摘 要：植株密度与茎生物量、株高和茎直径关系密切，生长积温、种植密度与生物产量关系密切，同时温度、湿度、光照等气候条件对汉麻的THC和CBD含量具有显著影响。但目前的研究只停留在单因素初步研究中，缺乏系统阐释，严重制约了工业大麻生产力的进一步提高。本研究综合了黑龙江省2个主栽汉麻品种，系统分析上述因素与生物产量及含量之间的关系，根据对不同品种的评估，以实现其生产目标和优化栽培系统。同时研究分析了收获时间与修剪技术因素对室内栽培下的化学III型医用汉麻基因型植株生物量积累、CBD和CBD总产量的影响。未来的产量优化工作还应考虑花序位置的重要性和植物结构调节的影响。
关键词：汉麻；CBD；THC；产量；气候
汉麻属于最古老、最广为人知的多用途植物，其生长速度快，对资源的需求低，在世界各地种植，直到20世纪30年代被禁止。而近些年来，随着对可再生原材料的需求有所增加，汉麻作为一种可持续的高产作物回归。因为其茎中含有优质的纤维素，种子中含有优质的油脂，花序中含有宝贵的树脂，所以被广泛应用于农工等领域，如农业、纺织、生物复合材料、造纸、汽车、建筑、生物燃料、功能性食品、石油、化妆品、个人护理和制药行业[1]。
大麻素是从汉麻中分离出来的400多种不同的化学物质之一。这些萜类物质主要蓄积在植物的腺状毛状体中。在60多种不同的大麻素中，含量最多的是大麻二醇(CBD)和Δ9-四氢大麻酚(THC)。THC是汉麻中唯一的精神活性成分，它对纤维或籽实的质量没有不良影响。对于THC含量，不同国家有不同的规定[2]，中国及大部分国家与地区都要求汉麻植物上部的THC含量限制在0.3%以内。汉麻的化学表型主要由花序干物质中的大麻素含量决定。产量和大麻素含量将取决于生长阶段和在营养阶段收获的植物部分。
根据测算，2018-2022年以来，我国工业大麻种植面积为5.33万～6.67万hm2，但我国汉麻种植所面临的主要问题是:在选择最适合当地纬度条件品种时，缺乏汉麻的农艺学和生产力相关数据;从环境适应性、生产潜力、最终质量以及最终用途多方面考虑，所选的汉麻种质对成功栽培至关重要。在农业上，汉麻是一种相对高产的作物，对杀虫剂的需求很低或没有，对肥料的需求也不大。由于这些特点，将其引入农业环境生态系统，可构成维持农业系统和实践的长期战略，特别有利于环境和气候政策目标。基于以上所述，本研究的目的是评估在黑龙江纬度范围内，几种适应性良好的汉麻品种的生产力，以便将其种植纳入农业轮作系统和实践。近年来，由于在几乎没有背景知识和生产评估的情况下决定重新引入汉麻种植，所以有必要在特定环境下比较不同来源、具有不同特征的品种，并为汉麻生产建立当地最佳的农艺措施。
1. 影响因素
1.1. 气候条件
历时3年(2019-2021年)在黑龙江省哈尔滨市黑龙江省农业科学院呼兰康金实验地(位于126.85°E、46.18°N)进行了田间试验，研究了2个汉麻品种(龙大麻6号和龙大麻9号)的THC和CBD含量与东北气候条件的关系。试验区属于中温带大陆性季风气候，春、秋季气温升降变化快，属于过渡季节，时间较短;夏季受温带海洋气团或变性热带海洋气团影响，暖热多雨。试验区的汉麻在春季种植，从4月中下旬-5月中旬。
1.1.1. 数据相关分析。
采用SAS9.2版软件进行试验的统计分析[3]。系统分析了积温(GDD)、空气温度、空气湿度和日照时长对该作物THC和CBD含量的影响。结果表明，气候条件对汉麻THC和CBD的合成和累积影响程度存在一定差异。其中，THC含量受到积温的影响呈显著正相关(相关系数r=0.46)，受到空气温度的影响呈显著负相关(r=-0.49)，受空气湿度的影响呈显著弱负相关(r=-0.06);CBD含量受积温影响呈极显著正相关(r=0.94)，受空气温度的影响呈显著正相关(r=0.46)，受空气湿度的影响呈显著弱负相关(r=-0.35);日光照时长对THC和CBD含量的影响显著但相关性(|r|<0.25)较弱。
另外，由线性回归分析分别确定了汉麻纤维产量、种子产量与汉麻种植密度、茎高、茎粗、总生物量、茎重、纤维含量、纤维弹性和纤维强度之间的关系。结果显示，汉麻纤维产量与总生物量和茎生物量呈显著正相关，而与植株密度、株高和纤维强度呈负相关。植株密度与茎生物量、株高和茎直径呈负相关。
1.1.2. 讨论
1、汉麻生长条件。在为期3年的试验中，2个汉麻品种获取的总水分输入范围为280～330mm。播种到开花的持续时间从95d(第3年)～104d(第1年)不等，所需积温(GDD)热量从1966～2493°C不等。生育期从55d(最早品种)～107d(最晚品种)。与第1年相比，第2年和第3年记录的汉麻品种的GDD较低，这可能是由于第2年和第3年播种较早，导致汉麻在较低温度下生长。汉麻从发芽到成熟需要1900～2000°C的GDD热量，而有文献表明，汉麻全生育期的总GDD热量一般在2459～3328°C之间。
2、汉麻发育方面。汉麻通常以高种植密度播种，以获得对抗各种杂草的更高竞争力。此外，与低密度种植的汉麻相比，高密度种植的通常茎更高更细，所以种植密度也显著影响茎的生物特征和纤维质量。与第2年和第3年相比，第1年种植的汉麻植株密度较低，这可能与播种日期较晚有关，从而导致汉麻植株出苗条件不利。有研究发现，汉麻发芽的最适温度范围为27.3～29.8°C，在更高的温度下，汉麻出苗率降低。
3、汉麻纤维和种子产量方面。2019年2个汉麻品种的平均总生物量为82.6t/hm2，其次是2020年(18.3t/hm2)和2021年(33.9t/hm2)。第1年汉麻总生物量较大，可能是其生长季稍长，以及汉麻品种从播种到成熟期间接受的GDD较大。有研究发现[4]，当汉麻播种期从4月推迟到6月时，纤维和种子产量下降，另外，在较冷的北方环境中培育的品种在南方环境中产生完全不同的生产力。本研究中，汉麻纤维的含量范围为20.5%～28.6%。所有汉麻品种由于在第1年获得了较高的生物量，所以在第1年都有较高的纤维产量(从4.40～8.65t/hm2)，高于第2年(从1.28～2.38t/hm2)和第3年(从2.06～4.53t/hm2)。
4、次生代谢物含量方面。所有测试的汉麻品种的THC含量低于0.3%，符合黑龙江省对汉麻品种的要求。这一事实表明，所评价品种适合作为汉麻品种在黑龙江纬度条件下种植。此外，汉麻杆的机械处理也没有增加汉麻粉尘中的THC含量，其平均含量为0.0386%。所研究的汉麻品种在黑龙江南部生长条件下，具有最高的CBD含量。由于汉麻CBD∶THC浓度之间有密切的相关性，所以0.3%的THC含量限制，可能会限制CBD的含量水平，但从安全角度出发这十分必要。在之前的研究中，CBD∶THC的平均浓度约为20∶1。如果汉麻植株累积的CBD含量大于4%，那么THC含量将超过0.3%的限制，因此，在保证安全的提前下，未来需要生物技术来解决这个问题[5]。
本研究中评估的2个汉麻基因型表明，它们能够很好地适应黑龙江纬度条件，而且它们的THC含量低于0.3%，满足黑龙江对汉麻品种的要求。不同汉麻品种在这3年间的产量差异很大。按多年平均计算，在黑龙江南部条件下，个别品种显示出最大的纤维生产率，而另外一个品种种子产量最高。包括生长季节的最低和最高温度，总的水量投入和种植密度，许多因素都在影响汉麻品种的生产力。因此，基于汉麻产量与基因型的选择关系，汉麻种植者选择适合于双重用途(茎和花序或茎和种子)生产的汉麻品种以及最适合当地环境的品种将是有益的。
1.2. 收获时间与修剪技术因素
大麻素是以酸性形式存在的次生代谢产物，如，Δ9-四氢大麻酚酸(THCA)和大麻二酚酸(CBDA)，这些成分主要合成和沉积在汉麻花序的腺毛状体上。花序的最终产量和质量是可变的，受诸多因素影响，如基因型、农艺实践(包括灌溉和施肥制度、光谱强度、光周期等)、植物密度、环境条件(包括湿度和温度等)、生物和非生物胁迫(包括修剪和脱叶技术)以及营养和生成周期持续的时间[2]。
产量最大化的一个关键问题是如何选择基于花序成熟度和生物量累积的正确收获时间。由于室内汉麻是经济资源密集型的，所以确定每个基因型的最佳收获时间有助于优化种植过程。室内种植的传统药用汉麻基因型生成周期的持续时间一般为开花的第7～14周。随着生长花序中大麻酚酸(CBGA)的合成，花序中大麻素的组成也随时间而变化，并且CBDA和THCA都是由CBGA转换而来。这些转化是由CBDA-和THCA-合成酶的基因组表达决定的，它们负责不同化学型中大麻素的含量和比例。一项研究表明，化学III型植株的CBD含量比较占优势，开花11周，持续不断地合成CBDA直到试验结束，其中CBGA在开花5周左右达到最大浓度，随后下降。在另一项研究中，同样是化学III型植株，基因型在开花6周时总CBD浓度最高，一般到达稳定期，开花10周后浓度降低。然而，一些基因型在开花7周后的CBD浓度已经出现了显著减少。花序的持续生长也导致了侧向植物的持续产生，从而导致新的毛状体形成，即使在后期的收获中也是。这可能导致对毛状体颜色的观察有偏差，从而对最佳收获时间的定义产生误解。因此，有研究采用时间尺度(开花周)作为一种最佳收获时间来定义。
另一个重要的管理因素是修剪。例如，去除顶端分生组织或分枝和叶子，可以调节植物结构、植物生物量分配以及每株植物和面积的花序和大麻素的产量。顶端分生组织的去除会改变激素的平衡(如生长素、细胞分裂素)，通过缓解顶端优势来刺激侧枝的发育，从而改变植物的结构，增加光穿透冠层和空气循环的能力。由于枝条间的阴影改变了花序中大麻素的浓度，所以这也可能进一步导致植物冠层内不同的微气候。在Folina等[6]的研究中，2个汉麻品种的顶端切割导致了CBD浓度的增加，总CBD含量也显著升高。此外，由于次生枝数量较多，使得顶梢植株的花序干质和叶面积显著增加，而主枝的株高、植株干重和节点数显著降低。Danziger等[7-8]的研究得出结论，对植物结构的调节可以提高植物中大麻素浓度的标准化和均匀性，从而减少植物内部的变异性。这可以通过增加底部花序中的大麻素浓度来减少原植株上的浓度间隙来实现。
最佳收获和修剪干预措施的定义是改变花序产量和大麻素组成的重要因素。这些方法需要在对照研究中进行查验。因此，有必要研究调查以下因素带来的影响:收获时间(HT)和不同修剪技术(PT)对花序产量的影响;室内栽培的化学III型药用汉麻基因型的CBD、CBDA对CBD的总浓度及总产量的影响。
1.2.1. 数据统计分析
运用公式(1)计算总CBD浓度(%)，为每个花序样本中CBD(%)和CBDA(%)的加权和。因为一个二氧化碳分子在脱羧过程中丢失，所以这里的权值0.877解释了大麻素的酸和中性形式之间的摩尔质量的差异。
CBD总=CBD+CBDA×0.877 (1)
为了正确评价大麻素的生产能力，须考虑计算CBD总产量(mg/株)，从而正确评估HT和HT产生的因素影响。每个样品的CBD总产量的计算公式(2)考虑了花序重(W)、样品残余水分比率(RM)和总CBD浓度，其中，系数0.2为花序的平均干物质浓度，RM为冻干样品中水的重量比例(范围在0.027～0.063之间)。
CBD总产量=CBD总·W花序重×[0.2×(1-RM)-1] (2)
采用SAS9.2，选择混合模型方法分析所有性状，通过单株测量来确定。模型允许拟合异质误差方差，从而实现针对特定的剪枝技术、特定的收获时间以及按收获时间划分的特定修剪技术的误差方差计算，并通过AIC选择最佳模型。收获时间是以周为单位测量的，所以也可以作为建模的度量标准。这里允许做线性和二次多项式拟合。因此，将收获视为一个影响因素，如果通过全局F检验法发现显著性差异，则使用显著水平为α=0.05的Fisher LSD检验法进行两两比较。
1.2.2. 讨论
本研究调查了HT和PT对室内栽培下的化学III型医用大麻基因型植物生物量积累、CBD和CBD总产量的影响。研究表明，富含最高CBD基因型的植株最佳收获时间在开花9周左右。不同株高组分的花序总CBD浓度在上端(9.9%)显著高于中端
(8.2%)和低端(7.7%)，由此可见，因子修剪技术(PT)能有效地改变植物结构和生物量分配，使植株的花序干重显著升高，在显著提高CBD产量方面没有优势，但有上升趋势。与对照植物相比，这种技术将植物生物量从低向中和上组分转移。当考虑到花序位置的差异时，生产管理者需要了解总CBD浓度的变异性，并应评估不同的品种，以实现其生产目标和优化栽培系统。
2. 结语
生长积温、种植密度与生物产量关系密切，汉麻一般需要1900～2000°C的GDD热量，但播期会小幅度影响GDD的下限。种植密度较高，则植株高度相对较高，但与播期有部分关联，播期早，植株高度会稍高。汉麻纤维和种子产量一般与生长周期相关，其周期越长，产量越高。温度、湿度、日光照等气候条件对汉麻的THC和CBD的合成和累积影响程度存在一定差异。另外，汉麻纤维产量与总生物量和茎生物量呈显著正相关，而与植株密度、株高和纤维强度呈负相关。植株密度与茎生物量、株高和茎直径呈负相关。田间作物响应是基因型、环境和管理相互作用的结果，作物密度、矿质营养和灌溉制度是最终产量和质量的主要因素[9]。收获时间与修剪技术因素对室内栽培下的化学III型医用汉麻基因型植物生物量积累、CBD和CBD总产量有影响，研究表明，富含最高CBD基因型的植株最佳收获时间在开花9周左右。未来的产量优化工作，还应考虑花序位置的重要性和植物结构调节的影响。
参考文献
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文章摘自：张效霏.影响汉麻生长、产量和次生代谢物含量的相关因素分析[J].现代园艺,2023,46(23):61-63.DOI:10.14051/j.cnki.xdyy.2023.23.005
