科学网—杂说粮食（6）玉米与高粱
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2026-10-20 07:41
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杂说粮食（6）玉米与高粱
玉米和高粱也是重要的粮食作物。前一篇文章曾经说起南方人吃米，北方人吃面，而面主要是小麦粉，那是改革开放后的情况，过去并非如此。过去人们对天天能够吃上大米白面只是一种对美好生活的盼望而已。
我小时候生活在南方，在上世纪六十年代到北京上大学，才知道国家供应北方城市居民的粮食还有细粮和粗粮的区分。细粮指面粉（小麦粉），粗粮指玉米、高粱、小米及其他杂粮。北方很少有大米，像河北省的居民每月也就供应一斤大米。
在当时北京的大学里，细粮和粗粮的比例大概各占一半。但是大米的比例比河北省的居民要高。早饭照例是一个玉米面窝头，一碗玉米面糊糊。中午一般是两个馒头（少数时候是大米饭）。晚上经常是发糕（由面粉和玉米面掺和后发酵而蒸得）。
大学毕业到辽宁工作，那就基本上吃粗粮了。一般情况下，每人每月有三斤面粉，一斤大米，余下二十多斤都是玉米面，有时候也有一些高粱米。
上面所说的，是计划经济时代北方大城市和重点工业城市的情况。农村的情况还要差一些，能够主要吃上玉米面就算不错的了，很多地方要吃不少“地瓜面”。
改革开放之后，特别是九十年代之后，粮食多了，粮食市场放开了，取消了粮票，城市居民终于都能够在大米或白面之中作任意选择。玉米反而成了一部分人为了健康而食用的食品。超市里玉米面的价格也反超了一般的大米白面。
如今，玉米 是世界上总产量最高的粮食作物。2024/25 年度全球玉米总产量约为 12.32 亿吨。
我国国家统计局发布数据显示，全国2025年玉米产量30124万吨。但是，这些玉米中的绝大多数，并不是人们直接食用的粮食，其中作饲料的大约有65%～70%，其余主要是工业原料。人们直接食用的只占很少一部分。
人们栽种的主要玉米即普通籽粒玉米是硬粒型、马齿型，主要用于饲料和工业加工。
人们还栽种一些特殊品种的玉米，供食用，深受人们的喜爱。
例如，糯玉米籽粒中的淀粉基本上都是支链淀粉，煮熟后黏软，俗称黏玉米。这种玉米往往在没有完全成熟之前就供人直接食用。
甜玉米乳熟期含糖量高，饱满多汁，多作蔬菜食用。
还有一种爆裂型玉米，籽粒小且坚硬，专用于制作爆米花。
总之，玉米已经不是我国老百姓直接食用而获得能量的主要途径。
高粱是禾本科高粱属的植物。与玉米相比，高粱的种植量从而总产量就少得多了。全球高粱年产量大约在 6000 万吨上下 ，只有玉米的1/20，主要产区集中在非洲和美洲。 我国每年约产300多万吨，只有玉米的百分之一左右。
过去高粱作为粮食而食用，但是与其他主要粮食作物相比，口味品质要差不少。特别是那些年推广的产量略高的一类杂交高粱，俗称“帽高粱”，口味更差。
如今高粱在我国的主要用途是酿酒。我国的主要白酒均以高粱为主要原料，所以称高粱酒。山西酿醋的主要原料也是高粱。而每年用于酿造的高粱总量基本与高粱生产总量持平。另外，我国还需要进口大量的高粱，进口数量远大于自身的产量，主要用于饲料，也有一部分用于酿造。
玉米和高粱最早都是热带作物，后来经不断改良品种，在温带才栽种得越来越多。
在我国古代文献上最早记载高粱性状的是元代王祯在1313年刊印的《农书》。在那里其名称是“蜀黍”，因其产于蜀地，籽实与黍类似。该书介绍其种植和用途：“春月种，不宜用下地。茎高丈余，穗大如帚，其粒黑如漆，如蛤眼。熟时收割成束，攒而立之。其子作米可食，余及牛马，又可济荒。其梢可作洗帚，秸秆可以织箔、夹篱。”
玉米是美洲的印第安人驯化栽培的植物，在哥伦布发现“新大陆”时已是当地人主要的粮食作物。大概在16世纪传入我国，刚传来时，被称为番麦。据说因其高大，明朝嘉靖皇帝也曾种植，从而被称为御麦（现在苏州人仍这样称呼），后因御、玉音同，而籽实明亮如玉，更称其为玉米。玉米与高粱（蜀黍）都是高大的禾本科植物，未出穗时的秧棵也很相像，所以《本草纲目》称其为玉蜀黍。如今西南地区多称其为苞谷，华北、东北地区称呼为苞米，棒子等。
其正式的作物名称，在植物学上为玉蜀黍（禾本科、玉蜀黍属、玉蜀黍种），而国家作为粮食作物管理的名称为玉米。
玉米和高粱都是禾本科植物，它们的植株比水稻、小麦、粟、黍等都要高大许多，在相似的耕作条件下，其产量也远高于水稻、小麦，更高于粟、黍。这是什么原因呢？
原来，玉米、高粱的光合作用机理，与其他大多数作物并不相同。
我们知道，植物的根、茎、叶、花、种子等器官，其组成的主要元素都是碳、氢、氧等。这些器官从无到有，从小到大，其元素的主要来源均出自二氧化碳和水，也就是说，由二氧化碳和水逐步合成了构成植物的纤维素、淀粉等化合物。这个合成过程需要能量，这个能量就是日光，所以整个反应称为光合作用。
光合作用需要分步进行。第一步是植物吸收阳光，产生高能量的分子ATP(三磷酸腺苷)。它可以转化成ADP（二磷酸腺苷）而放出能量。所以，生成ATP的这一步，可以看成是给这部“合成化学机器”准备能源。在这个步骤中，还生成了对于植物而言的“副产品”——氧气。
第二步则不需要光了，所以称之为暗反应，在这一步，由二氧化碳和水合成有机物。
暗反应的第一个步骤，对绝大多数植物来说，是要把空气中的二氧化碳固定到二磷酸核酮糖（一种含有5个碳原子的化合物）上，结合后使它增加了一个碳原子，但是新生成的这个6碳分子很不稳定，立即分裂成2个含3个碳原子的磷酸甘油酸。这些3个碳原子的磷酸甘油酸再经过一系列复杂的生物化学反应，生成葡萄糖、纤维素、淀粉等等。当然，这里合成反应所需要的能量都来自于第一步合成的ATP。由于这里固定二氧化碳首先生成的是有3个碳的化合物磷酸甘油酸，所以采用这种方式固碳的植物，叫做碳三植物。
与所有的生物化学反应一样，这个加碳过程需要酶的催化。而这种酶有两种功能：羧化和加氧。如果这种酶遇到二氧化碳，就把二氧化碳加到有机物上面去，让它的碳链变长，这叫羧化。而如果遇到氧气，就会使有机物氧化，又变成了二氧化碳。这里，氧化是一个很糟糕的事情，对于合成有机物，它是在“拆台”。
氧化过程大大降低了光合作用的效率，使得一般情况下其实际效率只有原来的一半。这种固碳方式产生于远古时代，那时候在地球表面的空气中二氧化碳含量高于氧气。在生物进化过程中，有些最基本的机制是很难改变的，原始植物的这种固碳机制后来就一直沿用了下来。据说现有的植物物种中，95%都是碳三植物。
光合作用需要的二氧化碳是通过叶片的气孔取得的。然而气孔一开，植物中的水分也能够蒸发掉。气孔不开，二氧化碳就进不去，羧化反应就无法进行。而太阳一晒，光合作用的第一步却仍然在进行，还要产生出氧气，“拆台”的氧化反应却还会进行，这样总的固碳效率变得非常低下。所以，在非常炎热干旱的条件下，碳三植物的生存面临着巨大的挑战。
在这种情况下，有一部分植物发展出一种新的固碳机理。它们的叶片与碳三植物有所不同。在这些新的植物中，叶肉细胞里含有一种新的羧化酶，这种酶能够固定二氧化碳，生成含4个碳原子的苹果酸。所以这些植物被称为碳四植物。
那么是不是苹果酸就作为合成葡萄糖的原料呢？不是的。这些苹果酸跑到里面的鞘细胞中，却放出来一个二氧化碳分子，剩下的3个碳原子的化合物，又跑回叶肉细胞去合成新的苹果酸去了。而在鞘细胞里面，那些与碳三植物一样的羧化/氧化酶正等着苹果酸送来的二氧化碳，好进行羧化反应呢！在那里，就基本上没有氧气来捣乱了。酶可以专心进行羧化反应。
这样，碳四植物的暗反应多了一步，就是先合成苹果酸，让苹果酸担任“运输”二氧化碳的作用，这就避免了碳三植物中讨厌的氧化过程。所以，碳四植物的光合作用效率就远远高于碳三植物。
玉米、高粱、甘蔗等就是这样的碳四植物。由于其光合作用对于光的利用率高，所以它们生长得快，都植株粗大。
把玉米这样的碳四光合作用基因转移到水稻这样的粮食作物上，当然是一个令人向往的方向。实际上这方面的许多研究也正在进行。我们盼望农业科学家在这方面早日取得突破性的进展。
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