在同一個地方連續種同一種蔬菜，為什麼會長不好？
― 每年都有東西正悄悄從土裡被帶走
同樣的花盆、同樣的土、同樣的種法，跟去年一模一樣。但今年的番茄卻長不高，結的果實也偏小。自古以來農民就說「不可以連續種同一種作物」，並會夾種豆類作為對策。而這背後的原因，其實直到約130年前才被解開。
陽台花盆裡，去年結了很多果實的小番茄。因為捨不得丟掉那些土，今年就直接拿來繼續種。
結果葉子顏色變淡，而且從下面的葉子開始發黃。雖然還是有結果，但大小只有去年的一半左右就停止長大了。
水分和日照都跟去年相同。唯一改變的，只是這塊土又多「被使用」了一年而已。
原因大致有兩個
把果實和葉子帶回家，等於把原本存在其中的成分帶出了農地。其中特別容易不足的是氮，這是構成葉子和果實中蛋白質的原料。
作物根部周圍，會聚集喜歡該作物的細菌、黴菌和小型線蟲。若同一種作物持續種植，對這些對手來說，等於每年都有食物送上門，數量便會逐漸增加。
這兩個因素疊加所造成的生長不良，統稱為連作障礙。有趣的是，人類花了非常長的時間，才找到原因1的真相。
原因1：從土裡流失的氮，究竟有多少
構成葉子和果實內容物的，是水、碳，以及少量的氮。碳可以從空氣中的二氧化碳無限取得。但氮卻只能靠根部吸收。
後面的折疊區塊會實際計算，但簡單來說，從1平方公尺的農地收穫番茄，整株植物大約會帶走20公克的氮到農地之外。而這個過程每年都會重複發生。
這裡有個奇妙之處。空氣中有78％是氮。1平方公尺農地上方的空氣中，大約含有8噸的氮。然而，就在這片空氣正下方，植物卻會缺氮。
空氣中的氮，是由兩個原子緊密結合而成的形態。這個結合非常牢固，一般植物無法將其拆開。明明頭頂上就有堆積如山的氮，卻碰不到手。這正是氮這個元素麻煩的地方。
原因2：查出真兇「不是植物本身，而是寄居在根部的細菌」的過程
種過豆類的隔年，作物會長得比較好——這個經驗，早在古羅馬的農業書籍中就已經被記載下來。也就是說，早在2000年前，人們就已經知道這個效果本身了。
儘管如此，直到19世紀中葉，許多學者仍認為「植物是直接以土壤中腐爛的有機物為食」。至於豆類為何特別，當時誰也無法說明。
轉機出現在1838年。法國的布森戈在自己的農場上，仔細持續測量作物與土壤。據稱他發現，只有種植豆科作物的區塊，整片農地的氮含量反而增加了。氮似乎是從某處冒出來的。
然而，這些氮究竟是不是來自空氣、又是誰在進行這個過程，當時仍不清楚。答案要到1886年，由德國的赫爾里格爾與威爾法特透過實驗才揭曉。
他們用去除了養分和微生物的沙子來種植豆類，結果植物長不好。但在澆過稀釋農地土壤所得水溶液的花盆裡，根部長出了小小的瘤粒，植物也長得十分旺盛。
換句話說，能利用空氣中氮的並非豆類本身，而是寄居在根瘤中的細菌。植物提供住所與糖分，細菌則負責拆解空氣中的氮並交給植物。這筆交易，正是那2000年經驗法則背後的真相。
根瘤從空氣中固定的氮，大部分會轉移到果實和葉子裡。如果把大豆的果實全部收穫帶走，留在農地裡的氮幾乎不會增加。若目的是要肥沃土壤，在結果之前就割下並翻入土中的「綠肥」用法會比較合適。
原因2中增加的對手，幾乎是以作物的「科」為單位共通的。番茄之後接著種茄子或青椒，因為都屬於茄科，土裡的對手並不會改變。若打算讓土地休息，就必須換成不同科的作物。
總結
連作導致生長不良，並不是因為土壤變舊了。而是因為每年的收穫會把氮等養分帶出土壤之外，同時鎖定該作物的對手也會在土裡增加。輪作，就是自古以來用來同時錯開這兩個問題的智慧。
農地上方明明有8噸的氮。
問題不在於量，而在於它是否能被拆解成可用的形態。
空氣中的氮自然進入土壤的途徑，除了根瘤菌之外還有一個。在〈打雷多的年份稻米會豐收，是真的嗎？〉一文中，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，也歡迎閱讀〈發酵和腐敗有什麼不同？〉。
- 在春天到夏天期間，在花盆裡播下毛豆或四季豆的種子。肥料要少放一些。
- 開花時，拔起其中一株，用水輕輕沖洗根部。
- 如果根部附著了直徑約2～4毫米的圓形瘤粒，那就是根瘤。請試著用指甲把它剖成兩半。
如果內部呈淡粉紅色或紅褐色，一般認為是固氮作用活躍的證據。仍是白色或綠色的瘤粒，則表示還沒開始運作，或是已經結束運作。用同一個花盆重複使用舊土的那一年，和換上新土的那一年，比較一下瘤粒數量也很有意思。
想了解更多 ― 用語、數學式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，明確標示各段落屬於哪個程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「生物基礎、化學基礎」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（土壤學、植物營養學）的內容
- 研究連大學都還不會當作「定論」來教，是研究者目前正在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 連作障礙：在同一個地方持續種植同一科作物時，生長變差的現象。是養分不足與土壤中病原菌、線蟲增加兩者疊加所造成。
- 固氮作用：把空氣中的氮分子轉變成植物可利用的形態（如氨等）。有生物進行的方式，也有透過放電或工業方法進行的方式。
- 根瘤菌：進入豆科植物根部並形成瘤粒（根瘤）、把空氣中的氮交給植物的一類細菌。作為回報，會從植物那裡獲得糖分。
國中高中用算式確認：一次收穫，農地會流失多少氮
被帶走的氮無法直接測量。因此要從收穫物中所含蛋白質的量反推回去，因為蛋白質是唯一含氮的主要營養素。
| 以符號表示 | N ＝ M × p × k |
| 以文字表示 | 被帶走的氮重量 ＝ 收穫重量 × 蛋白質比例 × 蛋白質中所含氮的比例 |
| 公式的由來 | 這是基於元素在過程中不會消失的質量守恆概念。蛋白質中所含氮的比例，平均約為16％，也被用於食品成分表的計算中。 |
| 1m²農地可收穫的番茄（大略值） | 約 6000 g |
| 番茄每100 g的蛋白質含量 | 約 0.7 g |
| 蛋白質中所含氮的比例 | 約 0.16（16％） |
| 含葉、莖在內的整株植物氮含量 | 約為果實的 3 倍 |
| 把收穫量換算成「100 g的幾倍」 | 6000 ÷ 100 ＝ 60 |
| 果實中所含蛋白質 | 60 × 0.7 ＝ 42 |
| 其中的氮（g） | 42 × 0.16 ＝ 6.72 |
| 含葉、莖在內的整株（g） | 6.72 × 3 ＝ 20.16 |
換算下來，1平方公尺每年大約會有20公克的氮被帶出農地之外。5年就是100公克。若不補充，數量必定會持續減少。
| 1m²上方空氣的重量（kg） | 101325 ÷ 9.8 ≒ 10339 |
| 其中的氮（重量約佔75％） | 10339 × 0.75 ≒ 7754 |
| 被帶走的20 g等於0.02 kg，因此 | 7754 ÷ 0.02 ≒ 387700 |
正上方的氮量，約是一年帶走量的39萬倍。這就像在倉庫旁邊挨餓一樣，可見不足的並非數量，而是把它轉變成可用形態的手段。
高中高中＋為什麼空氣中的氮無法直接使用
高中氮分子是由2個氮原子以三鍵結合而成。要切斷這個鍵所需的能量，約為氧分子的2倍，在身邊常見的分子中屬於特別高的一類。因此空氣中的氮既不會燃燒也不會生鏽，只是靜靜地存在著。
高中＋生物用來拆解這個鍵結的方法稱為生物固氮，負責執行的是一種叫固氮酶的酵素。這種酵素一接觸到氧就會失去作用，因此根瘤內部有一種叫豆血紅蛋白的色素負責捕捉氧氣，把氧濃度維持在較低的狀態。剖開根瘤時看到的粉紅色，就是這種色素的顏色。
大學氮循環與根瘤共生的成立
在土壤學、植物營養學中，這一連串的過程被視為氮循環來處理。固氮、植物吸收、有機物分解產生的氨化、轉為硝酸的硝化作用，以及再度變回氣體的脫氮作用，構成一個完整的循環。豆科與根瘤菌之間的關係稱為共生固氮，目前已知植物一方釋放的信號物質（類黃酮）與細菌一方的反應（結瘤因子）會用來辨識彼此，並透過感染線進入根部細胞的機制。
📖 公式推導與更進一步的內容：窒素固定（日文版維基百科） ／ 根粒菌（日文版維基百科）
研究目前仍未完全弄清楚的事
- 能不能讓水稻或小麥也長出根瘤？ 把共生固氮機制移植到豆科以外作物的研究仍在持續進行，但需要複雜的基因組合，目前尚未達到實用階段。
- 連作障礙的主因究竟是什麼？ 有時是特定病原菌造成，有時則是土壤微生物整體平衡崩壞所致，一般認為因作物而異，情況各不相同。
- 氮施得太多之後會怎樣？ 施入農地的氮，有一部分會在脫氮作用過程中轉變成具有強烈溫室效應的氧化亞氮氣體。在哪些條件下會排放多少，目前的估算仍存在很大差異。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。土壤內部，至今仍是難以觀察的世界之一。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科（生物間的連結、分解者的作用） | 土壤中的微生物與養分的進出 |
| 高中 | 生物基礎・化學基礎（氮同化、化學鍵） | 氮分子的三鍵，以及從蛋白質反推氮量的計算 |
| 高中＋ | 生物（固氮作用、共生） | 固氮酶與豆血紅蛋白 |
| 大學 | 土壤學・植物營養學 | 氮循環、硝化作用與脫氮作用、共生辨識機制 |
| 研究 | 植物分子生物學・農業環境工學 | 將共生機制移植到非豆科植物、氧化亞氮的排放 |
| ― | 與生活的連結 | 花盆土壤的重複使用、錯開科別的種植方式、綠肥 |
- 日本文部科學省《日本食品標準成分表2020年版（八訂）》(日本食品標準成分表2020年版（八訂）)（蛋白質含量與氮轉換為蛋白質的係數）
- 日本土壤肥料學會 編《土壤科學入門》(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）
- 關於 J. B. Boussingault 針對豆科作物氮收支所做田間實驗（1838年）的科學史記述
- H. Hellriegel・H. Wilfarth〈關於豆科植物氮營養的研究〉（1888年，揭示根瘤菌作用的實驗報告）
- 日本農林水產省《關於土壤改良・有機物利用之資料》(農林水産省「土づくり・有機物利用に関する資料」)（連作障礙與輪作的概念）
※本文為面向大眾的科普解說。文中數值僅為幫助理解機制的參考概算。實際收成量與所需肥料量，會因作物品種、土質、地區而有很大差異。栽種相關的判斷，請依循您所在地區農業改良推廣中心或地方政府資料的指示。