工業(yè)大麻植物工廠栽培優(yōu)勢與技術(shù)需求分析

劉文科（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

大麻是一種傳統(tǒng)經(jīng)濟作物，是大麻科大麻屬一年生草本植物。通常為雌雄異株，偶爾有雌雄同株，是人類最早種植的經(jīng)濟作物之一，幾千年來一直是纖維、食品和醫(yī)藥的重要來源。大麻起源于中亞、喜馬拉雅山、西伯利亞中部以及高加索和里海南部，中國是大麻重要的起源地之一。大麻素（cannabinoids）是大麻植物中特有的，是含有烷基和單萜基團的一類次生代謝產(chǎn)物，目前已知存在超過100 種大麻素成分，其主要成分為四氫大麻酚（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 具有致幻成癮性，大麻也成為一種公認(rèn)的毒品源植物。通常為與毒品大麻進行區(qū)分，國際上將THC 含量低于0.3% 的大麻類型稱為工業(yè)大麻，主要分為藥用型工業(yè)大麻和纖維型工業(yè)大麻[3]。至今，歐盟、加拿大及中國云南省等地均以法律形式規(guī)定植株THC 含量＜0.3%的大麻為工業(yè)大麻，工業(yè)大麻無毒品利用價值，采取政府許可種植的方式來推廣[4-5]。近些年，由于特殊的藥用價值，大麻變成了炙手可熱的作物，尤其是對藥用成分CBD 的需求逐年增加，生產(chǎn)需求與日俱增[6]。研究表明，CBD 不僅不會令人上癮，而且可以治愈諸多疑難病癥，如癲癇、阿爾茨海默病、焦慮癥、疼痛癥和炎癥[6-11]等。除了醫(yī)藥用途，CBD 還可用于食品、飲料、化妝品和健康產(chǎn)品，市場需求和潛在利潤巨大。基于上述原因，世界各國在法律允許條件下大麻的種植面積持續(xù)增加，特別是室內(nèi)種植面積大幅增加，供給能力得到增強。

世界工業(yè)大麻生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

多數(shù)國家與地區(qū)的政策均受1961 年批準(zhǔn)的《聯(lián)合國麻醉藥品單一公約》以及1971 年《精神藥物公約》與1988 年《禁止非法販運麻醉藥品和精神藥物公約》的約束。但是，2020 年12月2 日，聯(lián)合國通過了將《聯(lián)合國麻醉藥品單一公約》中的大麻和大麻脂從附表四中刪除的決議，盡管它仍然屬于被管制的精神類藥品，繼續(xù)保留在附表一中，但是它與附表一中其它180 多種管制類藥品一樣，管制的僅是THC，放開了CBD的藥用、食用價值的研究與應(yīng)用。2021 年1 月聯(lián)合國決定從麻醉劑清單里將大麻移除，在一定程度上促進了全球大麻工業(yè)種植。近幾年，大麻生產(chǎn)合法化導(dǎo)致北美和歐洲市場急劇擴大，烏拉圭、加拿大已經(jīng)成為世界上醫(yī)用和娛樂大麻合法化的國家[12]。其中，烏拉圭在2013 年將大麻完全合法化，成為世界上第一個建立全國合法大麻市場的國家，加拿大則是在2018 年成為北美第一個將大麻完全合法化的國家。墨西哥將成為繼烏拉圭和加拿大之后，第三個實現(xiàn)大麻完全合法化的國家，可將大麻合法作為娛樂、科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)用途。2018 年12 月，美國通過了聯(lián)邦層面的工業(yè)大麻合法化。截止到2020 年底，美國娛樂大麻合法的州包括加利福尼亞洲、阿拉斯加州、加州、緬因州、科羅拉多州、馬薩諸塞州、密歇根州、內(nèi)華達州、俄勒岡州、佛蒙特州、華盛頓州、華盛頓特區(qū)、伊利諾伊州等。醫(yī)用大麻合法的州包括亞利桑那州、阿肯色州、康涅狄格州、特拉華州、佛羅里達州、夏威夷、路易斯安那州、馬里蘭州、明尼蘇達州、密蘇里州、蒙塔納州、新罕布什爾州、新澤西州、新墨西哥州、紐約州、北達科他州、俄亥俄州、俄克拉荷馬州、賓夕法尼亞州、羅德島、猶他州、西弗吉尼亞州。近年來，工業(yè)大麻在全球范圍內(nèi)相繼合法化，韓國、英國、德國、新加坡等國家陸續(xù)宣布可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè)大麻。中國目前已經(jīng)獲得工業(yè)大麻種植許可證的僅有兩個省份，分別是黑龍江和云南。中國是最大的工業(yè)大麻生產(chǎn)和出口國，據(jù)《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》和聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計資料，中國工業(yè)大麻產(chǎn)量約占全世界50%，主要為纖維用或油用。國內(nèi)大麻種植地區(qū)廣泛，形成了云南省以花葉用、黑龍江省以纖維用、山西省以籽粒用為主的生產(chǎn)布局。當(dāng)前，全球工業(yè)大麻呈現(xiàn)出歐盟、北美、中國三大主產(chǎn)區(qū)域的分布格局。其中，中國是世界上種植工業(yè)大麻最多的國家。

國內(nèi)工業(yè)大麻育種取得豐碩成果

20 世紀(jì)80 年代，人們對大麻的特性又有了新的認(rèn)識，在一些歐洲國家研究培育出低毒大麻品種，并獲得推廣。目前，云南和黑龍江等省份推廣種植花葉用的工業(yè)大麻品種多為纖維與藥用兼用類型，CBD 含量僅在1% 左右，已遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。既要提高CBD 含量，又要保證THC 含量不超標(biāo)是目前工業(yè)大麻育種的卡脖子難題，也是育種專家們追求的目標(biāo)。近年來，中國大麻育種學(xué)者在工業(yè)大麻新品種培育方面取得了較好的成績[13-14]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所先后培育出了‘中漢麻’系列新品種，新品種大麻二酚含量分別為3.22%～4.29%，同時四氫大麻酚含量控制在0.2% 以下，達到了北美推廣的工業(yè)大麻品種的平均水平[13]。其中，‘中漢麻3 號’和‘中漢麻4 號’為全雌型品種，種植效益較常規(guī)品種明顯提升。黑龍江省科學(xué)院大慶分院培育出了纖維用漢麻系列工業(yè)大麻品種新品中4 個。云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所大麻研究中心選育出藥用云麻系列工業(yè)大麻新品種9 個。

藥用工業(yè)大麻有已成為支撐食品與生物醫(yī)藥等健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。近年來，通過提取大麻植株花葉中主要藥用成分CBD 作為新藥研發(fā)和食品添加的原料，逐漸成為工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要新方向。中國云南省、黑龍江省、吉林省紛紛重新啟動了工業(yè)大麻的產(chǎn)業(yè)化程，通過政府許可方式進行工業(yè)大麻種植和加工及產(chǎn)品研發(fā)。截至2019 年5 月，國內(nèi)經(jīng)營范圍中包含工業(yè)大麻的企業(yè)共有160 余家。涉及工業(yè)大麻概念的上市企業(yè)共有39 家[15]。目前，國內(nèi)很多省份對工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)化表現(xiàn)出意向，比如浙江省[16]、內(nèi)蒙古自治區(qū)[17]是比較積極的地區(qū)。可以預(yù)測，在國內(nèi)拒絕工業(yè)大麻合法化前提下，通過政府嚴(yán)格監(jiān)管和核查授權(quán)，實施規(guī)模化、企業(yè)化工業(yè)大麻生產(chǎn)，發(fā)展CBD 相關(guān)產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，對滿足健康產(chǎn)業(yè)需求，滿足市場需求具有重要的意義。

工業(yè)大麻植物工廠生產(chǎn)現(xiàn)狀

工業(yè)大麻是適合在室內(nèi)栽培或植物工廠生產(chǎn)的作物，荷蘭和比利時是歐洲最大的室內(nèi)大麻生產(chǎn)國[18]。大麻是高附加值作物，在可控環(huán)境采用完全電光源下生長可以獲得利潤。植物工廠種植具有諸多優(yōu)勢，確保了工業(yè)大麻植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和周年連續(xù)生產(chǎn)。具體包括以下幾點：①生長因素自動可控，包括水肥供給、環(huán)境因子（光照、CO2濃度、溫濕度等）調(diào)控和育苗及種植時間等，具有高產(chǎn)和超量累積CBD 等藥用成分的潛力；②室內(nèi)高效的大麻種植不會與主要作物競爭土地資源，節(jié)省了土地資源；③免除了雜草、病蟲害、氣象災(zāi)害、連作障礙等煩擾，規(guī)避了農(nóng)藥、重金屬等化學(xué)品或污染物的污染；④工廠化生產(chǎn)管理大幅提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度和勞動；⑤種植規(guī)模及數(shù)量易于統(tǒng)計計算，產(chǎn)量可預(yù)測，品質(zhì)可控制，非法擴散風(fēng)險小可控。

植物工廠種植大麻也存在不足，包括以下幾點：①專用品種缺乏，應(yīng)加快適合植物工廠栽培的專用工業(yè)大麻品種，提升CBD 生產(chǎn)效率；②種植技術(shù)含量高，需要素質(zhì)較高的技術(shù)人員；③室內(nèi)種植耗電成本占生產(chǎn)成本的很大比例[19]。工業(yè)大麻為喜光、短日照作物，晚熟品種對光照反應(yīng)更為敏感，所以在棚室內(nèi)種植工業(yè)大麻的時候要格外的注意光照條件；④缺乏專用水培或基質(zhì)培系統(tǒng)和LED 光照系統(tǒng)及環(huán)控系統(tǒng)裝備。大麻是喜光的短日照植物，對光照條件和環(huán)境條件的響應(yīng)較為敏感，生長因素的調(diào)控可以改變工業(yè)大麻中的THC 和CBD 的含量[20-21]。因此，利用生長因素的調(diào)控來提升大麻植株中的有效成分含量將會成為一種常用的安全高效手段。為此，世界各國的工業(yè)大麻種植農(nóng)場主和研究人員均有興趣通過嘗試各種環(huán)境因素調(diào)控的方法來提升CBD 產(chǎn)量。其中，光環(huán)境調(diào)控是最重要的調(diào)控方式之一，采用LED 光源進行大麻室內(nèi)種植是一個很好的高產(chǎn)途徑，光源具有節(jié)能、長壽命且光環(huán)境動態(tài)可智能調(diào)控的優(yōu)勢。但是，截至目前有關(guān)光環(huán)境，特別是光質(zhì)對工業(yè)大麻生長、產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究數(shù)量很少，尚未形成具有生產(chǎn)指導(dǎo)價值的光生物學(xué)體系，大麻LED 生長燈及其控制系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫。

工業(yè)大麻植物工廠生產(chǎn)技術(shù)需求

植物工廠是比較成熟的設(shè)施園藝生產(chǎn)方式，已廣泛用于葉菜、根莖菜、草莓、藥用植物等的工廠化生產(chǎn)。因此，工業(yè)大麻在設(shè)施栽培技術(shù)的基礎(chǔ)上，完全可以實現(xiàn)植物工廠生產(chǎn)。然而，與園藝作物相比，工業(yè)大麻具有獨特的形態(tài)學(xué)特性、生理學(xué)特點和獨特的產(chǎn)品器官，因此工業(yè)大麻的植物工廠栽培系統(tǒng)設(shè)計、環(huán)境因子調(diào)控策略、LED 照明系統(tǒng)等有別與園藝作物，必須研發(fā)專用技術(shù)裝備，以滿足工業(yè)大麻高效生產(chǎn)的需求。植物工廠栽培是工業(yè)大麻生產(chǎn)提質(zhì)增效的有效途徑。因此，探尋促進CBD 積累的栽培手段成為藥用工業(yè)大麻優(yōu)質(zhì)高效種植生產(chǎn)的重要研究目標(biāo)。要實現(xiàn)工業(yè)大麻植物工廠高效栽培必須實施系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)，研究清楚工業(yè)大麻栽培生物學(xué)習(xí)性及其調(diào)控的共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。通過特定的技術(shù)調(diào)控獲得較高的生物產(chǎn)量和CBD，控制THC 含量在合法水平。具體技術(shù)需求如下：①通過育種創(chuàng)新從遺傳角度為工業(yè)大麻的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)創(chuàng)造基礎(chǔ)，確定各生育期大麻素含量動態(tài)變化特征；②研發(fā)植物工廠工業(yè)大麻栽培專用栽培系統(tǒng)，包括基質(zhì)培或水培裝備；③研發(fā)LED 照明系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)是重點。植物工廠大麻栽培的最大優(yōu)點是環(huán)境可控，通過光照、營養(yǎng)等生長要素的調(diào)控，充分調(diào)動大麻植物生理過程，促進生長，提高CBD含量，控制THC 含量。LED 照明系統(tǒng)是重中之重的技術(shù)需求，高效的LED 照明系統(tǒng)不僅可以節(jié)省初裝成本，還可以實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)。而且，當(dāng)前中國大麻栽培生產(chǎn)是要經(jīng)過政府許可的，研發(fā)大麻植物工廠栽培技術(shù)裝備，出口歐美國際市場恰逢其時，市場規(guī)模非常大。光質(zhì)調(diào)控可能會差異化地激活次生代謝發(fā)育所涉及的酶活性，調(diào)控CBD 等大麻素的合成代謝機制[22]。許多光質(zhì)效應(yīng)存在重大的植物種類和品種差別[23]，需要逐一考察研究。就大麻而言，當(dāng)處理次生代謝產(chǎn)物的復(fù)雜組分時，光質(zhì)效應(yīng)的綜合研究是需要的。當(dāng)前，工業(yè)大麻LED 燈是國際上需求量最大的產(chǎn)品，亟待在充分調(diào)研大麻植物光生物學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)上優(yōu)化完善大麻LED 燈的設(shè)計，達到最優(yōu)光譜和最佳控制策略，實現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)，滿足國內(nèi)外市場需求。

總結(jié)

近些年，中國設(shè)施栽培藥用植物生產(chǎn)中藥材的規(guī)模逐年擴大。例如設(shè)施金線蓮、設(shè)施靈芝、設(shè)施石斛等。隨著國際市場的不斷放大，在國家法律法規(guī)允許前提下中國藥用工業(yè)大麻生產(chǎn)必將擴展，發(fā)揮其在健康產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用價值[21]。植物工廠必將逐漸取代一般的室內(nèi)栽培，真正意義上實現(xiàn)規(guī)?；?、現(xiàn)代化、自動化生產(chǎn)，周年提供工業(yè)大麻CBD 產(chǎn)品。但是，當(dāng)前工業(yè)大麻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種仍需培育，特別是適合室內(nèi)植物工廠栽培的專用品種有待研發(fā)培育。其次，研發(fā)工業(yè)大麻生產(chǎn)專用的植物工廠設(shè)施、栽培系統(tǒng)和LED光照模式是當(dāng)務(wù)之急，推出性價比高、節(jié)能高效的工業(yè)大麻栽培專用LED 燈將有力地促進中國工業(yè)大麻生產(chǎn)的能力和技術(shù)水平，同時也將打開國際市場，促進國際大麻種植與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最后，通過后續(xù)幾年的研究探索，應(yīng)及早制定適合中國國情和法律規(guī)定的植物工廠工業(yè)大麻生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，建立工業(yè)大麻安全種植生產(chǎn)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，保障工業(yè)大麻行業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展。