生物炭用量对鲜食糯玉米产量及品质的影响

蒋志慧　王文慧　张有利　邓杰　靳亚忠　徐常健　郭永霞　张凯迪　武雅楠

摘要：为探究生物炭不同用量对糯玉米品质、产量及其构成要素的影响，为玉米高效、优质的生产提供理论依据，通过在糯玉米（金糯262）种植过程中加入不同用量的生物炭（60、120、180 kg/hm2）进行基施处理，以未施用生物炭处理为对照，来探究生物炭不同用量对糯玉米外观品质、蒸煮品质、营养品质、产量及其构成要素的影响。结果表明，施用生物炭可以有效改善鲜食糯玉米外观品质和蒸煮品质，其中生物炭60 kg/hm2处理效果最佳，其次为180 kg/hm2。鲜食糯玉米籽粒可溶性糖含量、蔗糖含量、葡萄糖含量随生物炭施用量增加呈先降低后升高的趋势，其中生物炭 60 kg/hm2 处理含量最高，分别比对照提高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随生物炭施用量增加呈先升高后降低的趋势，以生物炭120 kg/hm2处理效果最好，分别比对照提高3.43%、14.20%、10.34%和8.32%。施炭处理还可以有效降低籽粒粗淀粉含量，延缓籽粒淀粉合成时间，相比于对照降低4.22%～1.04%。同时，施用生物炭可以增加玉米穗行数、行粒数、鲜百粒质量，减少秃尖现象，提高玉米果穗鲜质量，其中120 kg/hm2处理效果最好，玉米果穗鲜质量比对照提高11.67%。综上，施加生物炭可以有效改善糯玉米品质，提高玉米产量，但从玉米产量和籽粒品质等方面综合考虑，推荐生物炭施用量为120 kg/hm2。

关键词：鲜食糯玉米；生物炭；籽粒品质；产量

中图分类号：S513.06文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）14-0109-07

玉米是我国大面积种植的一种粮食作物，鲜食糯玉米是指乳熟期的玉米果，其营养丰富、口感黏糯［1］，被营养学家称作“新型的营养保健食品”［2］。近年来，因人们生活水平的不断提高，消费者对玉米营养品质的需求逐渐提升，对色、型、味等感官品质也有较高的要求，鲜食糯玉米越来越受到消费者的青睐。随着我国鲜食糯玉米种植面积的不断扩大，为了提高玉米产量以获得更高的经济效益，便将大量的化学肥料应用到农业生产中，导致土壤环境遭到破环、肥料利用率降低、养分元素缺失，致使农作物产量和品质大幅下降［3］。

生物炭作为一种新型的土壤调理剂［4］，具有较大的比表面积、较高的孔隙度和自身具备的矿质养分，将其施入土壤不仅可以改善土壤理化性质、增加土壤养分含量，还可以促进土壤酶活性，改善土壤微环境［5］。同时生物炭还可以通过自身的吸附性能将土壤中的营养元素吸附至其表面，促进作物生长，满足作物在不同生育时期对养分的需求［6］。卢广远等研究表明，施用炭基肥比单施用化学肥料更有助于促进玉米的生长发育和产量提升［7］。目前，生物炭除了能够改善土壤环境、促进作物生长和提高产量外，在改善作物品质方面也具有积极效应［8］。陈德秀等将生物炭作用于猕猴桃果实上，研究发现，生物炭配施有机肥可以提高果实糖酸比、还原糖、可溶性糖和可溶性蛋白含量，从而改善果实品质［9］。张瑞花等研究表明，施加生物炭能显著提高樱桃番茄果实番茄红素、维生素C、可溶性固形物、可溶性蛋白、可溶性糖含量［10］。刘晓雨等在不结球白菜上的研究发现，生物炭浸提液可以提高低肥力土壤白菜地上部维生素C含量，而水洗生物质炭对高肥力土壤中小白菜地上部维生素C含量有一定的促进作用［11］。生物炭对植株生长发育和改善作物品质的研究多集中在园艺作物，在玉米上的研究相对较少。因此，本试验将不同用量生物炭与化学肥料进行混配，以条施的耕作方式施用在玉米根际附近来探究其对乳熟期糯玉米品质和产量及其构成要素的影响，寻求生物炭的最佳施用量，为作物优质、高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年在黑龙江省大庆市肇州县老街基玉米示范基地进行，试验区地处黑龙江省西南部，松嫩平原腹地，气候属中温带大陆性季风气候。试验地土壤类型为黑钙土，土壤pH值为7.86，有机质含量48.64 g/kg，碱解氮含量89.25 mg/kg，有效磷含量12.63 mg/kg，速效钾含量59.00 mg/kg。

供试品种为糯玉米（金糯262），试验所用的化学肥料为尿素（N≥46%）、磷酸二铵（N≥18%、P2O5≥46%）和硫酸钾（K2O≥50%）。供试生物炭材料为玉米秸秆压缩颗粒在600 ℃低温热裂解下生产而来，由黑龙江地力农业发展有限公司提供。生物炭基本化学性质见表1。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，3次重复，4个处理，各处理如表2所示。试验的每个小区面积32.5 m2，行长 10 m，行距0.65 m，株距0.3 m，每个小区设置5行，种植密度5.1万株/hm2，以条施的耕作方式将生物炭与70%氮肥和全部的磷肥、钾肥作为基肥随播种一次性施入，剩余30%的氮肥在玉米拔节期作为追肥施入土壤，其他田间管理措施同当地种植管理一致。

1.3 测定指标及方法

外观品质：将采收的果穗，每个处理隨机抽取10穗，去除苞叶和花丝，然后由5位专家对籽粒饱满情况、籽粒排列情况、籽粒色泽、虫咬、霉变、损伤、苞叶包裹情况、新鲜嫩绿度等外观品质进行鉴定并评分［12］。

蒸煮品质：在采收果穗当天，将供品鉴的果穗在沸水中煮15 min，冷却后，由5位专家进行品鉴并评分［12］。

营养品质：鲜食糯玉米籽粒可溶性糖含量采用H2SO4-蒽酮比色法测定［13］；蔗糖、葡萄糖、果糖含量采用比色法测定［13］；粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉含量采用FOSS近红外谷物品质分析仪InflateTM 1241测定；籽粒含水量采用烘干法测定［14］。

产量及其构成要素：在玉米乳熟期，每个小区选取中间2行进行测产，随机选取10个果穗，测定其穗粗、穗长、秃尖长、穗行数、行粒数、鲜百粒质量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019进行数据统计和图表绘制，利用SPSS 26.0软件对数据进行单因素ANOVA方差分析和Duncans多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用量对鲜食糯玉米外观品质的影响

鲜食糯玉米外观品质的优良是玉米生产加工的基础条件。由表3可知，施加生物炭对鲜食糯玉米籽粒饱满度、色泽状况、苞叶包裹情况和新鲜嫩绿度都有一定的促进作用，说明生物炭可以提高玉米的外观品质；同时施用生物炭可以降低玉米虫咬、霉变、损伤等情况的发生，对玉米还可以起到一定的增产作用。从玉米外观品质评分结果来看，B60>B180>B120>B0，施炭处理分数相比对照高12.7～14.5分，其中B60处理表现最佳，为146.1分，其次为B180处理，分数达到145.1分，且各处理与对照间均存在显著性差异，表明施加生物炭的各处理外观品质均优于仅施加化学肥料的处理。

2.2 生物炭施用量对鲜食糯玉米蒸煮品质的影响

鲜食糯玉米蒸煮品质是评定玉米口感和营养价值的标准。由表4可知，施加生物炭可以降低果皮厚度，提高鲜食糯玉米的风味、气味、糯性（甜味），改善玉米籽粒的柔嫩性，其中B60处理评定分数最高，为58.5分，显著高于其他处理；其次是B180处理，评定分数为56.0分，最低的是化学肥料B0处理，其评定分数为51.0分，说明施加生物炭可以提高玉米的蒸煮品质， 使鲜食糯玉米籽粒皮薄柔嫩、黏软清香，有适度的甜味。

2.3 生物炭施用量对鲜食糯玉米营养品质的影响

由图1可知，鲜食糯玉米籽粒可溶性糖含量表现为B60>B180>B0>B120，其中B60和B180分别比B0显著增加，增幅达115.16%和13.73%，但B120处理相比B0略有所降低且不存在显著性差异。籽粒蔗糖含量在B60处理表现最佳，为1.22%，与B0之间存在显著性差异，比B0提高29.22%，而B120和B180 2个施炭处理相对B0处理籽粒蔗糖含量有所下降，其中B120处理比B0处理降低16.55%，且与B0之间存在显著性差异。籽粒葡萄糖含量表现为B60>B180>B120>B0，施加生物炭的各处理相对于对照处理籽粒葡萄糖含量都有所提高，与对照相比分别提高79.35%、3.91%和17.79%，B60处理达到最大值，且只有B60和B180这2个处理与对照间存在显著性差异。籽粒果糖含量随生物炭施用量的增加呈先升高后降低的趋势，表现为B120>B0>B180>B60，其中B120处理效果最佳，比B0增加3.43%，但与B0间差异不显著，而B60和B180这2个处理相比对照籽粒果糖含量有所下降，其中B60处理比B0降低30.86%，且与B0之间存在显著性差异。其原因可能是土壤中施入适量的生物炭可以有效吸附根际附近的矿质元素，有助于糖含量的积累，而果糖作为蔗糖的分解产物，当籽粒中蔗糖含量较高时，说明分解的产物较少，进而导致果糖含量下降。

由图2可知，鲜食糯玉米籽粒粗蛋白含量表现为施加生物炭的各处理均显著高于对照处理，较B0处理分别提高7.25%、14.20%和13.10%，其中B120處理效果最好。粗脂肪含量表现为施加生物炭的各处理与对照间均存在显著性差异，比对照提高8.20%～10.34%，但施加生物炭的各处理间差异不显著。粗淀粉含量表现为B0>B120>B180>B60，施加生物炭的各处理籽粒粗淀粉含量均低于对照，其中B60和B180这2个处理与对照相比分别降低4.22%和2.53%，与对照差异显著。对于籽粒含水量，随施炭量的增加籽粒含水量呈先升高后降低的趋势，B120和B180处理显著高于B0处理，较B0增加8.32%和6.16%，B60较B0处理也有所增加，但差异不显著。说明施加生物炭处理相比对照处理可以显著增加籽粒粗蛋白和粗脂肪含量，延缓糖类向淀粉转化时间，提高籽粒含水量。

2.4 鲜食糯玉米营养品质之间相关性分析

对鲜食糯玉米8种营养品质进行相关性分析，结果（表5）表明，可溶性糖含量与蔗糖含量、葡萄糖含量呈极显著正相关，与果糖含量和粗淀粉含量呈极显著负相关，说明蔗糖含量可以在一定程度上影响可溶性糖的含量；蔗糖含量与葡萄糖含量呈极显著正相关，与果糖含量呈极显著负相关，与含水量、粗淀粉含量之间呈显著负相关，说明蔗糖含量高可以显著提高葡萄糖含量，降低籽粒含水量和粗淀粉含量；葡萄糖含量与果糖含量和粗淀粉含量之间呈极显著负相关；果糖含量与粗淀粉含量呈极显著正相关，说明果糖含量的高低对粗淀粉含量有一定的影响；含水量与粗蛋白含量呈极显著正相关；粗淀粉含量与粗脂肪含量呈显著负相关；粗蛋白含量与粗脂肪含量呈极显著正相关。

2.5 生物炭施用量对鲜食糯玉米产量及其要素的影响

对于玉米穗粗，随施炭量的增加玉米穗粗呈升高的趋势，但仅有B180处理与B0处理间存在显著性差异，比B0粗4.66 mm，其他2个处理相比对照虽有提高但差异不显著。玉米的穗长随施炭量的增加呈先升高后降低的趋势，表现为B120>B60>B180>B0，虽然施加生物炭处理的穗长高于对照处理，比对照高0.27～0.74 cm，但与对照之间并不存在显著性差异。施加生物炭可以有效降低玉米秃尖长度，且各施炭处理与对照间均存在显著性差异，随施炭量的增加玉米秃尖呈下降的趋势，分别比对照降低80.00%、95.00%和98.25%，B180处理效果最好。对于玉米穗行数和行粒数，均随施炭量的增加呈升高的趋势，B180处理效果最佳，且与对照之间均存在显著性差异，分别较对照提高25.00%和18.75%，但B180处理与B120处理间差异不显著。而玉米鲜百粒质量随施炭量增加呈升高的趋势，分别比对照提高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，从而提高鲜百粒质量，其中B120和B180 2个处理与对照之间存在显著性差异，但二者间差异不显著。对于玉米鲜穗质量，施加生物炭的各处理与对照相比均存在显著性差异，比对照提高4.45%～12.04%。其中B180处理的玉米鲜穗质量略高于B120处理，但二者差异不显著。说明生物炭的施用对提高作物产量有一定的促进作用，但用量过高促进效果不明显，因此对产量构成要素的各指标进行综合考虑，认为B120处理效果最好，即可以对产量有一定的提升作用又可以节约生物炭的施用量（表6）。

3 讨论与结论

本试验结果表明，施加生物炭可以改善鲜食糯玉米的外观品质，使籽粒饱满、色泽纯正、无霉变、无虫咬等，B60处理效果最为显著，其次为B180处理。同时，施炭处理可以提高糯玉米的蒸煮品质，使玉米在蒸煮后籽粒黏软清香、皮薄无渣、甜度适中、食味纯正。其中B60处理相对于其他处理可以有效改善籽粒的柔嫩性，降低果皮厚度，提高鲜食糯玉米的风味、气味、糯性（甜味），其原因可能是将生物炭施入土壤，改善土壤结构，促进土壤水、气、热之间的交换，加强土壤微生物活性［15］，并且生物炭具有强大的吸附性能，可以将吸附其表面的养分缓慢持续地释放，延长供肥时间，使玉米生长发育阶段有充足的养分供应［16］，从而可以改善鲜食糯玉米的外观品质和蒸煮品质。

鲜食糯玉米的营养品质是评价玉米营养价值的衡量标准。施加生物炭可以提高植株对氮、磷、钾养分的吸收，使叶片数和叶面积显著高于其他处理［17-18］，增加叶绿素含量，从而提高叶片的光合特性［19］。而植物光合作用积累的干物质大部分以蔗糖的形式转运至果实和种子中供其生长发育，使植物体内每时每刻都在进行着糖代谢活动［20］。因此，蔗糖代谢在植物体的糖代谢网络中是极其重要的存在，同时为了避免植物体内出现蔗糖富集的现象，在进行糖代谢的过程中需要通过相应的酶来催化反应［21］。蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）和转化酶（Inv）3种酶在蔗糖代谢过程中扮演着重要角色。试验结果表明，随着施炭量的增加籽粒蔗糖含量呈现先降低后升高的趋势，其中B60处理效果最好，比对照提高29.22%，而其他2个处理分别比对照降低16.55%和2.82%，可能是因为生物炭的施入会加强植株根际附近有效磷的吸附效果，适量的有效磷会提高SPS的活性［22］，而SPS又是调节蔗糖合成的关键酶，对蔗糖的积累起关键的作用，因此适量的磷含量会促进籽粒蔗糖含量积累。

籽粒可溶性糖含量与蔗糖含量存在极显著正相关，是因为蔗糖作为可溶性糖的主要存在形式，蔗糖含量的差异对可溶性糖含量的高低起决定性作用［23］。易洪海等认为施加生物炭可以延长可溶性糖的积累，使糖含量升高［24-25］。本试验中施加生物炭的B60处理效果最好，比B0提高115.16%，其次为B180处理，比B0提高13.73%，说明施加生物炭对提高可溶性糖含量有一定的促进作用。

葡萄糖和果糖是蔗糖在Inv催化作用下水解形成的产物［26］，施加生物炭可以增加土壤养分和有机碳含量，从而提高Inv活性，促进蔗糖分解［27］，其中只有B60和B180这2个施炭处理的籽粒葡萄糖含量与对照之间存在显著性差异，相比对照增加79.35%和17.79%，且与蔗糖含量之间存在极显著正相关，说明施加生物炭可以有效增加籽粒葡萄糖含量。但籽粒果糖含量仅B120处理效果最佳，相对于B0有所提升，但差异不显著，且果糖与蔗糖之间呈极显著负相关，说明分解之后的蔗糖主要以果糖的形式存在，当籽粒中蔗糖含量较低时，说明被分解的蔗糖较多，进而导致果糖含量升高。

淀粉是糯玉米胚乳中主要储藏物质［16］。本试验粗淀粉含量随生物炭施入量增加呈先升高后降低的趨势，B60和B180这2个处理与对照相比显著降低4.22%和2.53%，而B120处理相比对照也有所降低，但差异不显著。说明施加生物炭相比化学肥料会延缓养分的释放，从而影响SS活性。SS在分解蔗糖时会产生代谢产物尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），它能够参与到淀粉的合成过程中［28］，而施炭处理会减缓速效养分释放速率，降低SS活性，抑制蔗糖分解，延缓糖类向淀粉转化的时间，且粗淀粉与蔗糖间存在显著负相关，说明蔗糖分解速率的快慢会影响粗淀粉含量的高低，这与赵福成等在研究玉米籽粒蔗糖分解与转化试验中的观点相似［29］。

施加生物炭处理相比对照可以提高鲜食糯玉米籽粒粗蛋白、粗脂肪和籽粒含水量，分别比对照提高7.25%～14.20%、8.20%～10.34%和 0.19%～8.32%，且B120处理效果最佳。从相关性来看，粗蛋白与粗脂肪呈极显著正相关，与石海春等的分析结果［30］一致。本研究还发现，籽粒含水量与粗蛋白存在极显著正相关，说明施加生物炭具有保水保肥效果，可以满足籽粒形成阶段对水分和养分的需求量［31］，从而有助于提高籽粒含水量，籽粒含水量高有助于粗蛋白的积累，这与杨恩琼等的研究结果一致，其认为作物吸收到充足的水分可以促进籽粒灌浆，提高粗蛋白含量，从而提高作物品质［32］。

对于作物产量，施加生物炭可以促进玉米果穗的生长，提高玉米产量，降低玉米秃尖现象产生，通过增加玉米穗行数、行粒数及鲜百粒质量来增加玉米果穗鲜质量，通过对各产量要素指标的综合分析认为B120处理效果最好，既提高了产量又节约了生物炭的施用量。这与Partey等的研究结果相似，生物炭与化学肥料互作可以有效释放养分，提高植株对养分的吸收利用，从而提高作物的产量［33］。

综合分析可知，生物炭的不同用量对玉米的品质和产量及其构成要素存在不同的促进和提升效果。B60处理可以有效改善鲜食糯玉米的外观品质和蒸煮品质，提高玉米籽粒中的蔗糖含量、可溶性糖含量、葡萄糖含量；B120处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，并且可以提高产量及产量构成要素；同时施加生物炭可以降低籽粒粗淀粉含量，有效延缓籽粒淀粉合成时间，但在糯玉米的生产实践中，由于考虑到玉米的产量及品质等多方面的因素，认为适宜的生物炭施用量为120 kg/hm2，这样可以使玉米的经济价值和营养价值协同提升。

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收稿日期：2022-10-25

基金项目：黑龙江省农垦总局重点科研计划项目（编号：HKKYZD190204）；黑龙江省应用技术研究与开发计划专项（编号：GA19B104）；黑龙江八一农垦大学大学生创新创业训练计划项目（编号：202110223110）。

作者简介：蒋志慧（1997—），女，黑龙江拜泉人，硕士研究生，主要从事植物营养与肥料研发研究。E-mail：2323641485@qq.com。

通信作者：张有利，硕士研究生，副教授，主要从事有机农业的教学与科研工作。E-mail：441722471@qq.com。