生物炭用量對鮮食糯玉米產量及品質的影響

蔣志慧　王文慧　張有利　鄧杰　靳亞忠　徐常健　郭永霞　張凱迪　武雅楠

摘要：為探究生物炭不同用量對糯玉米品質、產量及其構成要素的影響，為玉米高效、優質的生產提供理論依據，通過在糯玉米（金糯262）種植過程中加入不同用量的生物炭（60、120、180 kg/hm2）進行基施處理，以未施用生物炭處理為對照，來探究生物炭不同用量對糯玉米外觀品質、蒸煮品質、營養品質、產量及其構成要素的影響。結果表明，施用生物炭可以有效改善鮮食糯玉米外觀品質和蒸煮品質，其中生物炭60 kg/hm2處理效果最佳，其次為180 kg/hm2。鮮食糯玉米籽粒可溶性糖含量、蔗糖含量、葡萄糖含量隨生物炭施用量增加呈先降低后升高的趨勢，其中生物炭 60 kg/hm2 處理含量最高，分別比對照提高115.16%、29.22%和79.35%。籽粒果糖含量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和籽粒含水量隨生物炭施用量增加呈先升高后降低的趨勢，以生物炭120 kg/hm2處理效果最好，分別比對照提高3.43%、14.20%、10.34%和8.32%。施炭處理還可以有效降低籽粒粗淀粉含量，延緩籽粒淀粉合成時間，相比于對照降低4.22%～1.04%。同時，施用生物炭可以增加玉米穗行數、行粒數、鮮百粒質量，減少禿尖現象，提高玉米果穗鮮質量，其中120 kg/hm2處理效果最好，玉米果穗鮮質量比對照提高11.67%。綜上，施加生物炭可以有效改善糯玉米品質，提高玉米產量，但從玉米產量和籽粒品質等方面綜合考慮，推薦生物炭施用量為120 kg/hm2。

關鍵詞：鮮食糯玉米；生物炭；籽粒品質；產量

中圖分類號：S513.06文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）14-0109-07

玉米是我國大面積種植的一種糧食作物，鮮食糯玉米是指乳熟期的玉米果，其營養豐富、口感黏糯［1］，被營養學家稱作“新型的營養保健食品”［2］。近年來，因人們生活水平的不斷提高，消費者對玉米營養品質的需求逐漸提升，對色、型、味等感官品質也有較高的要求，鮮食糯玉米越來越受到消費者的青睞。隨著我國鮮食糯玉米種植面積的不斷擴大，為了提高玉米產量以獲得更高的經濟效益，便將大量的化學肥料應用到農業生產中，導致土壤環境遭到破環、肥料利用率降低、養分元素缺失，致使農作物產量和品質大幅下降［3］。

生物炭作為一種新型的土壤調理劑［4］，具有較大的比表面積、較高的孔隙度和自身具備的礦質養分，將其施入土壤不僅可以改善土壤理化性質、增加土壤養分含量，還可以促進土壤酶活性，改善土壤微環境［5］。同時生物炭還可以通過自身的吸附性能將土壤中的營養元素吸附至其表面，促進作物生長，滿足作物在不同生育時期對養分的需求［6］。盧廣遠等研究表明，施用炭基肥比單施用化學肥料更有助于促進玉米的生長發育和產量提升［7］。目前，生物炭除了能夠改善土壤環境、促進作物生長和提高產量外，在改善作物品質方面也具有積極效應［8］。陳德秀等將生物炭作用于獼猴桃果實上，研究發現，生物炭配施有機肥可以提高果實糖酸比、還原糖、可溶性糖和可溶性蛋白含量，從而改善果實品質［9］。張瑞花等研究表明，施加生物炭能顯著提高櫻桃番茄果實番茄紅素、維生素C、可溶性固形物、可溶性蛋白、可溶性糖含量［10］。劉曉雨等在不結球白菜上的研究發現，生物炭浸提液可以提高低肥力土壤白菜地上部維生素C含量，而水洗生物質炭對高肥力土壤中小白菜地上部維生素C含量有一定的促進作用［11］。生物炭對植株生長發育和改善作物品質的研究多集中在園藝作物，在玉米上的研究相對較少。因此，本試驗將不同用量生物炭與化學肥料進行混配，以條施的耕作方式施用在玉米根際附近來探究其對乳熟期糯玉米品質和產量及其構成要素的影響，尋求生物炭的最佳施用量，為作物優質、高產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年在黑龍江省大慶市肇州縣老街基玉米示范基地進行，試驗區地處黑龍江省西南部，松嫩平原腹地，氣候屬中溫帶大陸性季風氣候。試驗地土壤類型為黑鈣土，土壤pH值為7.86，有機質含量48.64 g/kg，堿解氮含量89.25 mg/kg，有效磷含量12.63 mg/kg，速效鉀含量59.00 mg/kg。

供試品種為糯玉米（金糯262），試驗所用的化學肥料為尿素（N≥46%）、磷酸二銨（N≥18%、P2O5≥46%）和硫酸鉀（K2O≥50%）。供試生物炭材料為玉米秸稈壓縮顆粒在600 ℃低溫熱裂解下生產而來，由黑龍江地力農業發展有限公司提供。生物炭基本化學性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，3次重復，4個處理，各處理如表2所示。試驗的每個小區面積32.5 m2，行長 10 m，行距0.65 m，株距0.3 m，每個小區設置5行，種植密度5.1萬株/hm2，以條施的耕作方式將生物炭與70%氮肥和全部的磷肥、鉀肥作為基肥隨播種一次性施入，剩余30%的氮肥在玉米拔節期作為追肥施入土壤，其他田間管理措施同當地種植管理一致。

1.3 測定指標及方法

外觀品質：將采收的果穗，每個處理隨機抽取10穗，去除苞葉和花絲，然后由5位專家對籽粒飽滿情況、籽粒排列情況、籽粒色澤、蟲咬、霉變、損傷、苞葉包裹情況、新鮮嫩綠度等外觀品質進行鑒定并評分［12］。

蒸煮品質：在采收果穗當天，將供品鑒的果穗在沸水中煮15 min，冷卻后，由5位專家進行品鑒并評分［12］。

營養品質：鮮食糯玉米籽粒可溶性糖含量采用H2SO4-蒽酮比色法測定［13］；蔗糖、葡萄糖、果糖含量采用比色法測定［13］；粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量采用FOSS近紅外谷物品質分析儀InflateTM 1241測定；籽粒含水量采用烘干法測定［14］。

產量及其構成要素：在玉米乳熟期，每個小區選取中間2行進行測產，隨機選取10個果穗，測定其穗粗、穗長、禿尖長、穗行數、行粒數、鮮百粒質量。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2019進行數據統計和圖表繪制，利用SPSS 26.0軟件對數據進行單因素ANOVA方差分析和Duncans多重比較。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用量對鮮食糯玉米外觀品質的影響

鮮食糯玉米外觀品質的優良是玉米生產加工的基礎條件。由表3可知，施加生物炭對鮮食糯玉米籽粒飽滿度、色澤狀況、苞葉包裹情況和新鮮嫩綠度都有一定的促進作用，說明生物炭可以提高玉米的外觀品質；同時施用生物炭可以降低玉米蟲咬、霉變、損傷等情況的發生，對玉米還可以起到一定的增產作用。從玉米外觀品質評分結果來看，B60>B180>B120>B0，施炭處理分數相比對照高12.7～14.5分，其中B60處理表現最佳，為146.1分，其次為B180處理，分數達到145.1分，且各處理與對照間均存在顯著性差異，表明施加生物炭的各處理外觀品質均優于僅施加化學肥料的處理。

2.2 生物炭施用量對鮮食糯玉米蒸煮品質的影響

鮮食糯玉米蒸煮品質是評定玉米口感和營養價值的標準。由表4可知，施加生物炭可以降低果皮厚度，提高鮮食糯玉米的風味、氣味、糯性（甜味），改善玉米籽粒的柔嫩性，其中B60處理評定分數最高，為58.5分，顯著高于其他處理；其次是B180處理，評定分數為56.0分，最低的是化學肥料B0處理，其評定分數為51.0分，說明施加生物炭可以提高玉米的蒸煮品質， 使鮮食糯玉米籽粒皮薄柔嫩、黏軟清香，有適度的甜味。

2.3 生物炭施用量對鮮食糯玉米營養品質的影響

由圖1可知，鮮食糯玉米籽粒可溶性糖含量表現為B60>B180>B0>B120，其中B60和B180分別比B0顯著增加，增幅達115.16%和13.73%，但B120處理相比B0略有所降低且不存在顯著性差異。籽粒蔗糖含量在B60處理表現最佳，為1.22%，與B0之間存在顯著性差異，比B0提高29.22%，而B120和B180 2個施炭處理相對B0處理籽粒蔗糖含量有所下降，其中B120處理比B0處理降低16.55%，且與B0之間存在顯著性差異。籽粒葡萄糖含量表現為B60>B180>B120>B0，施加生物炭的各處理相對于對照處理籽粒葡萄糖含量都有所提高，與對照相比分別提高79.35%、3.91%和17.79%，B60處理達到最大值，且只有B60和B180這2個處理與對照間存在顯著性差異。籽粒果糖含量隨生物炭施用量的增加呈先升高后降低的趨勢，表現為B120>B0>B180>B60，其中B120處理效果最佳，比B0增加3.43%，但與B0間差異不顯著，而B60和B180這2個處理相比對照籽粒果糖含量有所下降，其中B60處理比B0降低30.86%，且與B0之間存在顯著性差異。其原因可能是土壤中施入適量的生物炭可以有效吸附根際附近的礦質元素，有助于糖含量的積累，而果糖作為蔗糖的分解產物，當籽粒中蔗糖含量較高時，說明分解的產物較少，進而導致果糖含量下降。

由圖2可知，鮮食糯玉米籽粒粗蛋白含量表現為施加生物炭的各處理均顯著高于對照處理，較B0處理分別提高7.25%、14.20%和13.10%，其中B120處理效果最好。粗脂肪含量表現為施加生物炭的各處理與對照間均存在顯著性差異，比對照提高8.20%～10.34%，但施加生物炭的各處理間差異不顯著。粗淀粉含量表現為B0>B120>B180>B60，施加生物炭的各處理籽粒粗淀粉含量均低于對照，其中B60和B180這2個處理與對照相比分別降低4.22%和2.53%，與對照差異顯著。對于籽粒含水量，隨施炭量的增加籽粒含水量呈先升高后降低的趨勢，B120和B180處理顯著高于B0處理，較B0增加8.32%和6.16%，B60較B0處理也有所增加，但差異不顯著。說明施加生物炭處理相比對照處理可以顯著增加籽粒粗蛋白和粗脂肪含量，延緩糖類向淀粉轉化時間，提高籽粒含水量。

2.4 鮮食糯玉米營養品質之間相關性分析

對鮮食糯玉米8種營養品質進行相關性分析，結果（表5）表明，可溶性糖含量與蔗糖含量、葡萄糖含量呈極顯著正相關，與果糖含量和粗淀粉含量呈極顯著負相關，說明蔗糖含量可以在一定程度上影響可溶性糖的含量；蔗糖含量與葡萄糖含量呈極顯著正相關，與果糖含量呈極顯著負相關，與含水量、粗淀粉含量之間呈顯著負相關，說明蔗糖含量高可以顯著提高葡萄糖含量，降低籽粒含水量和粗淀粉含量；葡萄糖含量與果糖含量和粗淀粉含量之間呈極顯著負相關；果糖含量與粗淀粉含量呈極顯著正相關，說明果糖含量的高低對粗淀粉含量有一定的影響；含水量與粗蛋白含量呈極顯著正相關；粗淀粉含量與粗脂肪含量呈顯著負相關；粗蛋白含量與粗脂肪含量呈極顯著正相關。

2.5 生物炭施用量對鮮食糯玉米產量及其要素的影響

對于玉米穗粗，隨施炭量的增加玉米穗粗呈升高的趨勢，但僅有B180處理與B0處理間存在顯著性差異，比B0粗4.66 mm，其他2個處理相比對照雖有提高但差異不顯著。玉米的穗長隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢，表現為B120>B60>B180>B0，雖然施加生物炭處理的穗長高于對照處理，比對照高0.27～0.74 cm，但與對照之間并不存在顯著性差異。施加生物炭可以有效降低玉米禿尖長度，且各施炭處理與對照間均存在顯著性差異，隨施炭量的增加玉米禿尖呈下降的趨勢，分別比對照降低80.00%、95.00%和98.25%，B180處理效果最好。對于玉米穗行數和行粒數，均隨施炭量的增加呈升高的趨勢，B180處理效果最佳，且與對照之間均存在顯著性差異，分別較對照提高25.00%和18.75%，但B180處理與B120處理間差異不顯著。而玉米鮮百粒質量隨施炭量增加呈升高的趨勢，分別比對照提高3.92%、25.92%和27.03%，其原因可能是施加生物炭可以起到保水保肥的作用，提高籽粒含水量，從而提高鮮百粒質量，其中B120和B180 2個處理與對照之間存在顯著性差異，但二者間差異不顯著。對于玉米鮮穗質量，施加生物炭的各處理與對照相比均存在顯著性差異，比對照提高4.45%～12.04%。其中B180處理的玉米鮮穗質量略高于B120處理，但二者差異不顯著。說明生物炭的施用對提高作物產量有一定的促進作用，但用量過高促進效果不明顯，因此對產量構成要素的各指標進行綜合考慮，認為B120處理效果最好，即可以對產量有一定的提升作用又可以節約生物炭的施用量（表6）。

3 討論與結論

本試驗結果表明，施加生物炭可以改善鮮食糯玉米的外觀品質，使籽粒飽滿、色澤純正、無霉變、無蟲咬等，B60處理效果最為顯著，其次為B180處理。同時，施炭處理可以提高糯玉米的蒸煮品質，使玉米在蒸煮后籽粒黏軟清香、皮薄無渣、甜度適中、食味純正。其中B60處理相對于其他處理可以有效改善籽粒的柔嫩性，降低果皮厚度，提高鮮食糯玉米的風味、氣味、糯性（甜味），其原因可能是將生物炭施入土壤，改善土壤結構，促進土壤水、氣、熱之間的交換，加強土壤微生物活性［15］，并且生物炭具有強大的吸附性能，可以將吸附其表面的養分緩慢持續地釋放，延長供肥時間，使玉米生長發育階段有充足的養分供應［16］，從而可以改善鮮食糯玉米的外觀品質和蒸煮品質。

鮮食糯玉米的營養品質是評價玉米營養價值的衡量標準。施加生物炭可以提高植株對氮、磷、鉀養分的吸收，使葉片數和葉面積顯著高于其他處理［17-18］，增加葉綠素含量，從而提高葉片的光合特性［19］。而植物光合作用積累的干物質大部分以蔗糖的形式轉運至果實和種子中供其生長發育，使植物體內每時每刻都在進行著糖代謝活動［20］。因此，蔗糖代謝在植物體的糖代謝網絡中是極其重要的存在，同時為了避免植物體內出現蔗糖富集的現象，在進行糖代謝的過程中需要通過相應的酶來催化反應［21］。蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）和轉化酶（Inv）3種酶在蔗糖代謝過程中扮演著重要角色。試驗結果表明，隨著施炭量的增加籽粒蔗糖含量呈現先降低后升高的趨勢，其中B60處理效果最好，比對照提高29.22%，而其他2個處理分別比對照降低16.55%和2.82%，可能是因為生物炭的施入會加強植株根際附近有效磷的吸附效果，適量的有效磷會提高SPS的活性［22］，而SPS又是調節蔗糖合成的關鍵酶，對蔗糖的積累起關鍵的作用，因此適量的磷含量會促進籽粒蔗糖含量積累。

籽粒可溶性糖含量與蔗糖含量存在極顯著正相關，是因為蔗糖作為可溶性糖的主要存在形式，蔗糖含量的差異對可溶性糖含量的高低起決定性作用［23］。易洪海等認為施加生物炭可以延長可溶性糖的積累，使糖含量升高［24-25］。本試驗中施加生物炭的B60處理效果最好，比B0提高115.16%，其次為B180處理，比B0提高13.73%，說明施加生物炭對提高可溶性糖含量有一定的促進作用。

葡萄糖和果糖是蔗糖在Inv催化作用下水解形成的產物［26］，施加生物炭可以增加土壤養分和有機碳含量，從而提高Inv活性，促進蔗糖分解［27］，其中只有B60和B180這2個施炭處理的籽粒葡萄糖含量與對照之間存在顯著性差異，相比對照增加79.35%和17.79%，且與蔗糖含量之間存在極顯著正相關，說明施加生物炭可以有效增加籽粒葡萄糖含量。但籽粒果糖含量僅B120處理效果最佳，相對于B0有所提升，但差異不顯著，且果糖與蔗糖之間呈極顯著負相關，說明分解之后的蔗糖主要以果糖的形式存在，當籽粒中蔗糖含量較低時，說明被分解的蔗糖較多，進而導致果糖含量升高。

淀粉是糯玉米胚乳中主要儲藏物質［16］。本試驗粗淀粉含量隨生物炭施入量增加呈先升高后降低的趨勢，B60和B180這2個處理與對照相比顯著降低4.22%和2.53%，而B120處理相比對照也有所降低，但差異不顯著。說明施加生物炭相比化學肥料會延緩養分的釋放，從而影響SS活性。SS在分解蔗糖時會產生代謝產物尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），它能夠參與到淀粉的合成過程中［28］，而施炭處理會減緩速效養分釋放速率，降低SS活性，抑制蔗糖分解，延緩糖類向淀粉轉化的時間，且粗淀粉與蔗糖間存在顯著負相關，說明蔗糖分解速率的快慢會影響粗淀粉含量的高低，這與趙福成等在研究玉米籽粒蔗糖分解與轉化試驗中的觀點相似［29］。

施加生物炭處理相比對照可以提高鮮食糯玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪和籽粒含水量，分別比對照提高7.25%～14.20%、8.20%～10.34%和 0.19%～8.32%，且B120處理效果最佳。從相關性來看，粗蛋白與粗脂肪呈極顯著正相關，與石海春等的分析結果［30］一致。本研究還發現，籽粒含水量與粗蛋白存在極顯著正相關，說明施加生物炭具有保水保肥效果，可以滿足籽粒形成階段對水分和養分的需求量［31］，從而有助于提高籽粒含水量，籽粒含水量高有助于粗蛋白的積累，這與楊恩瓊等的研究結果一致，其認為作物吸收到充足的水分可以促進籽粒灌漿，提高粗蛋白含量，從而提高作物品質［32］。

對于作物產量，施加生物炭可以促進玉米果穗的生長，提高玉米產量，降低玉米禿尖現象產生，通過增加玉米穗行數、行粒數及鮮百粒質量來增加玉米果穗鮮質量，通過對各產量要素指標的綜合分析認為B120處理效果最好，既提高了產量又節約了生物炭的施用量。這與Partey等的研究結果相似，生物炭與化學肥料互作可以有效釋放養分，提高植株對養分的吸收利用，從而提高作物的產量［33］。

綜合分析可知，生物炭的不同用量對玉米的品質和產量及其構成要素存在不同的促進和提升效果。B60處理可以有效改善鮮食糯玉米的外觀品質和蒸煮品質，提高玉米籽粒中的蔗糖含量、可溶性糖含量、葡萄糖含量；B120處理可以提高籽粒中的果糖含量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、籽粒含水量，并且可以提高產量及產量構成要素；同時施加生物炭可以降低籽粒粗淀粉含量，有效延緩籽粒淀粉合成時間，但在糯玉米的生產實踐中，由于考慮到玉米的產量及品質等多方面的因素，認為適宜的生物炭施用量為120 kg/hm2，這樣可以使玉米的經濟價值和營養價值協同提升。

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收稿日期：2022-10-25

基金項目：黑龍江省農墾總局重點科研計劃項目（編號：HKKYZD190204）；黑龍江省應用技術研究與開發計劃專項（編號：GA19B104）；黑龍江八一農墾大學大學生創新創業訓練計劃項目（編號：202110223110）。

作者簡介：蔣志慧（1997—），女，黑龍江拜泉人，碩士研究生，主要從事植物營養與肥料研發研究。E-mail：2323641485@qq.com。

通信作者：張有利，碩士研究生，副教授，主要從事有機農業的教學與科研工作。E-mail：441722471@qq.com。