玉米發展歷史及品種(上):《因應氣候變遷作物科學化管理系列三》

人類種植玉米已有數千年的歷史,玉米不但可以食用,還可以當飼料,依據不同的性狀和用途分類,有豐富多元的品種。圖為硬質玉米「明豐3號」。(攝影╱吳尚鴻)

人類種植玉米已有數千年的歷史,玉米不但可以食用,還可以當飼料,依據不同的性狀和用途分類,有豐富多元的品種。圖為硬質玉米「明豐3號」。(攝影╱吳尚鴻)

文╱黃裕銘 英國牛津大學植物科學系博士

因應氣候變遷對農業的衝擊及可能影響糧食安全,進而需要科學化農業實作管理,內含涉及氣候-作物-土壤-肥料的交互關係,〈因應氣候變遷作物科學化管理〉一文擬於《豐年》雜誌分別用3篇文章進行說明,包含第一篇〈農業實作的誤解觀念及做法〉、第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉、第三篇〈提升土壤有機碳的田間實作方式〉。第三篇〈提高土壤有機碳的田間實作方式〉將分別就水田作物水稻、根莖類作物甘藷、雜糧作物玉米與園藝作物番石榴進行說明,本篇為玉米篇的第一篇,介紹玉米作物的背景知識。

氣候變遷造成爆冷、爆熱、乾旱、大豪雨等極端氣候,往往造成災害。一般公認,唯有保護農業土壤及利用農業科技,才能讓農作物在減碳排同時可以提高產量、固碳與累積土壤碳匯,進而減緩氣候持續惡化。目前全球農作物產量僅次於甘蔗的玉米,玉米產量及應用面持續擴大,對人類文明永續的重要性也持續提高。要達到減碳排和增土壤碳匯,跟其他作物一樣,我們需要了解其各種品種特性、生理階段的變化及養分吸收、玉米和土壤肥力間的互動,才知道如何精準施肥。

了解玉米品種以及歷史 具多重用途的世界最多糧食作物

根據聯合國農糧組織資料顯示世界的榖類作物中,產量以玉米最高,在2022~23年高達11.51億公噸,依序是小麥、水稻、大麥、高梁、燕麥、黑麥。玉米粒使用範圍非常廣,產品包括人類食物、動物飼料、能量產品、塑膠、化妝品、尿布及嬰兒粉。經合組織與農糧組織估算,到2032年間玉米每年產量逐年提高0.157億公噸。玉米最大宗用途是做飼料,但用作食用的比例也緩慢上升。相較之下,稻米產量雖也逐年上升,但稻米主要是人類食用用途,比例維持約在79%左右。

玉米依其利用分為鮮食用玉米(green maize)及可做為飼料使用的硬質玉米(field corn)。在臺灣鮮食玉米可分為甜玉米、蠟質玉米(waxy corn)及白玉米,在彰化、雲林、嘉義、臺南等地區每年種植面積超過1萬公頃,主要生產季節在每年9月到隔年2月,再來是春季3~6月及夏季7~9月,可說整年都在生產,產量約每公頃10~18公噸。根據農業部農業統計年報,2016年全臺玉米栽培3萬3千多公頃,其中硬質玉米種植16,157公頃,總計籽粒產量有65,105公噸。青割玉米年栽培3,000公頃以上,主要供作乳牛之青飼料或青貯料。

臺南採收不整地栽培的明豐3號硬質玉米。(攝影╱吳尚鴻)
臺南採收不整地栽培的明豐3號硬質玉米。(攝影╱吳尚鴻)

食用玉米種植有14,220公頃,鮮穗產量99,750公噸。食用玉米以甜玉米最多,其次為蠟質玉米(白糯及黑糯),再其次為普通白玉米與筍用玉米,最少為爆米花用(爆裂種)。臺灣每年需要4~5百萬公噸飼料玉米,政府鼓勵休耕地種植飼料玉米,某些品種產量在每公頃8~9公噸。

種植玉米會排出溫室氣體(GHG),所以如何降低玉米碳足跡相當重要,一般認為在玉米生產系統納入覆蓋作物可以降低生產玉米的碳足跡。種植玉米想做到同時減碳排及增土壤碳匯,需要了解玉米的品種種類、玉米生理階段變化、玉米整體生質量及各部位分配律、玉米養分需要量並正確施肥。

人類跟玉米共生活超過千年歷史 馴化品種後產量逐漸提高

最早的玉米可能追蹤到七千多年前在墨西哥特胡坎(Tehucán)發現的玉米軸。多數玉米歷史家認為類玉蜀黍(Teosinte),俗稱大芻草,可能是玉米主要的祖先。500多年前哥倫布登陸美洲看到玉米。1540年宗教家Coronado在西南美洲發現印地安人村莊有灌溉的玉米種植。1608年在詹姆士鎮(Jamestown)向印地安人學習種植玉米,1620年清教徒在有玉米的條件下度過冬天。

美國玉米單位面積產量最早紀錄在1866年,其產量變化可分三個階段:1866到1936年間農民種植田間自由授粉種子,產量維持相當低平均約每公頃1.6公噸,接著1930年代起美國採用雙雜交技術,使1937~1955年間產量逐年提高,最後階段是1950年代中期開始進一步的品種改良,加上抗逆境因子技術及提高化學肥料及農藥施用、農業機械化、土壤改良及改良作物管理實作,使1956~2022年間玉米產量逐年快速提高,單位面積平均產量達每公頃11.3公噸。至於〈臺灣的玉米育種現況與趨勢〉一文提到,臺灣有關玉米研究在日據時代沒有紀錄,直到1970年開始進行,初期以高蛋白質改良為目標,1980年代後由於稻米產量過剩且畜牧業遽增,農試所育種積極以飼料玉米為主;後來乳牛業發展,1994年開始育出青割玉米。依據臺灣農業統計年報資料,玉米每公頃平均產量從1982年3,280公斤,逐年提高至1987年4,001公斤,2002年5,220公斤,然後直到2011年都沒有突破5,300公斤。

玉米品種分類有兩種 植物分類學分類以及特性描述

依分類學方法分類的玉米種類有:

  1. 馬齒玉米(Dent corn, Zea mays var. indentata)

又稱為田玉米,也稱馬牙種,穎果的兩側為角質,從頂部到內部充滿軟質澱粉,隨同成熟而收縮,而呈馬齒狀。概屬晚生,植株高大,莖葉繁茂,每株的雌穗雖少而子實的收穫量多。馬齒玉米的葉及稈可做成許多種產品,如青貯及玉米糖漿,玉米粒的加工產品包括玉米油、碎玉米、粗粒玉米粉、玉米麵粉、及玉米澱粉。

  1. 甜玉米(Sweet corn, Zea mays var. saccharata or Zea mays var. rugosa)

作為鮮食、罐頭或冷凍產品。甜玉米原由祕魯的玉米Chuspillo或Chullpi的變種,後來育出的雜交玉米lochief主要在加工業上使用。未成熟的甜玉米其有一基因(su-1)會抑制糖分轉化為澱粉。乳熟期玉米粒中糖分在飼料玉米約4%的蔗糖,而甜玉米達10%蔗糖。超甜玉米還有同樣會抑制糖分轉化成澱粉速率的sh-2基因。

  1. 硬質玉米(Flint corn, Zea mays var. indurata)

又稱為火爆玉米及印度玉米,有多種顏色,也可作為飼料及玉米粉。

剛經採收未去除雜枝的硬質玉米粒。(攝影╱吳尚鴻)
剛經採收未去除雜枝的硬質玉米粒。(攝影╱吳尚鴻)
  1. 麵粉玉米(Flour , Zea mays var . amylacea)

又稱軟玉米,此名來自其主要作為玉米麵粉或玉米澱粉。

  1. 爆裂玉米(Popcorn, Zea mays var. everta)

是一種特殊的硬質玉米,玉米粒加熱後爆開,是很普遍的零嘴。爆裂玉米其胚乳外圈是硬的,中間有軟溼澱粉,所以加熱時水氣造成爆炸源,產生玉米花。

  1. 蠟質玉米(Waxy corn, Zea mays L. ceratina Kuleh)

又稱為糯玉米,含100%支鏈澱粉。蠟質變種早在1908年於中國發現,但是直到1936年美國愛荷華州立大學注意到此特性及開始發展雜交種。支鏈澱粉使其適合作為食用芡粉。

  1. 有稃種(Pod or tunicate corn, Zea mays var tunicata)

其胚可能如前述6種胚乳特性,是原始類型的玉米品種,子粒外皮堅硬,橫切面角質胚乳環生外層,有稃玉米植株多葉,子粒外有稃包住,有時有芒,常自交不孕。

特殊功能玉米有:

  1. 高離胺酸玉米(High-Lysine Corn)

玉米主要蛋白為玉米醇溶蛋白(Zein, Promalin form),人類和其他單胃動物(如豬及雞)無法有效消化,所含離胺酸及色胺酸量很低。醇溶蛋白在食品、醫藥和化工行業多作為成膜材料。醇溶蛋白多存於禾本科作物的種子中,例如小麥、大麥、黑麥、玉米、高粱、和燕麥。

1963年美國普度大學發現有具opaque-2胺基酸玉米改變胚乳澱粉構造,提高離胺酸及色胺酸含量較高的麥谷蛋白(glutenin)及降低醇溶蛋白含量。

  1. 高油玉米(High-Oil Corn)

玉米油含高量不飽和脂肪酸,其中含高亞油酸讓玉米油成為人及禽畜重要的脂肪酸來源。為了育成美味牛肉,肉牛飼養者相當關注高油量的玉米品種,多數雜交馬齒玉米品種平均含油量3.5~6.0%,但油含量高於6.0%的品種一般產量較低。亞油酸存在於動植物油中,紅花油約含75%,向日葵籽油約含60%,亞麻油中約含15%,本文探討的玉米,油中含量約50%。

  1. 藍玉米(Blue Corn)

雖然印地安人傳統上會種植各種顏色玉米,其中藍色玉米最重要,因為做為食物及宗教目的。其藍色來自果皮下的糊粉層。藍玉米產量相當低,約每公頃1.1到4.5公噸,植株容易倒伏因而不易使用機械採收。藍玉米與其他玉米相比,澱粉有較粗、較甜、具有堅果風味,做的玉米煎餅比其他白色及黃色玉米粉稠。營養成分分析上,藍玉米含較高離胺酸、鐵及鋅含量。

  1. 裝飾玉米(Ornamental Corn)

印地安人種植玉米至少6種顏色,有紅、黃、白、藍、黑和多顏色,五彩繽紛,非常好看。裝飾玉米的色素來源,可能存在於果皮、糊粉層、或胚乳本身,品種可能是馬齒玉米、甜玉米、爆裂玉米或麵粉玉米。

色彩繽紛的裝飾玉米。(圖片來源╱Jen Theodore from Unsplash)
色彩繽紛的裝飾玉米。(圖片來源╱Jen Theodore from Unsplash)
  1. 玉米芯玉米(Corncob Corns)

某些玉米品種其玉米穗軸可作為玉米芯管,能夠用作芯管的玉米穗軸至少直徑要有2.54公分,長度則要滿足可做兩個5.1公分長管的長度,整根芯的直徑均勻才適宜加工。玉米穗軸也是糠醛(呋喃甲醛furfural)的良好來源,糠醛是粗石油的抽出劑。玉米穗軸的木質部分具有硬度,材質有吸附的特性,對噴砂拋光以及清潔脫鑄件相當有用,也可以作為農藥及肥料的載體。

  1. 青割玉米(Silage Corn)

青割玉米實際上就是青貯玉米,青割玉米的最適當收穫期前後不過10天,青割玉米做成的青貯料是養乳牛的最佳飼料。作為青貯料品系的玉米,大多比較晚熟及莖葉粗大,如台南選10號。這類玉米還值得更多的發展,尚待臺灣育種家的努力。

  1. 玉米筍(Baby Corn)

玉米筍是尚未授粉的玉米,一般是玉米穗冒出後2~5天內採收。播種50~55天左右,每株可以見到3~4個玉米穗(此時約10~15公分長),幾天後玉米絲抽出,即可採收。玉米筍外穗長約15~20公分,金黃顏色,內軸直徑約1~1.5公分,尺寸通常為8~10公分長,重約8公克。玉米筍可由玉米筍專門品種生長,也可能是甜玉米、或爆米花玉米的品種。玉米筍的品種重要特性是多穗、高糖分、高營養。

臺灣主要玉米品種豐富 來自國家研發及民間育成

謝光照博士提出目前臺灣硬質玉米自足率僅約2%,2022年農委會(今農業部)推廣種植硬質玉米目標是5萬公頃。臺灣玉米育種上最多品種來自臺南區農業改良場,因此名稱冠上臺南,其次是農業試驗所,種名冠上台農。

農試所研發的青割玉米台農8號,青割玉米即青貯料,是乳牛的最佳飼料。(圖片來源╱農試所)
農試所研發的青割玉米台農8號,青割玉米即青貯料,是乳牛的最佳飼料。(圖片來源╱農試所)
農試所研發的硬玉米品種台農7號。(圖片來源╱農試所)
農試所研發的硬玉米品種台農7號。(圖片來源╱農試所)
黑糯玉米台農5號。(圖片來源╱農試所)
黑糯玉米台農5號。(圖片來源╱農試所)
白糯玉米台農6號,含大量支鍊澱粉。(圖片來源╱農試所)
白糯玉米台農6號,含大量支鍊澱粉。(圖片來源╱農試所)

民間農友公司的甜玉米有10種,其中吉珍二號及雪狼玉米,特性未列出耐熱、耐溼,耐倒伏與耐葉部病。

臺灣主要硬質玉米栽培品種及其特性簡要說明如下:

(1)台農1

生育日數約106~130天。產量為每公頃6,000公斤以上。生育期適中,於9月種植,可於隔年1月至2月中旬收穫,適於水稻(一期作)—綠肥田菁(7~8月)—硬質玉米(9~1月)的輪作體系。

(2)台南20

生育日數為112~130天。產量為每公頃6,500~7500公斤。須注意植株在乾枯時,會發生倒折現象,而不利機械收穫。生育期較台農1號晚約7~15天,須於9月種植,方可於隔年1月底至2月中旬收穫。

(3)台南24

生育日數在春作為116~120天,秋作為130~140天。每公頃乾籽實產量為約7,000~8,000公斤。苞葉枯黃時籽粒含水量約30~32%,故須等待7~14天,而植株乾枯時,一般不發生倒折現象,機械採收籽粒不易破損。生育期較台農1號晚約10~20天,須於9月種植,方可於2月收穫。

(4)明豐3

生育日數在秋作為140~160天,為晚熟品種。每公頃乾籽實產量為約7,000~9,000公斤。苞葉枯黃時籽粒含水量約30%,故須等待7~14天,植株乾枯時,一般不發生倒折現象,機械採收籽粒不易破損。生育期較台農1號晚約20~30天,須於9月種植,方可於2月收穫。

(參考文獻請洽作者)