它的正下方，植物卻缺氮。
空氣中的氮，是兩個原子緊緊結合在一起的形態。這個結合非常牢固，一般植物無法拆開。明明頭頂上多得像山一樣，卻搆不著。這就是氮這種元素麻煩的地方。
2：直到發現兇手是「住在根裡的細菌，而不是植物」
種過豆類的隔年，作物長得好。這個經驗在古羅馬的農業書裡就已經有記載。也就是說，2000年前人們就知道這個效果了。
即便如此，直到19世紀中葉，多數學者仍認為「植物是直接吃土裡腐爛的有機物」。豆類為什麼特別，沒有人能解釋。
轉機出現在1838年。法國的布桑戈（Boussingault）在自己的農場裡，持續仔細地秤量作物和土壤。據說他發現，只有種過豆科的區塊，整塊田的氮反而增加了。氮不知從哪裡冒了出來。
不過，這些氮是否來自空氣，又是誰在做這件事，仍然不清楚。答案要等到1886年，由德國的黑爾里格爾（Hellriegel）和維爾法特（Wilfarth）的實驗揭曉。
他們用去除了養分和微生物的沙子來種豆子。結果豆子長不好。但在澆了少許溶入田土的水的花盆裡，根上長出了小顆粒，豆子也長得很旺盛。
也就是說，能利用空氣中氮的不是豆子本身，而是住在根瘤裡的細菌。植物提供住處和糖，細菌則把空氣中的氮拆開後交給植物。這筆交易，就是那條2000年經驗法則的真相。
根瘤從空氣中吸收的氮，大部分會轉移到果實和葉子裡。如果把大豆的果實全部收成帶走，留在田裡的氮幾乎不會增加。若目的是肥沃土壤，比較適合在結果之前割下來翻進土裡，也就是所謂的「綠肥」用法。
原因2中增加的對手，大致依作物的「科」而相同。番茄之後種茄子或青椒，因為都是茄科，土裡的對手並沒有變。如果想讓土地休息，就得換成不同科的作物。
總結
連作之所以長不好，並不是因為土壤變舊了。而是每年的收成把氮等養分帶出田外，同時專門攻擊這種作物的對手也在土裡增加。輪作，就是同時把這兩件事錯開的古老智慧。
田地上方有8噸的氮。
問題不在量，而在是不是能拆開的形態。
空氣中的氮自然進入土壤的途徑，除了根瘤菌之外還有另一條。雷多的年份稻米會豐收，是真的嗎？ 介紹了天空放電把空氣變成肥料的化學原理。關於土壤中微生物的作用，也請看 發酵和腐敗，差別在哪裡？。
- 春季到夏季，把毛豆或四季豆的種子種在花盆裡。肥料少施一點。
- 開花的時候，只拔起一株，用水輕輕洗淨根部。
- 如果根上有直徑2〜4毫米左右的圓形顆粒，那就是根瘤。用指甲把它掰成兩半看看。
如果裡面是淡粉紅色或紅褐色，據說代表固氮作用正在活躍地進行。仍然是白色或綠色的顆粒，則是還沒開始運作，或已經結束了。也可以數數看，比較沿用舊土的那一年，和換新土的那一年，顆粒的數量有什麼不同，很有趣。
想知道更多的人 ― 用語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業科目，都明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中自然科學會學到的範圍
- 高中高中「基礎生物・基礎化學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄中提到的內容
- 大學高中不會學到、大學專業科目（土壤學・植物營養學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者正在探究的內容
國中用語：這個現象有名字
- 連作障礙：在同一個地方持續種植同一科的作物時，長勢變差的現象。是養分不足，加上土中病原菌、線蟲增加，兩者疊加而造成。
- 固氮作用：把空氣中的氮分子，轉變成植物可以使用的形態（如氨）。有由生物進行的，也有靠放電或工業方法進行的。
- 根瘤菌：進入豆科植物的根、形成瘤（根瘤），並把空氣中的氮交給植物的一類細菌。作為回報，牠們從植物那裡得到糖。
國中高中用算式驗證：一次收成，田地會流失多少氮？
被帶走的氮無法直接測量。所以要從收成物含有的蛋白質量來反推。因為蛋白質是唯一含氮的主要營養素。
| 用符號寫 | N ＝ M × p × k |
| 用文字寫 | 帶走的氮的重量 ＝ 收成的重量 × 蛋白質的比例 × 蛋白質中氮的比例 |
| 這個式子從哪裡來 | 這是基於「元素不會在途中消失」的質量守恆觀念。蛋白質中氮的比例，平均約為16％，也被用在食品成分表的計算中。 |
| 1m²田地可收成的番茄（參考值） | 約 6000 g |
| 每100 g番茄的蛋白質 | 約 0.7 g |
| 蛋白質中氮的比例 | 約 0.16（16％） |
| 包含葉和莖的整株氮量 | 約為果實的 3 倍 |
| 把收成換算成「幾個100 g」 | 6000 ÷ 100 ＝ 60 |
| 果實中含有的蛋白質 | 60 × 0.7 ＝ 42 |
| 其中的氮（g） | 42 × 0.16 ＝ 6.72 |
| 連葉和莖一起的整株（g） | 6.72 × 3 ＝ 20.16 |
算起來，每平方公尺一年約有20公克的氮被帶出田外。5年就是100公克。如果不補充，一定會越來越少。
| 壓在1m²上的空氣重量（kg） | 101325 ÷ 9.8 ≒ 10339 |
| 其中的氮（重量約75％） | 10339 × 0.75 ≒ 7754 |
| 被帶走的20 g 是 0.02 kg，所以 | 7754 ÷ 0.02 ≒ 387700 |
正上方的氮，大約是一年帶走量的39萬倍。就像在倉庫旁邊挨餓一樣，可見不足的不是量，而是把它變成可拆解形態的手段。
高中高中＋為什麼空氣中的氮不能直接使用？
高中氮分子是由2個氮原子以三鍵結合而成。切斷這個鍵所需的能量，據說約是氧分子的2倍，在身邊的分子中屬於特別大的一類。所以空氣中的氮既不會燃燒也不會生鏽，只是一直待在那裡。
高中＋生物拆開這個鍵的方法就是生物固氮，負責的是一種叫固氮酶的酵素。這種酵素接觸到氧就會失去作用，所以根瘤內部由一種叫豆血紅蛋白的色素捕捉氧，讓氧濃度保持在低水準。把根瘤剖開看到粉紅色，就是這種色素的顏色。
大學氮循環，與根瘤共生的建立
在土壤學、植物營養學裡，這一連串的流程稱為氮循環。固氮、植物吸收、有機物分解產生氨、轉變成硝酸的硝化，以及回到氣體的脫氮，構成一個完整的循環。豆科與根瘤菌的關係稱為共生固氮，目前已知植物送出的訊號物質（類黃酮）和細菌的回應（結瘤因子）能讓雙方互相辨認，細菌再通過感染絲進入根的細胞。
📖 算式的推導，以及更進階的內容：固氮作用（維基百科日文版） ／ 根瘤菌（維基百科日文版）
研究還不太清楚的事
- 能不能讓水稻或小麥也長出根瘤？ 把共生固氮的機制移植到豆科以外作物的研究仍在持續，但需要複雜的基因組合，離實用還有距離。
- 連作障礙的主角是誰？ 有時是特定病原菌造成，有時則是土壤微生物整體平衡被破壞在起作用，一般認為每種作物的情況都不一樣。
- 氮施得太多之後會怎樣？ 施入田裡的氮，有一部分會在脫氮的過程中變成一氧化二氮，這是一種溫室效應很強的氣體。在什麼條件下會排出多少，目前估計的範圍還很寬。
也就是說，這篇文章的內容也是「以目前所知範圍內的說明」。土壤裡，至今仍是難以觀察的世界之一。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學（生物間的關聯、分解者的作用） | 土中的微生物，與養分的進出 |
| 高中 | 基礎生物・基礎化學（氮同化、化學鍵） | 氮分子的三鍵，與從蛋白質反推氮的計算 |
| 高中＋ | 生物（固氮、共生） | 固氮酶與豆血紅蛋白 |
| 大學 | 土壤學・植物營養學 | 氮循環、硝化與脫氮、共生的辨認機制 |
| 研究 | 植物分子生物學・農業環境工程 | 把共生移植到非豆科、一氧化二氮的排放 |
| ― | 與生活的連結 | 花盆土的沿用、錯開科別的種法、綠肥 |
- Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (文部科学省)「日本食品標準成分表2020年版（八訂）」（蛋白質量，以及從氮換算成蛋白質的係數）
- Japanese Society of Soil Science and Plant Nutrition (日本土壌肥料学会) 編『土壌サイエンス入門』（氮循環與土壤肥沃度的基礎）
- J. B. Boussingault 針對豆科作物氮收支所做的田間實驗（1838年）之科學史記述
- H. Hellriegel・H. Wilfarth「關於豆科植物氮營養的研究」（1888年，顯示根瘤菌作用的實驗報告）
- Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries (農林水産省)「土づくり・有機物利用に関する資料」（連作障礙與輪作的觀念）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了理解原理的參考值與概算。實際的收成量與所需肥料的量，會因作物品種、土質、地區而有很大差異。栽培上的判斷，請依照您所在地區的農業改良推廣中心或地方政府資料的指示。