第一章 土壤與農作物

土壤

1934年5月，一場暴風從北美大平原掀起了一團黑色的塵土，將1200萬噸黑土傾倒在芝加哥市（圖1）。兩天后，暴風到達東部沿海地區，灰塵飄進了華盛頓白宮的窗戶。這場災難有益的一面是提醒人們，人類的生命要依賴區區幾英寸深的脆弱表土，對農民來說，它和陽光一樣重要。作為固定作物和為其提供營養的資源，它是一種包含成千上萬生物體的活介質。在世界各地，土壤的類型和厚度對作物的種植都至關重要。本章的第一部分將介紹土壤是什么，它們有何不同，又是如何分類的，以及農民如何管理它們。

土壤是由空氣、水、礦物質和有機質組成的復雜混合物，在很多時候，要歷經數千年的演變。通常情況下，在狀態良好的表土體積中，空氣占25%，水也占25%，有機質則占其體積的5%左右。因此，體積不等的實際礦物質部分（從大石頭到細小的黏土顆粒）只占表土體積的45%，盡管其在土壤重量中的比例要大得多。

任何特定地點的土壤的類型都取決于母質[1]、氣候、所在地的地形、生活在其中和其上的各種有機體，以及時間。有些母質是固態巖石，如花崗巖、砂巖、白堊和石灰巖，或者板巖，而其他的母質則是表層沉積物，如河流沖積物，即被河流帶走后沉積在洪泛區的物質。沖積土或許是世上最肥沃的土壤，而形成于沙丘上的土壤在肥沃程度上往往處于相反的一端。黃土和沙丘一樣，是由風輸送的物質形成的，但在這種情況下，涉及的物質要細得多。它覆蓋了北美和中國北方的廣大地區，后者來自戈壁沙漠。此外，還有在潮濕條件下形成的泥炭土、在冰川融化后的沉積物上形成的冰磧土、來自最初沉積于海底的物質的海洋黏土（如荷蘭部分地區），以及火山灰土。

這些和其他母質最終能發展出什么，則取決于當地的氣候，特別是當時的溫度和濕度、生活于斯的有機體，以及該地的地形，特別是坡度。坡度越大，反復凍融或暴雨就越容易使物質下移，所以緩坡地的土壤往往比陡坡地的更厚。氣溫的升高加速了礦物質的風化和有機質的分解，土壤濕度越大，就有越多的鈣等可溶性元素從表層向下移動，所以濕潤的熱帶或半熱帶土壤往往具有相當高的酸度，而溫度相近地區的干燥土壤，其酸度則不那么高。土壤上生長的植物從土壤中獲得水分和養分；在自然條件下，它們死亡后成為腐爛的表層枯落物的一部分，分解后的養分又可以被重新吸收。

在熱帶森林中，沉積在地表的枯落物數量可達北方松林的十倍，但更溫暖條件下的分解速度過快，以至于熱帶土壤中的有機質含量可能仍然很低。部分植物殘體的分解和混合進入土壤是由小動物完成的，如蚯蚓、馬陸、彈尾蟲、螨蟲、線蟲（鰻蛔蟲）、螞蟻和白蟻等。其他分解者有真菌、細菌、放線菌（像細菌一樣是單細胞，但像真菌一樣產生菌絲線）、藻類和病毒等。與之相對應的是脊椎動物，如兔子、鼴鼠、草原犬鼠、盲鼴鼠等，它們都是通過挖掘活動來促進土壤層混合的。當然，農民的耕種行為也會混合土壤。

這里有一個循環的過程，一般被稱為碳循環：大氣中的二氧化碳被固定在植物中（見后文中“植物如何生長”一節），這些植物要么死亡并被分解，要么被人類和其他動物吃掉，從而部分固定在其體內，殘余物作為糞便和尿液出現，又被分解并成為土壤有機質的一部分，其中一些將被氧化，從而回到大氣的二氧化碳庫中。這一切發生的速度顯然受到了農業發展的影響，因為放牧動物會去除生長中的植物，將其轉化為糞尿，也會轉化為氣態二氧化碳和甲烷。它或許在更大程度上還受到了煤炭和石油形式的碳化石開采的影響，這增加了大氣中的二氧化碳含量。

所有這些因素都有助于形成不同類型的土壤，我們將在后文中看到這些，但對農民個人來說，最重要的可能是土壤的質地和結構。質地是由土壤中不同大小的礦物質顆粒的比例決定的，如表1所示，該表顯示了英國采用的分類系統。

不同的土壤或多或少都會含有這些不同的顆粒。例如，根據美國農業部的體系，由40%的沙子、40%的淤泥和20%的黏土組成的土壤，將被歸類為“壤土”，而這三種成分數量相當的土壤則為“黏壤土”。要精確測定粒度分布，需要經過化學處理、篩分和沉積等復雜的過程，但有經驗的土壤科學家可以通過一種被稱為“吐唾沫然后揉搓”的過程，進行足夠有效的評估。土壤在手指和拇指之間被潤濕，通過對樣品的感觸便可了解其質地。粗沙讓人感覺很有顆粒感，細沙則稍遜一籌，淤泥讓樣品變得柔滑，黏土則使其黏稠。

數據來源：R.J.帕金森，《土壤管理與作物營養》，見R.J.索費編，《農業手冊》第20版，第4頁。?布萊克威爾科學有限公司2003，布萊克威爾出版公司。

土壤的質地會影響到它的易耕性和肥沃度。含沙量高的土壤容易排水，但也會受到干旱的影響，不是特別肥沃。耕種這種土壤的人經常說，他們每天都需要下雨，星期天則要淋糞肥，雖然他們或許不會說得如此確切。而黏土則要肥沃得多，但耕作起來也困難得多。

有此區別的原因是什么？沙子和淤泥級別的土壤顆粒每克表面積相對較小，主要由石英（二氧化硅）顆粒組成，后者的化學性質不活潑。因此，它們不太可能通過毛細引力和化合物中的養分來保持水分。而一定重量的黏土顆粒具有巨大的表面積，往往比沙子的表面積大一千倍，并且化學性質活潑，因而能保持水分和養分。所以，它們可能非常肥沃；但另一方面，在黏土里拉動犁或其他任何中耕機都比沙土中需要更大的力量，而且黏土排水緩慢，干旱期難以復濕。因此，黏土常被形容為又“冷”又“重”，而沙土則被認為是“輕盈的”。當然，大部分土壤既沒有過多的沙子，也沒有過多的黏土，所以既肥沃又容易耕作，壤土或黏土等從農耕的角度來看最好的土壤無疑也是如此。

農民可以通過人工排水來影響土壤的含水量，從而改善土壤的可耕性，延長生長季節，提高肥料的使用效率，刺激作物扎根更深。在英國，對農作物產量的影響在10%～25%之間。采用的技術多種多樣，既有通向溪流及河水的明溝，也有瓦渠、管渠和鼠道渠。在鼠道渠這個例子中，所謂的鼠道是一個直徑約70毫米的尖圓筒，連接在垂直犁片的底部，由強力拖拉機拉過土壤。在黏土中，這樣產生的渠道可以維持長達五年之久。由專業機器鋪設的瓦渠或管渠排水管的使用壽命要長得多，但安裝費用也相應較高。

與此相反的過程當然是灌溉，這在某些國家里已經進行了幾百年甚至幾千年：尼羅河三角洲的季節性洪災就是一個明顯的例子。在溫帶國家，往往只有馬鈴薯、甜菜和各種蔬菜等價值較高的作物才能回報灌溉的費用，但在熱帶地區，灌溉是水稻作物種植的必要組成部分。據估計，全球可耕種面積的20%目前要進行灌溉，其農作物產量約占總產量的40%。大部分這類耕地種植的是亞洲水稻作物，但美國也有很多。

對于農民來說，另一個重要的考慮因素是土壤的結構，因為這也影響到耕作的容易程度。土壤的形成不是沙子、淤泥和黏土簡單地混合在一起就行了，而是需要隨著時間的推移，通過土壤生物的活動，將前面討論的礦物質顆粒與有機質相混合，結果便形成了穩定的聚集體，其中含有植物根系和其他土壤生物所需的水和空氣（圖2）。

孔隙空間中可以充滿水或空氣，或是兩者的混合物，在結構良好的土壤中，表層土壤顆粒均勻，越深處則聚集體越多。在這樣的土壤中，栽培工具比較容易產生結構細密的表層土壤，農民稱之為“耕性良好”，這為植物的發芽和生長提供了理想的條件。相反，在結構不佳的土壤中，如在過于潮濕時被耕作過的黏壤土，黏土會變成“一片泥糊”，或聚集成大塊，往往在25～30厘米深的地方形成不透水的磐層，阻礙了排水。

農民無法改變土壤的質地（即沙子、淤泥和黏土的百分比），但他們的農場管理決策可以影響土壤的結構。連續耕作——或者在錯誤的情況下，即便是常規的耕作——會降低土壤中有機質的含量，更容易產生這種結構問題，而使用永久牧場或者至少是長期的草地，以及定期添加糞肥和石灰，都有助于改善土壤有機質和土壤結構。結構在極端的情況下會惡化到易受風蝕的程度，如1960年代在東盎格利亞[2]發生的情況，而最著名的例子就是美國中西部的沙塵暴（圖1）。

所有這些母質、質地、結構、有機質和地形的變化意味著世上的土壤種類繁多，土壤科學家已經為其制定了各種分類系統，其中許多系統涉及極其復雜的描述性術語。最廣泛使用的系統與氣候變量有關，主要是降雨量和溫度，以及由此產生的植被區。

因此，褐土（有時稱之為雛形土）形成于溫帶落葉林下，是良好的混合耕作土壤，而黑鈣土是在干草原或大草原上形成的黑土，成為美國中西部和烏克蘭的可耕作土壤。酸性浸出型的灰化土形成于針葉林、荒原和沼澤地寒冷潮濕的環境中，而在熱帶地區溫暖潮濕的環境中，則發現了高度風化的紅土（也被稱為磚紅壤或鐵鋁土），有時呈紅色或黃色。它們是酸性的，缺乏養分，雖然它們可以在地表快速回收利用養分，長出茂盛的森林，但只能成為貧瘠的農業土壤。灰黏土是積水土壤，在溫帶地區需要排水和精心管理，但在熱帶地區則是主要的水稻種植土壤。

這些只是以氣候為基礎的分類系統所識別的各種土壤中的一小部分，還有其他一些方法更強調母質和地形的重要性，從而形成了與地理和土地形態有關的全球分類。

因此，土壤從根本上支持著作物的生長，并為其根部提供水分。溶解在水中的是植物所需的各種養分，以幫助植物從空氣里的二氧化碳中提取其主要成分碳，我們將在下一節詳細探討這些養分。

作物的養分

植物的主要構成元素——碳、氫和氧——均來自它們通過葉子吸收的空氣和根部吸收的水。除此之外，它們還大量需要三種元素（主要營養素），較少量需要另外三種元素，極少量需要通常被稱為微量營養素的其他八種元素。

三種主要養分是氮（N）、磷（P）和鉀（K）。大部分氮元素以硝酸根離子的形式從土壤水中獲得，是植物蛋白質和葉綠素的組成成分。沒有它，植物就會變黃，無法茁壯成長。歸根結底，植物體內的氮來自空氣，但它首先要進入土壤。少量的氮溶解在雨水中，但更多的氮來自生活在土壤中的藻類或細菌（如固氮菌）的活動，或是來自豆科植物（如豌豆、菜豆、白車軸草，甚至荊豆）根部的固氮結節。來自這些有機來源的氮被進一步的細菌活動轉化為硝酸根離子，硝酸根離子極易溶于水，并以這種形式被植物根部吸收。不過，它們也可能隨著水的流失而被溶出，或再次轉化為大氣中的氮，或者被土壤生物吸收，再次成為土壤有機儲備的一部分。大多數糞肥和礦物質化肥的作用，就是增加這一循環中硝酸鹽階段氮的可利用量。

植物的能量和蛋白質代謝需要磷，沒有磷，根就長不好。土壤中通常有大量的磷，但以相對難溶解的形式存在，所以在某些情況下，只有溶解狀態的少量磷能被植物利用。鉀參與植物的水分控制和運輸機制，所以沒有它，生長速度就會降低。鉀在土壤里的黏土風化過程中被釋放出來，由于水溶性高，可能會在排水中流失。在正常情況和大多數耕作制度下，只有這三種主要養分的流失量足夠大，才需要用肥料來替代。

然而，在更集約化的農場管理系統中，還有一些其他的元素有時可能需要替換。硫是某些氨基酸和酶的成分，在正常情況下，土壤儲量充足，但自從歐洲燃煤發電站的硫排放量下降后，一些地區出現了缺硫的跡象。這一類的另外兩種元素是鈣和鎂，它們在控制土壤酸度方面起著一定的作用（見下一段）。最后是微量元素：硼、銅、鋅、錳、鉬、鐵、氯和鈷，其中許多元素在植物酶中起著重要作用，但通常需要的量很少，以至于大多數土壤都含有足夠的量。例如，產生6噸谷物和3.5噸稻草的谷類作物將從1公頃土地上移走120公斤的氮，但導致的鋅損失還不到1公斤。

土壤酸度也會影響養分的可利用性。它是由土壤的pH值來衡量的，pH值為7時，既不酸也不堿，隨著pH值的降低，酸度會增加。耕地土壤的pH值通常在5～7之間，但對于像在石灰質和白堊上的鈣質土壤來說，pH值可能在7～8之間。酸度最高的高地泥炭土可能低至3.5。在這個酸度水平上，所有主要營養素和某些微量營養素的可利用性都會降低。在pH值介于6～7之間的微酸性土壤中，養分的可利用性往往處于最高水平，微生物的活動也是如此，因此農民認識到需要通過添加適當的石灰質物料（如石灰石細粉）來維持這一水平。石灰也有助于形成良好的土壤結構，因此應將其視為土壤改良劑而不是肥料。

糞肥和化肥

從前面的討論中可以看出，使用糞肥和化肥的目的是替代種植和放牧所帶走的植物養分，所以它們的價值主要在于它們所含的氮、磷和鉀。糞肥和化肥之間并沒有硬性的界限。從本質上講，糞肥的來源是有機的——典型的例子是農家肥，它是秸稈、糞便和尿液的混合物，而化肥的原料則是化工廠生產（如氮肥）或開采的（如磷肥和鉀肥）。但也有很多介于這兩個極端之間的產品的例子，比如血粉和骨粉，或者干雞糞，它們源自有機質，但又經過了制造加工過程。

糞肥的養分含量相對較低：即使是最濃縮的家禽糞肥也只含有約2%的氮和磷以及1%的鉀。農家肥的另一個好處是它含有部分降解的有機質，有助于改善土壤結構。近年來，高度機械化的農場將動物糞尿以漿液的形式收集起來，然后直接施用于土地而不添加秸稈，因此，這將不會產生同樣的土壤結構效益。

有機肥（相對于糞肥）濃度更高，蹄角粉和血粉中含有12%～14%的氮。過去使用的此類原材料范圍很廣：海鳥糞、煤氣石灰、魚、鯨脂、“油渣”（蠟燭制造商的廢料）、毛皮加工者的剪裁邊角料、羽毛、羊毛、亞麻布、翻造呢絨、皮貨商的鞣皮廢料（尸體殘骸）和菜籽粕粉都出現在1860年編制的清單上。同樣，從煅燒石灰到泥灰巖和貝殼砂的許多原材料，過去都曾因其含有石灰而被使用。

無機肥的濃度最高，可利用養分最多能占施用量的一半。氮肥有好幾種，如硝酸銨、尿素、無水氨等，但各種氮肥中的氮都是從大氣中固定下來的（這個過程需要大量的烴類燃料，現在通常以氣體的形式存在），然后再與其他元素結合。同樣，大多數磷肥都來自磷灰巖，它可以直接作為化肥使用，但釋放磷的過程非常緩慢。因此，通常用硫酸（制成過磷酸鹽）或磷酸（制成磷含量更高的重過磷酸鹽）來處理磷灰巖。

鉀以氯化鉀的形式被開采出來，要么直接使用，要么用硫酸處理后制成硫酸鉀。所有這些單獨的養分都可以獨自使用——在這種情況下，它們通常被稱為“單質肥”——但它們也可以結合起來制成“復合肥”，其中含有混合的養分，有時是為了滿足特定作物的要求而配制的。因此，一種好的通用復合肥配比是20:10:10，含氮20%，磷和鉀各占10%，而一種旨在替代因為收割青貯飼料而帶走的養分的肥料不需要磷，因此比例可能是25:0:15（即25%的氮和15%的鉀）。其中任何一種在特定的田地或作物上的施用量都取決于各種考慮因素，包括土壤中現有的氮、磷、鉀狀態到作物的反應、售價，以及肥料的成本。大多數作物的反應曲線是遞減的，即隨著施肥量的增加，作物產出的增產效應會降低。

因此，作物和草地的長期持續生產需要健康的、管理良好的土壤。一些農民認為，最好的辦法是避免使用礦物質肥料，依靠有機方法循環利用養分。另一些人則采用精耕細作的方法，只在需要的地方投放礦物質肥料，以保持土壤肥力。農民必須根據他們現有的資源和他們希望種植的作物來做出正確的管理決策。

作物

人類以植物為生，要么直接食用植物，要么間接食用動物的肉或產品（如牛奶），而這些都是動物進食植物后出產的。黑莓或護膚桐果等少數植物或許可以從野外采集，但大多數是栽培的，在這種情況下，它們被稱為農作物。某種淀粉類能源作物幾乎是世界各地人類飲食的基礎，它通常是谷物，如小麥、谷子、水稻或玉米（圖3）。在條件不適合種植這些作物的地方，則種植木薯、薯蕷或馬鈴薯等根莖類作物。本章的以下幾節將探討植物如何生長，其生長的阻礙因素，以及如何改善它們的生長，然后再介紹一些主要的作物和栽培制度。

植物如何生長

農民如何捕捉陽光中的能量，并使之可用，從而使諸位讀者有力氣翻開這本書的書頁？他們利用了含有葉綠素的植物。葉綠素是讓植物變綠的東西，它能吸收輻射，從而提供能量，推動葉子內部的一系列生化反應，從空氣中吸收二氧化碳（CO₂），使之與根部吸收的水結合，制造簡單的碳水化合物分子——糖——并釋放氧氣（O₂）。這個過程叫作光合作用，以公式概括如下：

它的重要性無論怎樣強調都不為過。沒有它，就沒有我們所知的地球上的生命。從最矮小的草到最高大的樹，所有的綠色植物都會進行光合作用，它們95%的干物質（即不含水的部分）都是由它產生的。葡萄糖等單糖可以結合成長鏈（稱為聚合物），形成淀粉（大多數植物儲存能量的形式）和纖維素（植物細胞壁的主要成分之一）。脂肪和油類也可以通過碳水化合物的進一步轉化而產生，如果加入氮，有時再加入其他元素，還可以產生蛋白質。

因此，作物的生長速度顯然取決于光合作用的速度，而后者的速度又取決于光照、溫度、二氧化碳的濃度以及水和養分的供應情況。當溫度和光照強度增加時，只要有水，光合作用也會加速。大多數溫帶作物使用所謂的C₃代謝途徑進行碳固定，限制因素是大氣中的二氧化碳濃度。這就是燃燒化石燃料導致這種氣體水平的增加會產生肥效的原因，也是一些種植者提高溫室中的二氧化碳含量的原因。

玉米、甘蔗、谷子和高粱等許多熱帶作物都使用另一種C₄代謝途徑，在這種途徑中，光合作用在光照強度大大提高之前不受二氧化碳濃度的限制。采取這種代謝方式的植物在更炎熱干燥的條件下可以有很高的光合速率，因此人們目前正在著手研究確定起作用的基因，并利用它們來生產C₄品種的水稻。據稱，這可以比目前的C₃品種多產50%的糧食。

隨著植物的生長，由于細胞數量增加，干物質或總生物量也隨之增加。植物通過細胞的特化（分化）和組織化，從種子萌芽到營養生長發育、繁殖發育，再到種子發育。根據其生命周期（一年生、兩年生或多年生）以及植物有用的部分和作為食物收獲的部分，作物可能在幾周、幾個月或幾年后達到衰老（死亡）。

在發芽之前，大多數種子都能抵御寒冷和干旱的壓力，往往可以長期存活。例如，斯瓦爾巴全球種子庫[3]中的種子就保存在一口廢棄礦井中溫度零下的永久凍土里。大多數溫帶作物至少需要溫度在1～5℃才有可能發芽，最適宜的發芽溫度在20～25℃之間，但水稻的最適宜溫度是30～35℃。在植株生長階段，植物的生長點（分生組織）產生葉片和莖稈材料，在生殖階段產生花，花經過授粉受精后產生種子。對于糧食作物，農民只希望有足夠的莖葉發育，最大限度地增加植物的光合（綠色）面積，因為他們將收獲和出售的是種子，而他們根本不希望馬鈴薯產生種子，因為收獲的是作為食物的塊莖。

隨著溫度的升高，大多數作物生長得更快，原產于溫暖氣候下的玉米等作物，通常比原產于世界較冷地區的小麥或黑麥草等作物需要更高的溫度，才能達到最佳生長狀態。溫度驅動著發育速度，并往往控制著從一個生長階段到另一個階段的變化時間。例如，一些小麥品種被設計為在秋季播種（冬小麥），需要一段時間的寒冷天氣（春化作用）才能在來年夏天結籽。有些植物也會對日長反應靈敏。例如，一些水稻品種在白天開始變短之前不會開花，而大多數溫帶植物是“長日型”植物，需要日長日益增長才能開始開花，這確保了它們在夏季開花。

這些都是單株植物的特點，但作物是植物的集合，個體之間的相互作用也很重要。農民力求對作物進行整體管理，在白晝最長、陽光最強的時候，最大限度地截取光照。因此，如果播種太晚，就可能無法產生足夠的葉子來覆蓋地面，播種太稀也會有同樣的結果。肥沃的土壤和充足的水分也會促進葉子的生長。另一方面，如果這些因素中的任何一個過頭了，都會導致產量下降，因為較高的葉子遮住了較低的葉子，單個植株沒有足夠的生長空間，或者由于快速生長或缺水，產生弱莖或垂莖，不能保持直立。

必須在單株植物的產量和作物整體的產量之間取得平衡。需要農民的技能和經驗以及農業科學家的研究來確定最佳的種子、施肥量及播種時間，從而最大限度地提高作物的產量。

植物生長的阻礙因素

從植物和作物的這些特點可以看出，任何阻礙單株植物和作物整體以其最大的光合效率運作的因素都會降低收獲和產出。從理論上講，一般的作物可以捕捉到它可利用的大約5%的太陽能量；在實踐中，這個數字接近1%，部分原因在于氣候因素的影響，如寒冷或陰天，或是由于缺乏水分或養分，但主要是由于雜草、蟲害和疾病的影響。

誠如諺語所說，雜草是長錯了地方的植物。罌粟花（罌粟屬）在花園里看起來很漂亮，但長在小麥作物中卻是個問題。白茅（Imperatacylindrica）在馬來語中被稱為lalang，在美國被稱為cogon，在澳大利亞則叫blady grass，是東南亞傳統的葺屋頂材料，也有栽培用于加固海灘的，在非洲有時也會用于放牧，但在美國東南部的幾個州卻是官方鏟除計劃的對象。雜草的影響還取決于它的生長時間：早期的雜草侵襲會使作物窒息，而后期在發育迅速的作物中生長的雜草對于產量可能就幾乎沒有影響了。因此，雜草最明顯的影響來自它們爭奪陽光從而減少作物的光合作用的能力，但它們也會與作物爭奪水分，其種子可能會污染收獲的作物，而且它們可能會使收獲變得困難，例如旋花類植物爬上作物莖稈的時候，就會產生這樣的問題。

因此，如果在錯誤的時間生長在錯誤的地方，幾乎任何植物都可能是雜草，但有些被認為特別容易造成問題。在溫帶作物中，大穗看麥娘和野燕麥等禾本科雜草、一年生闊葉雜草和多年生雜草尤其難以對付。例如，藜（Chenopodium album）現在通常被歸類為一年生闊葉雜草，但過去它曾被用作沙拉蔬菜。多年生的雜草包括匍匐冰草、歐洲蕨、酸模，以及溫帶地區的薊；在熱帶地區，最麻煩的雜草之一是鳳眼藍（Eichhornia crassipes），它是作為觀賞性植物從巴西引進的，但長成了野生植物并繁衍到堵塞灌溉渠道、引發洪水的程度。

和雜草一樣，害蟲/害獸則是走錯了地方的動物。在塞倫蓋蒂[4]平原上看起來很有氣勢的大象，踐踏農作物時就是一種害獸；在林間草地上啃草的兔子可能會受到歡迎，但在樹籬的另一側啃食幼麥時就不是了。在大小尺度的另一端是微小的鰻蛔蟲（線蟲這種叫法非常合適），它們可以毀壞甜菜和馬鈴薯，還有包括蚜蟲和蝗蟲在內的許多昆蟲。它們可以攻擊作物從種子到根部的所有部分。有的通過吃植物的葉子來影響后者的光合能力，有的通過吃植物的根來影響植物的水分和養分吸收。蚜蟲有刺吸式口器，以植物細胞中的汁液為食，所以令其生長受阻。在此過程中，麥長管蚜等有些蚜蟲會將病毒性疾病（這里指大麥黃矮病毒BYDV）傳給植物，進一步攻擊后者。

當致病生物被引入新環境時，就會發生一些最具破壞性的害蟲/害獸攻擊。19世紀中葉之前，美國的科羅拉多馬鈴薯象甲一直在茄科的雜草上安靜地生活著。后來引進了同科（茄科）植物馬鈴薯，象甲種群便增加并擴散開來。1873年，科羅拉多馬鈴薯象甲從科羅拉多州到達美國大西洋沿岸，1901年越過大西洋，并從那里傳播到歐洲大陸，成為馬鈴薯的主要害蟲。同樣，美國的葡萄藤對根瘤蚜蟲相對免疫，但當后者在19世紀傳播到歐洲大陸的葡萄園時，卻造成了巨大的破壞，因為那里使用的葡萄品種從未接觸過根瘤蚜蟲，沒有進化出與美國品種相同的保護機制。

蟲害的范圍非常大，如果環境條件合適的話，幾乎每一種作物上都會生活著幾種害蟲。例如，非洲的咖啡作物會受到麗蝽、盲蝽、咖啡果小蠹、粉蚧、介殼蟲、蛀莖蟲和潛葉蟲的攻擊。據估計，在整個世界范圍內，蟲害造成的作物損失高達25%。

農作物的病害多是由各種真菌引起的，但病毒和細菌也難辭其咎。有些真菌會造成葉綠素的損失，使葉子看起來發黃，因此減少了光合作用。另一些真菌則生長在植物輸送水分的導管中，令植物枯萎。目前造成相當大問題的一個真菌的例子就是尖孢鐮刀菌，它生活在土壤中，并滲透到香蕉的根部，最終蔓延開來，導致葉子變黃，整株植物開始枯萎。

尖孢鐮刀菌是19世紀末首次在巴拿馬發現的，因此也被稱為“巴拿馬病”。當時在香蕉商貿中占主導地位的品種“大麥克”（Gros Michel）對這種病很敏感，到1960年，該病已蔓延到大多數生產國。幸運的是，另一個品種“卡文迪許”被證明對當時存在的尖孢鐮刀菌的菌種具有抗性，因此它繼而成為主要的商業品種，但近年來馬來西亞出現了一個被稱為“熱帶菌種4號”（TR4）的新菌種，并傳播到其他國家，而“卡文迪許”對它很敏感。由真菌致病疫霉引起的馬鈴薯枯萎病也許是植物病害中最著名的例子，它在19世紀中期襲擊了愛爾蘭的馬鈴薯作物，造成了巨大的社會經濟影響。

該如何改善植物的生長狀況？

如果植物因缺乏光、熱、水和養分而無法生長，顯而易見的解決辦法就是提供這些東西，而且往往可以做到這一點，但要付出一定的代價。如果作物的價值足夠高，這個代價或許是值得的。18世紀，一些富有的英格蘭地主建造了加熱的溫室，在其中種植菠蘿。近年來，警方在突擊檢查中發現了完全人工的種植室，毒販在其中種植大麻。

在更常見的商業環境下，北歐的番茄種植者在溫室中種植作物，人工加溫、澆水、施肥，在某些情況下還增加了二氧化碳的含量。而在西班牙南部，同樣的作物不需要人工加溫，但需要從地下水井中抽取更多的水。在加利福尼亞州干旱地區上空飛行的旅客可以俯瞰到沙漠中的綠色圓圈，那是在環繞中央水源的大型灌溉設備的幫助下生長的作物（圖4）。

如果運輸成本足夠低廉，那么在溫暖的地方種植作物，然后把它出售到那些由于過于寒冷而無法生長的地方，可能是值得一試的：正因為如此，冬月里才能在歐洲超市買到肯尼亞的青豆。各地的農民總是試圖以動物糞肥的形式將有機養分返還給土地，發達國家的大多數農民（有機農除外）以及發展中國家越來越多的農民現在則使用人工肥料（見本章前文）。

正如我們所看到的那樣，即使在理想的生長條件下，作物的生長仍然可能會受到雜草和病蟲害的影響，農民的技能之一就是掌握關于如何減少它們的影響的知識。當雜草與其周圍生長的作物非常相似時，它們是最難控制的，無論通過耕種還是使用除草劑都很難根除。如果雜草看起來像作物，人們就會猶豫是否要用鋤頭處理掉它；如果它在生理和解剖上與作物相似，就很難找到一種既能殺死它又不損害作物的除草劑。例如，野生稻（Oryza rufipogon）是水稻中最嚴重的雜草，旁遮普地區的損失一度估計超過作物的一半。

農民已經制定了許多雜草防治的策略。重要的是以適當的播種率將未受污染的種子播入肥沃的苗床，使作物與雜草競爭獲勝的概率最大化；有些雜草可以通過反復切割來控制；輪作可以使在闊葉作物中難以控制的闊葉雜草在隨后種植的谷類作物中得到更有效的處理，反之亦然。

在采用化學除草劑之前，農場主及其工人們會用鋤頭清理作物，或者用手拔除雜草，對于雜草侵襲相當輕的高價值種子作物，現在有時仍會這樣做。條播機可以成行播種，正如杰斯羅·塔爾[5]在其《馬耕畜牧》（Horse-Hoeing Husbandry，1733年）一書中所論述的那樣，發明這種機器的一個原因是，當時用馬拉鋤頭在行間鋤草比較容易，而易于實施行間耕作的寬行距作物通常被稱為“抑草作物”。但所有這些方法都需要大量的勞動力。

20世紀初，在化學除草劑出現之前，一位農場主估計，一個農場有三分之一到一半的田間勞動都耗費在了消滅雜草上。因此就不難理解農場主為何如此熱衷于使用除草劑（在時薪很高的經濟體中尤其如此），也不難理解不能使用除草劑的有機農為何往往認為雜草比病蟲害更難管理了。

如同雜草一樣（病蟲害也是如此），農民嘗試用管理和化學方法相結合的方式來減少其影響。輪種作物使得土地在連續幾年里生長不同的作物，有助于打破真菌和土壤中的昆蟲的生命周期，還有通過早播或晚播來錯過病蟲害最活躍的時間，這些都是管理方法的例子。只有在這些方法無效時，農民才越來越多地使用昂貴的農藥。

化學防治本身并非沒有問題。它不僅可能使目標生物體對其產生抗藥性，而且還可能對非目標物種產生不必要的副作用。廣泛使用氯代烴殺蟲劑對猛禽類繁殖成功率的影響就是一個眾所周知的例子。解決這個問題的一個辦法是利用捕食性動物打擊害蟲，如利用寄生蜂打擊溫室粉虱；另一個辦法是嘗試為植物培育出抵抗力。

抗病蟲害只是植物育種者的潛在目標之一。從根本上說，大多數育種計劃都試圖提高作物產量或質量，或兩者兼而有之，不過有時增產是以犧牲質量為代價的：例如，菲律賓的國際水稻研究所1966年發布的早期高產水稻品種之一IR8，由于谷粒呈粉質以及易碎而被消費者所厭棄。

育種者可以通過各種方式來提高產量。他們可以培育出抗旱或抗常見病蟲害（如谷物葉片病）的品種，還可以嘗試增加植物的可售部分，而犧牲其他部分。這已被水稻和小麥育種者廣泛應用，他們培育出了秸稈較短但穗較大的品種。總的生物量可能不會有太大的變化，但可出售的生物量增加了。

其他的目標取決于單個作物的特質。老的甜菜品種生產的種子是一簇一簇的，發芽后會產生三到四棵植株，必須費力地用手鋤從這些植株中挑出一棵強壯的，所以當育種者生產出“單胚芽”種子，每簇只有一粒種子時，就不需要這項工作了，成本也隨之降低。糖的另一來源甘蔗的某些品種葉緣鋒利，蔗田里的工人干活時可能會很疼，所以育種者試圖生產出能盡量減少這一特性的品種。植物的現代育種方法及其影響將在第六章中討論。

作物與種植

“我們大多數人的體內都有一個馬鈴薯形狀的空間，每頓飯都必須填滿它，不是用馬鈴薯就是用同樣能填飽肚子的東西。”凱瑟琳·懷特霍恩在她的經典之作《床頭柜里的烹飪》（Cooking in a Bedsitter，1963年）中寫道。這些主食通常以淀粉為基礎，來自一些最廣泛種植的農作物，如水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、木薯和薯蕷等。科幻作家約翰·克里斯托弗在其小說《草之死》（The Death of Grass，1956年）中提出，如果某種疾病開始殺死所有的禾本科植物，世界文明就會崩潰。這個科的植物不僅包括世上種植最廣泛的作物——牧草，還包括溫帶谷類（小麥、大麥、燕麥、黑麥）、熱帶及半熱帶谷類（玉米、水稻、谷子、高粱）和甘蔗。如果類似的瘟疫影響到了包括豌豆、菜豆和兵豆在內的莢果（豆科），十字花科（卷心菜、油菜、蕪菁甘藍、芥菜等）也受到了打擊的話，蔬菜和油菜籽等就都會滅絕，我們也會缺乏蛋白質。

有些農作物生產不止一種產品。小麥可以制作面包，大麥制成麥芽后可以制作啤酒，但這兩種作物也可以用來喂養動物，特別是豬和雞。大豆可以榨油，剩下的就是高蛋白動物飼料了。亞麻稈的纖維是制造亞麻布的來源，而亞麻籽則是工業油的來源，盡管隨著時間的推移，不同品種的亞麻已經被培育成專門生產兩種產品之一的作物了。

大多數農作物都有不同的品種，例如，小麥就有數百個不同的品種。有些品種經過培育，在炎熱干燥的氣候下生長得更好，有些品種能生產更好的面包面粉，還有些品種能抵抗各種真菌病害，等等。在熱帶和半熱帶國家種植的玉米品種構成了膳食淀粉最重要的來源之一，但這些品種不會是西北歐農民為生產動物飼料用的玉米青貯而種植的品種，也不會是美國農民為生產甜玉米而種植的品種。生產優質葡萄酒的葡萄品種并不適合作為新鮮的食用葡萄。

這些都是人類或動物的食用作物，但也有棉花、黃麻和大麻等大面積作物是為了獲得纖維而種植的，還有小面積的琉璃苣、金盞花和月見草，用于生產工業用油和藥用油。越來越多的作物可用于生產生物質，或是生物乙醇等燃料。

所有這些物種也可根據其生長方式進行分類。咖啡、可可、香蕉、橄欖和蘋果等木本作物一旦種植后就能生長很多年。其他的多年生作物包括葡萄藤、醋栗或覆盆子等灌木作物，它們同樣可以持續生長，如果是葡萄藤，則可以生長很多年。但農民種植的大部分作物都是一年生或（少數）二年生的。在溫帶氣候下，這意味著作物通常在夏季生長，秋季收獲。

農民在準備苗床時，有時先犁地并掩埋前一批作物的剩余物，繼而開墾并打碎土塊，然后用條播機成行種下種子。小麥或大麥等谷物可以在秋季播種，并在真正的寒冷天氣出現之前就已經定植了。等到春季土壤變暖時，它們就可以生長了，這樣可以最大限度地延長它們進行最有效的光合作用的時間。秋季可用于準備苗床的時間可能有限，或者冬季非常嚴寒，以至于許多種子作物的品種都要在春季播種。例如在加拿大北部，作物可能只有90天的時間完成從播種到收獲的周期。馬鈴薯和甜菜等根莖類作物通常在春季播種，在當年秋季收獲。一旦作物定植后，可施一次或多次肥料、除草劑和殺真菌劑。谷物和油料作物的收獲時間是在谷物灌漿成熟后，馬鈴薯和甜菜的收獲時間則是在預計作物幾乎不會再繼續生長時。

這顯然是對這一過程的一個非常基本的概述，應該明確，它涉及許多不同的決策，準備苗床的最佳方式，種植哪些品種，采用怎樣的播種率來產生最佳的植物種群，使用多少肥料以及何時施用，哪些雜草和病蟲害可能會威脅到作物以及如何防治它們，何時收獲，等等。不同農場、不同田地，甚至在同一田地內，所有這些都可能有所不同。

農民還必須決定種植哪種作物組合。有時，他們年復一年地種植同一種作物，但這可能導致病蟲害的積累，后者必須加以控制，也可能導致土壤養分的消耗，而這些養分必須加以補充。在種植最有利可圖的作物與保持作物健康和土壤肥力之間需要取得平衡。

在歐洲，現代的六茬耕地輪作的方式可能是先種兩年小麥，再種一年菜豆，然后是小麥，再是大麥，最后是油菜（油菜籽）。菜豆打破了小麥的病蟲害生命周期，并且作為豆科植物，有助于土壤固氮；油菜也打破了谷類病害的生命周期。經典的諾福克四茬輪作在小麥之后是大量噴灑農家肥、同時仔細除過草的蕪菁，這樣就為接下來的大麥作物提供了肥沃而無雜草的土壤，然后是白車軸草，白車軸草能夠固氮，為接下來的小麥作物提供了肥沃的土壤，以此類推。現代化肥和農藥使農民增加了補肥作物之間的時間，但這個原理仍然適用，而且比完全依靠化學藥品便宜。輪作得到了簡化，而不是淘汰了。

在美國中西部各州，也就是常被稱為“玉米帶”的地區，農民現在依靠的是玉米（在英國，這種作物被稱作maize，而corn在那里是小麥、大麥和燕麥的統稱）和大豆的輪作。在南方各州，玉米可能與棉花和一種豆類（如豇豆）輪作。在一些熱帶國家存在這一輪作主題的變體，那里像木薯這樣能在地里生長數年的作物可以單獨種植，也可以與一年生作物間種。在一些水稻種植區，土地可以一直休耕，直到播種下一季水稻作物為止，但在東南亞的某些地區，由于土壤適合在旱季種植，水稻可以與豆類、玉米或蔬菜輪作。

農民在決定輪作的最佳作物時，還必須考慮如何收割：前面提到的小麥/菜豆/大麥/油菜輪作中的所有作物都可以進行聯合收割，而插入牧草則需要農場有放牧的動物，或者需要額外的機械來割草，并將其制成干草或青貯飼料。

因此，農民對其種植的作物所做的決定取決于一系列因素：不僅涉及土壤和氣候允許他們種植什么，還包括他們擁有的知識和設備能夠生產什么，以及他們或其動物需要吃些什么，或者能夠賣什么。以下各章將討論這些考慮因素。