工業大麻植物工廠栽培優勢與技術需求分析

劉文科（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

大麻是一種傳統經濟作物，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濟作物之一，幾千年來一直是纖維、食品和醫藥的重要來源。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的毒品源植物。通常為與毒品大麻進行區分，國際上將THC 含量低于0.3% 的大麻類型稱為工業大麻，主要分為藥用型工業大麻和纖維型工業大麻[3]。至今，歐盟、加拿大及中國云南省等地均以法律形式規定植株THC 含量＜0.3%的大麻為工業大麻，工業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。除了醫藥用途，CBD 還可用于食品、飲料、化妝品和健康產品，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增加，特別是室內種植面積大幅增加，供給能力得到增強。

世界工業大麻生產與應用現狀

多數國家與地區的政策均受1961 年批準的《聯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，聯合國通過了將《聯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用。2021 年1 月聯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種植。近幾年，大麻生產合法化導致北美和歐洲市場急劇擴大，烏拉圭、加拿大已經成為世界上醫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，第三個實現大麻完全合法化的國家，可將大麻合法作為娛樂、科學、醫學和工業用途。2018 年12 月，美國通過了聯邦層面的工業大麻合法化。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、內華達州、俄勒岡州、佛蒙特州、華盛頓州、華盛頓特區、伊利諾伊州等。醫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，工業大麻在全球范圍內相繼合法化，韓國、英國、德國、新加坡等國家陸續宣布可以在醫學領域應用工業大麻。中國目前已經獲得工業大麻種植許可證的僅有兩個省份，分別是黑龍江和云南。中國是最大的工業大麻生產和出口國，據《中國農業統計年鑒》和聯合國糧農組織的統計資料，中國工業大麻產量約占全世界50%，主要為纖維用或油用。國內大麻種植地區廣泛，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布局。當前，全球工業大麻呈現出歐盟、北美、中國三大主產區域的分布格局。其中，中國是世界上種植工業大麻最多的國家。

國內工業大麻育種取得豐碩成果

20 世紀80 年代，人們對大麻的特性又有了新的認識，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，已遠不能滿足產業發展需求。既要提高CBD 含量，又要保證THC 含量不超標是目前工業大麻育種的卡脖子難題，也是育種專家們追求的目標。近年來，中國大麻育種學者在工業大麻新品種培育方面取得了較好的成績[13-14]。中國農業科學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，種植效益較常規品種明顯提升。黑龍江省科學院大慶分院培育出了纖維用漢麻系列工業大麻品種新品中4 個。云南省農業科學院經濟作物研究所大麻研究中心選育出藥用云麻系列工業大麻新品種9 個。

藥用工業大麻有已成為支撐食品與生物醫藥等健康產業發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 作為新藥研發和食品添加的原料，逐漸成為工業大麻產業發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大麻的產業化程，通過政府許可方式進行工業大麻種植和加工及產品研發。截至2019 年5 月，國內經營范圍中包含工業大麻的企業共有160 余家。涉及工業大麻概念的上市企業共有39 家[15]。目前，國內很多省份對工業大麻產業化表現出意向，比如浙江省[16]、內蒙古自治區[17]是比較積極的地區。可以預測，在國內拒絕工業大麻合法化前提下，通過政府嚴格監管和核查授權，實施規模化、企業化工業大麻生產，發展CBD 相關產業是大勢所趨，對滿足健康產業需求，滿足市場需求具有重要的意義。

工業大麻植物工廠生產現狀

工業大麻是適合在室內栽培或植物工廠生產的作物，荷蘭和比利時是歐洲最大的室內大麻生產國[18]。大麻是高附加值作物，在可控環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勢，確保了工業大麻植物優質高產、穩產和周年連續生產。具體包括以下幾點：①生長因素自動可控，包括水肥供給、環境因子（光照、CO2濃度、溫濕度等）調控和育苗及種植時間等，具有高產和超量累積CBD 等藥用成分的潛力；②室內高效的大麻種植不會與主要作物競爭土地資源，節省了土地資源；③免除了雜草、病蟲害、氣象災害、連作障礙等煩擾，規避了農藥、重金屬等化學品或污染物的污染；④工廠化生產管理大幅提高生產效率，降低勞動強度和勞動；⑤種植規模及數量易于統計計算，產量可預測，品質可控制，非法擴散風險小可控。

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，應加快適合植物工廠栽培的專用工業大麻品種，提升CBD 生產效率；②種植技術含量高，需要素質較高的技術人員；③室內種植耗電成本占生產成本的很大比例[19]。工業大麻為喜光、短日照作物，晚熟品種對光照反應更為敏感，所以在棚室內種植工業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培系統和LED 光照系統及環控系統裝備。大麻是喜光的短日照植物，對光照條件和環境條件的響應較為敏感，生長因素的調控可以改變工業大麻中的THC 和CBD 的含量[20-21]。因此，利用生長因素的調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，世界各國的工業大麻種植農場主和研究人員均有興趣通過嘗試各種環境因素調控的方法來提升CBD 產量。其中，光環境調控是最重要的調控方式之一，采用LED 光源進行大麻室內種植是一個很好的高產途徑，光源具有節能、長壽命且光環境動態可智能調控的優勢。但是，截至目前有關光環境，特別是光質對工業大麻生長、產量和品質影響的研究數量很少，尚未形成具有生產指導價值的光生物學體系，大麻LED 生長燈及其控制系統的研發迫在眉睫。

工業大麻植物工廠生產技術需求

植物工廠是比較成熟的設施園藝生產方式，已廣泛用于葉菜、根莖菜、草莓、藥用植物等的工廠化生產。因此，工業大麻在設施栽培技術的基礎上，完全可以實現植物工廠生產。然而，與園藝作物相比，工業大麻具有獨特的形態學特性、生理學特點和獨特的產品器官，因此工業大麻的植物工廠栽培系統設計、環境因子調控策略、LED 照明系統等有別與園藝作物，必須研發專用技術裝備，以滿足工業大麻高效生產的需求。植物工廠栽培是工業大麻生產提質增效的有效途徑。因此，探尋促進CBD 積累的栽培手段成為藥用工業大麻優質高效種植生產的重要研究目標。要實現工業大麻植物工廠高效栽培必須實施系統的技術攻關，研究清楚工業大麻栽培生物學習性及其調控的共性技術和關鍵技術。通過特定的技術調控獲得較高的生物產量和CBD，控制THC 含量在合法水平。具體技術需求如下：①通過育種創新從遺傳角度為工業大麻的優質高產創造基礎，確定各生育期大麻素含量動態變化特征；②研發植物工廠工業大麻栽培專用栽培系統，包括基質培或水培裝備；③研發LED 照明系統、環控系統是重點。植物工廠大麻栽培的最大優點是環境可控，通過光照、營養等生長要素的調控，充分調動大麻植物生理過程，促進生長，提高CBD含量，控制THC 含量。LED 照明系統是重中之重的技術需求，高效的LED 照明系統不僅可以節省初裝成本，還可以實現節能生產。而且，當前中國大麻栽培生產是要經過政府許可的，研發大麻植物工廠栽培技術裝備，出口歐美國際市場恰逢其時，市場規模非常大。光質調控可能會差異化地激活次生代謝發育所涉及的酶活性，調控CBD 等大麻素的合成代謝機制[22]。許多光質效應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，當處理次生代謝產物的復雜組分時，光質效應的綜合研究是需要的。當前，工業大麻LED 燈是國際上需求量最大的產品，亟待在充分調研大麻植物光生物學規律基礎上優化完善大麻LED 燈的設計，達到最優光譜和最佳控制策略，實現高效節能生產，滿足國內外市場需求。

總結

近些年，中國設施栽培藥用植物生產中藥材的規模逐年擴大。例如設施金線蓮、設施靈芝、設施石斛等。隨著國際市場的不斷放大，在國家法律法規允許前提下中國藥用工業大麻生產必將擴展，發揮其在健康產業的應用價值[21]。植物工廠必將逐漸取代一般的室內栽培，真正意義上實現規模化、現代化、自動化生產，周年提供工業大麻CBD 產品。但是，當前工業大麻優質高產品種仍需培育，特別是適合室內植物工廠栽培的專用品種有待研發培育。其次，研發工業大麻生產專用的植物工廠設施、栽培系統和LED光照模式是當務之急，推出性價比高、節能高效的工業大麻栽培專用LED 燈將有力地促進中國工業大麻生產的能力和技術水平，同時也將打開國際市場，促進國際大麻種植與產業發展。最后，通過后續幾年的研究探索，應及早制定適合中國國情和法律規定的植物工廠工業大麻生產標準，建立工業大麻安全種植生產的國家或行業標準體系，保障工業大麻行業健康和可持續發展。