工业大麻植物工厂栽培优势与技术需求分析

刘文科（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

大麻是一种传统经济作物，是大麻科大麻属一年生草本植物。通常为雌雄异株，偶尔有雌雄同株，是人类最早种植的经济作物之一，几千年来一直是纤维、食品和医药的重要来源。大麻起源于中亚、喜马拉雅山、西伯利亚中部以及高加索和里海南部，中国是大麻重要的起源地之一。大麻素（cannabinoids）是大麻植物中特有的，是含有烷基和单萜基团的一类次生代谢产物，目前已知存在超过100 种大麻素成分，其主要成分为四氢大麻酚（Tetrahydrocannabinol，THC）、大麻二酚（Cannabidiol，CBD）、大麻萜酚（Cannabigerol，CBG）及大麻酚（Cannabinol，CBN）等[1-2]。因THC 具有致幻成瘾性，大麻也成为一种公认的毒品源植物。通常为与毒品大麻进行区分，国际上将THC 含量低于0.3% 的大麻类型称为工业大麻，主要分为药用型工业大麻和纤维型工业大麻[3]。至今，欧盟、加拿大及中国云南省等地均以法律形式规定植株THC 含量＜0.3%的大麻为工业大麻，工业大麻无毒品利用价值，采取政府许可种植的方式来推广[4-5]。近些年，由于特殊的药用价值，大麻变成了炙手可热的作物，尤其是对药用成分CBD 的需求逐年增加，生产需求与日俱增[6]。研究表明，CBD 不仅不会令人上瘾，而且可以治愈诸多疑难病症，如癫痫、阿尔茨海默病、焦虑症、疼痛症和炎症[6-11]等。除了医药用途，CBD 还可用于食品、饮料、化妆品和健康产品，市场需求和潜在利润巨大。基于上述原因，世界各国在法律允许条件下大麻的种植面积持续增加，特别是室内种植面积大幅增加，供给能力得到增强。

世界工业大麻生产与应用现状

多数国家与地区的政策均受1961 年批准的《联合国麻醉药品单一公约》以及1971 年《精神药物公约》与1988 年《禁止非法贩运麻醉药品和精神药物公约》的约束。但是，2020 年12月2 日，联合国通过了将《联合国麻醉药品单一公约》中的大麻和大麻脂从附表四中删除的决议，尽管它仍然属于被管制的精神类药品，继续保留在附表一中，但是它与附表一中其它180 多种管制类药品一样，管制的仅是THC，放开了CBD的药用、食用价值的研究与应用。2021 年1 月联合国决定从麻醉剂清单里将大麻移除，在一定程度上促进了全球大麻工业种植。近几年，大麻生产合法化导致北美和欧洲市场急剧扩大，乌拉圭、加拿大已经成为世界上医用和娱乐大麻合法化的国家[12]。其中，乌拉圭在2013 年将大麻完全合法化，成为世界上第一个建立全国合法大麻市场的国家，加拿大则是在2018 年成为北美第一个将大麻完全合法化的国家。墨西哥将成为继乌拉圭和加拿大之后，第三个实现大麻完全合法化的国家，可将大麻合法作为娱乐、科学、医学和工业用途。2018 年12 月，美国通过了联邦层面的工业大麻合法化。截止到2020 年底，美国娱乐大麻合法的州包括加利福尼亚洲、阿拉斯加州、加州、缅因州、科罗拉多州、马萨诸塞州、密歇根州、内华达州、俄勒冈州、佛蒙特州、华盛顿州、华盛顿特区、伊利诺伊州等。医用大麻合法的州包括亚利桑那州、阿肯色州、康涅狄格州、特拉华州、佛罗里达州、夏威夷、路易斯安那州、马里兰州、明尼苏达州、密苏里州、蒙塔纳州、新罕布什尔州、新泽西州、新墨西哥州、纽约州、北达科他州、俄亥俄州、俄克拉荷马州、宾夕法尼亚州、罗德岛、犹他州、西弗吉尼亚州。近年来，工业大麻在全球范围内相继合法化，韩国、英国、德国、新加坡等国家陆续宣布可以在医学领域应用工业大麻。中国目前已经获得工业大麻种植许可证的仅有两个省份，分别是黑龙江和云南。中国是最大的工业大麻生产和出口国，据《中国农业统计年鉴》和联合国粮农组织的统计资料，中国工业大麻产量约占全世界50%，主要为纤维用或油用。国内大麻种植地区广泛，形成了云南省以花叶用、黑龙江省以纤维用、山西省以籽粒用为主的生产布局。当前，全球工业大麻呈现出欧盟、北美、中国三大主产区域的分布格局。其中，中国是世界上种植工业大麻最多的国家。

国内工业大麻育种取得丰硕成果

20 世纪80 年代，人们对大麻的特性又有了新的认识，在一些欧洲国家研究培育出低毒大麻品种，并获得推广。目前，云南和黑龙江等省份推广种植花叶用的工业大麻品种多为纤维与药用兼用类型，CBD 含量仅在1% 左右，已远不能满足产业发展需求。既要提高CBD 含量，又要保证THC 含量不超标是目前工业大麻育种的卡脖子难题，也是育种专家们追求的目标。近年来，中国大麻育种学者在工业大麻新品种培育方面取得了较好的成绩[13-14]。中国农业科学院麻类研究所先后培育出了‘中汉麻’系列新品种，新品种大麻二酚含量分别为3.22%～4.29%，同时四氢大麻酚含量控制在0.2% 以下，达到了北美推广的工业大麻品种的平均水平[13]。其中，‘中汉麻3 号’和‘中汉麻4 号’为全雌型品种，种植效益较常规品种明显提升。黑龙江省科学院大庆分院培育出了纤维用汉麻系列工业大麻品种新品中4 个。云南省农业科学院经济作物研究所大麻研究中心选育出药用云麻系列工业大麻新品种9 个。

药用工业大麻有已成为支撑食品与生物医药等健康产业发展的一个新的增长点。近年来，通过提取大麻植株花叶中主要药用成分CBD 作为新药研发和食品添加的原料，逐渐成为工业大麻产业发展的一个重要新方向。中国云南省、黑龙江省、吉林省纷纷重新启动了工业大麻的产业化程，通过政府许可方式进行工业大麻种植和加工及产品研发。截至2019 年5 月，国内经营范围中包含工业大麻的企业共有160 余家。涉及工业大麻概念的上市企业共有39 家[15]。目前，国内很多省份对工业大麻产业化表现出意向，比如浙江省[16]、内蒙古自治区[17]是比较积极的地区。可以预测，在国内拒绝工业大麻合法化前提下，通过政府严格监管和核查授权，实施规模化、企业化工业大麻生产，发展CBD 相关产业是大势所趋，对满足健康产业需求，满足市场需求具有重要的意义。

工业大麻植物工厂生产现状

工业大麻是适合在室内栽培或植物工厂生产的作物，荷兰和比利时是欧洲最大的室内大麻生产国[18]。大麻是高附加值作物，在可控环境采用完全电光源下生长可以获得利润。植物工厂种植具有诸多优势，确保了工业大麻植物优质高产、稳产和周年连续生产。具体包括以下几点：①生长因素自动可控，包括水肥供给、环境因子（光照、CO2浓度、温湿度等）调控和育苗及种植时间等，具有高产和超量累积CBD 等药用成分的潜力；②室内高效的大麻种植不会与主要作物竞争土地资源，节省了土地资源；③免除了杂草、病虫害、气象灾害、连作障碍等烦扰，规避了农药、重金属等化学品或污染物的污染；④工厂化生产管理大幅提高生产效率，降低劳动强度和劳动；⑤种植规模及数量易于统计计算，产量可预测，品质可控制，非法扩散风险小可控。

植物工厂种植大麻也存在不足，包括以下几点：①专用品种缺乏，应加快适合植物工厂栽培的专用工业大麻品种，提升CBD 生产效率；②种植技术含量高，需要素质较高的技术人员；③室内种植耗电成本占生产成本的很大比例[19]。工业大麻为喜光、短日照作物，晚熟品种对光照反应更为敏感，所以在棚室内种植工业大麻的时候要格外的注意光照条件；④缺乏专用水培或基质培系统和LED 光照系统及环控系统装备。大麻是喜光的短日照植物，对光照条件和环境条件的响应较为敏感，生长因素的调控可以改变工业大麻中的THC 和CBD 的含量[20-21]。因此，利用生长因素的调控来提升大麻植株中的有效成分含量将会成为一种常用的安全高效手段。为此，世界各国的工业大麻种植农场主和研究人员均有兴趣通过尝试各种环境因素调控的方法来提升CBD 产量。其中，光环境调控是最重要的调控方式之一，采用LED 光源进行大麻室内种植是一个很好的高产途径，光源具有节能、长寿命且光环境动态可智能调控的优势。但是，截至目前有关光环境，特别是光质对工业大麻生长、产量和品质影响的研究数量很少，尚未形成具有生产指导价值的光生物学体系，大麻LED 生长灯及其控制系统的研发迫在眉睫。

工业大麻植物工厂生产技术需求

植物工厂是比较成熟的设施园艺生产方式，已广泛用于叶菜、根茎菜、草莓、药用植物等的工厂化生产。因此，工业大麻在设施栽培技术的基础上，完全可以实现植物工厂生产。然而，与园艺作物相比，工业大麻具有独特的形态学特性、生理学特点和独特的产品器官，因此工业大麻的植物工厂栽培系统设计、环境因子调控策略、LED 照明系统等有别与园艺作物，必须研发专用技术装备，以满足工业大麻高效生产的需求。植物工厂栽培是工业大麻生产提质增效的有效途径。因此，探寻促进CBD 积累的栽培手段成为药用工业大麻优质高效种植生产的重要研究目标。要实现工业大麻植物工厂高效栽培必须实施系统的技术攻关，研究清楚工业大麻栽培生物学习性及其调控的共性技术和关键技术。通过特定的技术调控获得较高的生物产量和CBD，控制THC 含量在合法水平。具体技术需求如下：①通过育种创新从遗传角度为工业大麻的优质高产创造基础，确定各生育期大麻素含量动态变化特征；②研发植物工厂工业大麻栽培专用栽培系统，包括基质培或水培装备；③研发LED 照明系统、环控系统是重点。植物工厂大麻栽培的最大优点是环境可控，通过光照、营养等生长要素的调控，充分调动大麻植物生理过程，促进生长，提高CBD含量，控制THC 含量。LED 照明系统是重中之重的技术需求，高效的LED 照明系统不仅可以节省初装成本，还可以实现节能生产。而且，当前中国大麻栽培生产是要经过政府许可的，研发大麻植物工厂栽培技术装备，出口欧美国际市场恰逢其时，市场规模非常大。光质调控可能会差异化地激活次生代谢发育所涉及的酶活性，调控CBD 等大麻素的合成代谢机制[22]。许多光质效应存在重大的植物种类和品种差别[23]，需要逐一考察研究。就大麻而言，当处理次生代谢产物的复杂组分时，光质效应的综合研究是需要的。当前，工业大麻LED 灯是国际上需求量最大的产品，亟待在充分调研大麻植物光生物学规律基础上优化完善大麻LED 灯的设计，达到最优光谱和最佳控制策略，实现高效节能生产，满足国内外市场需求。

总结

近些年，中国设施栽培药用植物生产中药材的规模逐年扩大。例如设施金线莲、设施灵芝、设施石斛等。随着国际市场的不断放大，在国家法律法规允许前提下中国药用工业大麻生产必将扩展，发挥其在健康产业的应用价值[21]。植物工厂必将逐渐取代一般的室内栽培，真正意义上实现规模化、现代化、自动化生产，周年提供工业大麻CBD 产品。但是，当前工业大麻优质高产品种仍需培育，特别是适合室内植物工厂栽培的专用品种有待研发培育。其次，研发工业大麻生产专用的植物工厂设施、栽培系统和LED光照模式是当务之急，推出性价比高、节能高效的工业大麻栽培专用LED 灯将有力地促进中国工业大麻生产的能力和技术水平，同时也将打开国际市场，促进国际大麻种植与产业发展。最后，通过后续几年的研究探索，应及早制定适合中国国情和法律规定的植物工厂工业大麻生产标准，建立工业大麻安全种植生产的国家或行业标准体系，保障工业大麻行业健康和可持续发展。