摘  要：植株密度與莖生物量、株高和莖直徑關(guān)系密切，生長積溫、種植密度與生物產(chǎn)量關(guān)系密切，同時溫度、濕度、光照等氣候條件對漢麻的THC和CBD含量具有顯著影響。但目前的研究只停留在單因素初步研究中，缺乏系統(tǒng)闡釋，嚴重制約了工業(yè)大麻生產(chǎn)力的進一步提高。本研究綜合了黑龍江省2個主栽漢麻品種，系統(tǒng)分析上述因素與生物產(chǎn)量及含量之間的關(guān)系，根據(jù)對不同品種的評估，以實現(xiàn)其生產(chǎn)目標和優(yōu)化栽培系統(tǒng)。同時研究分析了收獲時間與修剪技術(shù)因素對室內(nèi)栽培下的化學(xué)III型醫(yī)用漢麻基因型植株生物量積累、CBD和CBD總產(chǎn)量的影響。未來的產(chǎn)量優(yōu)化工作還應(yīng)考慮花序位置的重要性和植物結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的影響。

關(guān)鍵詞：漢麻；CBD；THC；產(chǎn)量；氣候

漢麻屬于最古老、最廣為人知的多用途植物，其生長速度快，對資源的需求低，在世界各地種植，直到20世紀30年代被禁止。而近些年來，隨著對可再生原材料的需求有所增加，漢麻作為一種可持續(xù)的高產(chǎn)作物回歸。因為其莖中含有優(yōu)質(zhì)的纖維素，種子中含有優(yōu)質(zhì)的油脂，花序中含有寶貴的樹脂，所以被廣泛應(yīng)用于農(nóng)工等領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、紡織、生物復(fù)合材料、造紙、汽車、建筑、生物燃料、功能性食品、石油、化妝品、個人護理和制藥行業(yè)[1]。

大麻素是從漢麻中分離出來的400多種不同的化學(xué)物質(zhì)之一。這些萜類物質(zhì)主要蓄積在植物的腺狀毛狀體中。在60多種不同的大麻素中，含量最多的是大麻二醇(CBD)和Δ9-四氫大麻酚(THC)。THC是漢麻中唯一的精神活性成分，它對纖維或籽實的質(zhì)量沒有不良影響。對于THC含量，不同國家有不同的規(guī)定[2]，中國及大部分國家與地區(qū)都要求漢麻植物上部的THC含量限制在0.3%以內(nèi)。漢麻的化學(xué)表型主要由花序干物質(zhì)中的大麻素含量決定。產(chǎn)量和大麻素含量將取決于生長階段和在營養(yǎng)階段收獲的植物部分。

根據(jù)測算，2018-2022年以來，我國工業(yè)大麻種植面積為5.33萬～6.67萬hm2，但我國漢麻種植所面臨的主要問題是:在選擇最適合當?shù)鼐暥葪l件品種時，缺乏漢麻的農(nóng)藝學(xué)和生產(chǎn)力相關(guān)數(shù)據(jù);從環(huán)境適應(yīng)性、生產(chǎn)潛力、最終質(zhì)量以及最終用途多方面考慮，所選的漢麻種質(zhì)對成功栽培至關(guān)重要。在農(nóng)業(yè)上，漢麻是一種相對高產(chǎn)的作物，對殺蟲劑的需求很低或沒有，對肥料的需求也不大。由于這些特點，將其引入農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，可構(gòu)成維持農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和實踐的長期戰(zhàn)略，特別有利于環(huán)境和氣候政策目標?；谝陨纤?，本研究的目的是評估在黑龍江緯度范圍內(nèi)，幾種適應(yīng)性良好的漢麻品種的生產(chǎn)力，以便將其種植納入農(nóng)業(yè)輪作系統(tǒng)和實踐。近年來，由于在幾乎沒有背景知識和生產(chǎn)評估的情況下決定重新引入漢麻種植，所以有必要在特定環(huán)境下比較不同來源、具有不同特征的品種，并為漢麻生產(chǎn)建立當?shù)刈罴训霓r(nóng)藝措施。

1. 影響因素

1.1. 氣候條件

歷時3年(2019-2021年)在黑龍江省哈爾濱市黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼蘭康金實驗地(位于126.85°E、46.18°N)進行了田間試驗，研究了2個漢麻品種(龍大麻6號和龍大麻9號)的THC和CBD含量與東北氣候條件的關(guān)系。試驗區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春、秋季氣溫升降變化快，屬于過渡季節(jié)，時間較短;夏季受溫帶海洋氣團或變性熱帶海洋氣團影響，暖熱多雨。試驗區(qū)的漢麻在春季種植，從4月中下旬-5月中旬。

1.1.1. 數(shù)據(jù)相關(guān)分析。

采用SAS9.2版軟件進行試驗的統(tǒng)計分析[3]。系統(tǒng)分析了積溫(GDD)、空氣溫度、空氣濕度和日照時長對該作物THC和CBD含量的影響。結(jié)果表明，氣候條件對漢麻THC和CBD的合成和累積影響程度存在一定差異。其中，THC含量受到積溫的影響呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.46)，受到空氣溫度的影響呈顯著負相關(guān)(r=-0.49)，受空氣濕度的影響呈顯著弱負相關(guān)(r=-0.06);CBD含量受積溫影響呈極顯著正相關(guān)(r=0.94)，受空氣溫度的影響呈顯著正相關(guān)(r=0.46)，受空氣濕度的影響呈顯著弱負相關(guān)(r=-0.35);日光照時長對THC和CBD含量的影響顯著但相關(guān)性(|r|<0.25)較弱。

另外，由線性回歸分析分別確定了漢麻纖維產(chǎn)量、種子產(chǎn)量與漢麻種植密度、莖高、莖粗、總生物量、莖重、纖維含量、纖維彈性和纖維強度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，漢麻纖維產(chǎn)量與總生物量和莖生物量呈顯著正相關(guān)，而與植株密度、株高和纖維強度呈負相關(guān)。植株密度與莖生物量、株高和莖直徑呈負相關(guān)。

1.1.2. 討論

1、漢麻生長條件。在為期3年的試驗中，2個漢麻品種獲取的總水分輸入范圍為280～330mm。播種到開花的持續(xù)時間從95d(第3年)～104d(第1年)不等，所需積溫(GDD)熱量從1966～2493°C不等。生育期從55d(最早品種)～107d(最晚品種)。與第1年相比，第2年和第3年記錄的漢麻品種的GDD較低，這可能是由于第2年和第3年播種較早，導(dǎo)致漢麻在較低溫度下生長。漢麻從發(fā)芽到成熟需要1900～2000°C的GDD熱量，而有文獻表明，漢麻全生育期的總GDD熱量一般在2459～3328°C之間。

2、漢麻發(fā)育方面。漢麻通常以高種植密度播種，以獲得對抗各種雜草的更高競爭力。此外，與低密度種植的漢麻相比，高密度種植的通常莖更高更細，所以種植密度也顯著影響莖的生物特征和纖維質(zhì)量。與第2年和第3年相比，第1年種植的漢麻植株密度較低，這可能與播種日期較晚有關(guān)，從而導(dǎo)致漢麻植株出苗條件不利。有研究發(fā)現(xiàn)，漢麻發(fā)芽的最適溫度范圍為27.3～29.8°C，在更高的溫度下，漢麻出苗率降低。

3、漢麻纖維和種子產(chǎn)量方面。2019年2個漢麻品種的平均總生物量為82.6t/hm2，其次是2020年(18.3t/hm2)和2021年(33.9t/hm2)。第1年漢麻總生物量較大，可能是其生長季稍長，以及漢麻品種從播種到成熟期間接受的GDD較大。有研究發(fā)現(xiàn)[4]，當漢麻播種期從4月推遲到6月時，纖維和種子產(chǎn)量下降，另外，在較冷的北方環(huán)境中培育的品種在南方環(huán)境中產(chǎn)生完全不同的生產(chǎn)力。本研究中，漢麻纖維的含量范圍為20.5%～28.6%。所有漢麻品種由于在第1年獲得了較高的生物量，所以在第1年都有較高的纖維產(chǎn)量(從4.40～8.65t/hm2)，高于第2年(從1.28～2.38t/hm2)和第3年(從2.06～4.53t/hm2)。

4、次生代謝物含量方面。所有測試的漢麻品種的THC含量低于0.3%，符合黑龍江省對漢麻品種的要求。這一事實表明，所評價品種適合作為漢麻品種在黑龍江緯度條件下種植。此外，漢麻桿的機械處理也沒有增加漢麻粉塵中的THC含量，其平均含量為0.0386%。所研究的漢麻品種在黑龍江南部生長條件下，具有最高的CBD含量。由于漢麻CBD∶THC濃度之間有密切的相關(guān)性，所以0.3%的THC含量限制，可能會限制CBD的含量水平，但從安全角度出發(fā)這十分必要。在之前的研究中，CBD∶THC的平均濃度約為20∶1。如果漢麻植株累積的CBD含量大于4%，那么THC含量將超過0.3%的限制，因此，在保證安全的提前下，未來需要生物技術(shù)來解決這個問題[5]。

本研究中評估的2個漢麻基因型表明，它們能夠很好地適應(yīng)黑龍江緯度條件，而且它們的THC含量低于0.3%，滿足黑龍江對漢麻品種的要求。不同漢麻品種在這3年間的產(chǎn)量差異很大。按多年平均計算，在黑龍江南部條件下，個別品種顯示出最大的纖維生產(chǎn)率，而另外一個品種種子產(chǎn)量最高。包括生長季節(jié)的最低和最高溫度，總的水量投入和種植密度，許多因素都在影響漢麻品種的生產(chǎn)力。因此，基于漢麻產(chǎn)量與基因型的選擇關(guān)系，漢麻種植者選擇適合于雙重用途(莖和花序或莖和種子)生產(chǎn)的漢麻品種以及最適合當?shù)丨h(huán)境的品種將是有益的。

1.2. 收獲時間與修剪技術(shù)因素

大麻素是以酸性形式存在的次生代謝產(chǎn)物，如，Δ9-四氫大麻酚酸(THCA)和大麻二酚酸(CBDA)，這些成分主要合成和沉積在漢麻花序的腺毛狀體上?；ㄐ虻淖罱K產(chǎn)量和質(zhì)量是可變的，受諸多因素影響，如基因型、農(nóng)藝實踐(包括灌溉和施肥制度、光譜強度、光周期等)、植物密度、環(huán)境條件(包括濕度和溫度等)、生物和非生物脅迫(包括修剪和脫葉技術(shù))以及營養(yǎng)和生成周期持續(xù)的時間[2]。

產(chǎn)量最大化的一個關(guān)鍵問題是如何選擇基于花序成熟度和生物量累積的正確收獲時間。由于室內(nèi)漢麻是經(jīng)濟資源密集型的，所以確定每個基因型的最佳收獲時間有助于優(yōu)化種植過程。室內(nèi)種植的傳統(tǒng)藥用漢麻基因型生成周期的持續(xù)時間一般為開花的第7～14周。隨著生長花序中大麻酚酸(CBGA)的合成，花序中大麻素的組成也隨時間而變化，并且CBDA和THCA都是由CBGA轉(zhuǎn)換而來。這些轉(zhuǎn)化是由CBDA-和THCA-合成酶的基因組表達決定的，它們負責(zé)不同化學(xué)型中大麻素的含量和比例。一項研究表明，化學(xué)III型植株的CBD含量比較占優(yōu)勢，開花11周，持續(xù)不斷地合成CBDA直到試驗結(jié)束，其中CBGA在開花5周左右達到最大濃度，隨后下降。在另一項研究中，同樣是化學(xué)III型植株，基因型在開花6周時總CBD濃度最高，一般到達穩(wěn)定期，開花10周后濃度降低。然而，一些基因型在開花7周后的CBD濃度已經(jīng)出現(xiàn)了顯著減少?；ㄐ虻某掷m(xù)生長也導(dǎo)致了側(cè)向植物的持續(xù)產(chǎn)生，從而導(dǎo)致新的毛狀體形成，即使在后期的收獲中也是。這可能導(dǎo)致對毛狀體顏色的觀察有偏差，從而對最佳收獲時間的定義產(chǎn)生誤解。因此，有研究采用時間尺度(開花周)作為一種最佳收獲時間來定義。

另一個重要的管理因素是修剪。例如，去除頂端分生組織或分枝和葉子，可以調(diào)節(jié)植物結(jié)構(gòu)、植物生物量分配以及每株植物和面積的花序和大麻素的產(chǎn)量。頂端分生組織的去除會改變激素的平衡(如生長素、細胞分裂素)，通過緩解頂端優(yōu)勢來刺激側(cè)枝的發(fā)育，從而改變植物的結(jié)構(gòu)，增加光穿透冠層和空氣循環(huán)的能力。由于枝條間的陰影改變了花序中大麻素的濃度，所以這也可能進一步導(dǎo)致植物冠層內(nèi)不同的微氣候。在Folina等^[6]的研究中，2個漢麻品種的頂端切割導(dǎo)致了CBD濃度的增加，總CBD含量也顯著升高。此外，由于次生枝數(shù)量較多，使得頂梢植株的花序干質(zhì)和葉面積顯著增加，而主枝的株高、植株干重和節(jié)點數(shù)顯著降低。Danziger等^[7-8]的研究得出結(jié)論，對植物結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以提高植物中大麻素濃度的標準化和均勻性，從而減少植物內(nèi)部的變異性。這可以通過增加底部花序中的大麻素濃度來減少原植株上的濃度間隙來實現(xiàn)。

最佳收獲和修剪干預(yù)措施的定義是改變花序產(chǎn)量和大麻素組成的重要因素。這些方法需要在對照研究中進行查驗。因此，有必要研究調(diào)查以下因素帶來的影響:收獲時間(HT)和不同修剪技術(shù)(PT)對花序產(chǎn)量的影響;室內(nèi)栽培的化學(xué)III型藥用漢麻基因型的CBD、CBDA對CBD的總濃度及總產(chǎn)量的影響。

1.2.1. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

運用公式(1)計算總CBD濃度(%)，為每個花序樣本中CBD(%)和CBDA(%)的加權(quán)和。因為一個二氧化碳分子在脫羧過程中丟失，所以這里的權(quán)值0.877解釋了大麻素的酸和中性形式之間的摩爾質(zhì)量的差異。

CBD_總=CBD+CBDA×0.877      (1)

為了正確評價大麻素的生產(chǎn)能力，須考慮計算CBD總產(chǎn)量(mg/株)，從而正確評估HT和HT產(chǎn)生的因素影響。每個樣品的CBD總產(chǎn)量的計算公式(2)考慮了花序重(W)、樣品殘余水分比率(RM)和總CBD濃度，其中，系數(shù)0.2為花序的平均干物質(zhì)濃度，RM為凍干樣品中水的重量比例(范圍在0.027～0.063之間)。

CBD_{總產(chǎn)量}=CBD_總·W_花序重×[0.2×(1-RM)^-1]      (2)

采用SAS9.2，選擇混合模型方法分析所有性狀，通過單株測量來確定。模型允許擬合異質(zhì)誤差方差，從而實現(xiàn)針對特定的剪枝技術(shù)、特定的收獲時間以及按收獲時間劃分的特定修剪技術(shù)的誤差方差計算，并通過AIC選擇最佳模型。收獲時間是以周為單位測量的，所以也可以作為建模的度量標準。這里允許做線性和二次多項式擬合。因此，將收獲視為一個影響因素，如果通過全局F檢驗法發(fā)現(xiàn)顯著性差異，則使用顯著水平為α=0.05的Fisher LSD檢驗法進行兩兩比較。

1.2.2. 討論

本研究調(diào)查了HT和PT對室內(nèi)栽培下的化學(xué)III型醫(yī)用大麻基因型植物生物量積累、CBD和CBD總產(chǎn)量的影響。研究表明，富含最高CBD基因型的植株最佳收獲時間在開花9周左右。不同株高組分的花序總CBD濃度在上端(9.9%)顯著高于中端

(8.2%)和低端(7.7%)，由此可見，因子修剪技術(shù)(PT)能有效地改變植物結(jié)構(gòu)和生物量分配，使植株的花序干重顯著升高，在顯著提高CBD產(chǎn)量方面沒有優(yōu)勢，但有上升趨勢。與對照植物相比，這種技術(shù)將植物生物量從低向中和上組分轉(zhuǎn)移。當考慮到花序位置的差異時，生產(chǎn)管理者需要了解總CBD濃度的變異性，并應(yīng)評估不同的品種，以實現(xiàn)其生產(chǎn)目標和優(yōu)化栽培系統(tǒng)。

2. 結(jié)語

生長積溫、種植密度與生物產(chǎn)量關(guān)系密切，漢麻一般需要1900～2000°C的GDD熱量，但播期會小幅度影響GDD的下限。種植密度較高，則植株高度相對較高，但與播期有部分關(guān)聯(lián)，播期早，植株高度會稍高。漢麻纖維和種子產(chǎn)量一般與生長周期相關(guān)，其周期越長，產(chǎn)量越高。溫度、濕度、日光照等氣候條件對漢麻的THC和CBD的合成和累積影響程度存在一定差異。另外，漢麻纖維產(chǎn)量與總生物量和莖生物量呈顯著正相關(guān)，而與植株密度、株高和纖維強度呈負相關(guān)。植株密度與莖生物量、株高和莖直徑呈負相關(guān)。田間作物響應(yīng)是基因型、環(huán)境和管理相互作用的結(jié)果，作物密度、礦質(zhì)營養(yǎng)和灌溉制度是最終產(chǎn)量和質(zhì)量的主要因素[9]。收獲時間與修剪技術(shù)因素對室內(nèi)栽培下的化學(xué)III型醫(yī)用漢麻基因型植物生物量積累、CBD和CBD總產(chǎn)量有影響，研究表明，富含最高CBD基因型的植株最佳收獲時間在開花9周左右。未來的產(chǎn)量優(yōu)化工作，還應(yīng)考慮花序位置的重要性和植物結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的影響。

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文章摘自：張效霏.影響漢麻生長、產(chǎn)量和次生代謝物含量的相關(guān)因素分析[J].現(xiàn)代園藝,2023,46(23):61-63.DOI:10.14051/j.cnki.xdyy.2023.23.005