基質與營養液耦合對工業大麻扦插苗生長及產量的影響

胡楠，竇金剛＃，李振清，吳興宏，陳虹廷，楊桐琿，張東二，續延國，王曉慧?

(1.吉林省農業科學院，吉林長春 130033；(2.扶余市永平鄉綜合服務中心，吉林永平 131213)

工業大麻(CannbissativaL.)是指植株群體花期頂部葉片及花穗干物質的致幻成癮成分四氫大麻酚(THC)含量<0.3%，不能直接作為毒品利用的大麻作物品種類型[1－3]，為一年生草本植物，別稱漢麻、火麻、魁麻等[4]。隨著對工業大麻研究的不斷深入，其巨大的經濟、社會和生態效益不斷被發掘，特別是工業大麻花葉中提取的大麻酚類物質及其他次生代謝物，在人類醫藥健康和美容保健領域展現出不可限量的應用前景[5－6]。近年來，國外工業大麻研究發展迅猛，我國由于產業政策等方面因素[7]，工業大麻的科學研究剛剛起步，一些制約產業發展的問題亟待解決。目前，工業大麻多為戶外大田種植，由于其對光照特別敏感，弱光會導致其提前開花結實，產量和質量較差。為了減少外界環境條件的限制，提升工業大麻花葉的CBD 含量，實現周年種植，采用室內無土栽培或者植物工廠種植是未來生產工業大麻的重要方向。

溫室種植條件下，栽培基質和培養液是影響工業大麻生長發育的重要因素?；|是植株根部呼吸通暢的決定因子，營養液是無土栽培中植株獲得養分的介質，基質和營養液配合使用既能節水省肥和增產提質，又能提高農業廢棄物資的利用率，成本低且易推廣[8]?；|栽培作為室內無土栽培中應用最為廣泛的一種類型，基質和營養液的供給是否適宜是決定基質栽培成敗的關鍵，營養元素合理組配才能保證作物吸收均衡，使其正常生長[9－11]。國內外對基質和營養液進行了大量研究，但是多針對室內蔬菜種植和工業大麻苗期進行研究。Adediran[12]認為，25%～50%堆肥混合標準生長基質(Hygromix)是較好的萵苣生長基質。韋秀葉等[13]研究發現，1/4Z 和1/8Z 為工業大麻幼苗水培較適宜的營養液配方；楊桐琿等[14]研究表明，泥炭∶蛭石∶珍珠巖∶椰糠＝4 ∶2 ∶2 ∶2的組合是最適宜工業大麻扦插苗生長的基質條件。但是，對于工業大麻基質和營養液耦合與工業大麻全生育期生長關系的研究尚不多見。為了解決這一問題，本研究采用不同栽培基質，研究栽培基質和營養液耦合對基質溫濕度、工業大麻生長發育、物質積累分配及產量的影響，以期為工業大麻室內基質栽培提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年7—11月在長春市農業博覽園(125.32°E，43.88°N)溫室大棚內進行，供試材料為“先麻1 號”(吉林省農業科學院選育品種)的雌性扦插苗，該品種CBD 含量>2.5%，THC 含量<0.3%。5月初，選取留存母株上生長一致的枝條，截取15～20 cm 長，進一步精細修剪，保留頂部有葉片的5～6 cm 長生長旺盛的嫩枝，插入育苗營養塊內，在恒溫恒濕的溫室內進行扦插育苗。當扦插苗長至10～15 cm 時，將長勢良好、大小一致的扦插苗移栽到溫室大棚不同基質中，每天定時澆灌不同配方的營養液。

1.2 試驗設計

應用一體成型PVC 栽培槽無土栽培系統進行無機基質栽培，栽培袋用角鋼支架支起。試驗采用2 因素(基質＋培養液)處理，基質處理4 水平，分別為泥炭(Z1)、巖棉(Z2)、珍珠巖(Z3)、椰糠(Z4)，基質裝袋處理，每袋長約1.3 m，寬約0.3 m，每袋基質栽種2 株工業大麻。培養液處理3 水平，選用市面上常用的3 種營養液配方(M1、M2、M3，見表1)，采用水肥一體化循環供給系統，滴灌方式為滴箭，首先將營養液配置為100 倍濃縮液，每種營養液澆灌4 種基質，滴灌時每300 mL 營養液兌水600 L，每日8 時和14 時滴灌2 次，每次2 min。營養生長期，每次滴灌量為500 mL，生殖生長期，每次滴灌量為1000 mL，溫室內設定的晝夜溫度為25 ℃/20 ℃，每天補光4 h。

表1 營養液配方(1 t 水用量)Table 1 Nutrient solution formula(one ton of water consumption)

1.3 測定項目與方法

分別于生長發育期及成熟期取樣，在每個組合中選取3 株長勢均一的工業大麻，通過手持式葉綠素儀測定葉片葉綠素含量(SPAD)和葉片含氮量；通過卷尺和電子游標卡尺測量株高、莖粗；通過土壤水分速測儀測定土壤濕度。將樣品分成根、莖、花葉三部分后置于105 ℃烘箱殺青20 min，再于75 ℃烘至恒重，測定干物質積累量，并計算各部分的干物質分配比例和根冠比。

各部位干物質積累量(g)＝成熟期各部位干物質積累量－旺長期各部位干物質積累量；

各部位的干物質分配比例(%)＝各部位的干物質積累量/植株干物質積累量×100%；

根冠比＝地下部鮮重/地上部鮮重。

1.4 數據處理

采用Excel 進行數據整理，使用SPSS 22.0 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 基質與營養液耦合對工業大麻產量的影響

由圖1 可知，Z4M1 的花葉產量最高，顯著高于Z1M1、Z1M2、Z1M3、Z2M2、Z2M3 和Z4M2，分別高55.2%、40.3%、42.6%、28.6%、42.0%和31.7%。Z3M2 和Z4M1 的產量差異不明顯，但顯著高于Z1M1、Z1M2、Z1M3 和Z2M3，分別高48.8%、31.6%、34.3%和33.6%。Z1M1 的產量最低，顯著低于Z2M1、Z3M1、Z3M2、Z3M3、Z4M1 和Z4M3，其他各處理間差異不顯著。栽培基質處理中，泥炭(Z1)基質的工業大麻花葉產量最低，除Z4M2 外，珍珠巖(Z3)和椰糠(Z4)基質的工業大麻產量較高。

圖1 基質與營養液耦合對工業大麻花葉產量的影響Fig.1 Effect of coupling of substrate and nutrient solution on the yield of leaves and flowers of industrial hemp

2.2 基質與營養液耦合對基質溫濕度的影響

由圖2 可知，營養液和基質耦合條件下，基質的溫度無顯著性差異，整個生育期變幅在17.6～18.3 ℃。相同營養液用量條件下，基質濕度變化明顯。泥炭的濕度顯著高于其他3 個處理，比巖棉、珍珠巖和椰糠的濕度分別高90.5%、47.1%和22.3%；椰糠基質的濕度顯著高于巖棉、珍珠巖，分別高55.7%和20.3%；相同條件下，巖棉基質的濕度最小，分別比泥炭、珍珠巖和椰糠低47.5%、22.8%和35.8%。

圖2 基質與營養液耦合對基質溫濕度的影響Fig.2 Effect of coupling of substrate and nutrient solution on temperature and humidity of substrate

2.3 基質與營養液耦合對工業大麻株高和莖粗的影響

株高和莖粗是作物生長的形態指標，能夠最直觀反映出作物的生長趨勢和營養吸收狀況。由圖3 可知，營養生長期:處理Z1M2 的株高最高(80.6 cm)，顯著高于Z1M1、Z1M3、Z2M1、Z2M2、Z2M3、Z3M1、Z3M2、Z4M2 和Z4M3，分別高50%、25.6%、24.3%、21.1%、22.3%、20.6%、11.9%、22.7%和14.9%，與Z3M3 和Z4M1 的株高差異不顯著；莖粗最大的為處理Z4M1(12.21 mm)，顯著高于Z1M1、Z1M3、Z2M1 和Z2M3，分別高68.9%、79.3%、53.8%和34.7%，與Z1M2、Z2M2、Z3M1、Z3M2、Z3M3、Z4M2 和Z4M3 無顯著性差異。

圖3 基質與營養液耦合對工業大麻株高和莖粗的影響Fig.3 Effect of coupling of substrate and nutrient solution on plant height and diameter of industrial hemp

圖4 不同生育時期各處理的葉綠素含量及葉片含氮量Fig.4 SPAD and leaf nitrogen content of each treatment in different growth stages

成熟期:處理Z4M1 的株高最高(105 cm)，顯著高于其他處理，比同組最低處理Z1M1 高61.6%；Z3M3 的株高顯著高于Z4M3、Z2M3 和Z1M1，分別高46.5%、25.1%和9.05%；Z2M3 的株高顯著高于Z1M1。其他各處理間無顯著性差異。莖粗表現最好的處理為Z4M1(15.1 mm)，顯著高于其他處理，比同組最低處理Z1M1 高出52.1%。Z2M1、Z3M1、Z3M2 和Z4M3 顯著高于Z2M3 處理，分別高38.5%、43.8%、43.5%和43.1%。

2.4 營養液與基質耦合對工業大麻葉綠素含量及葉片含氮量的影響

各種作物的主體成分為有機物，這些有機物的來源為作物綠色組織的光合產物，測量葉綠素及葉片含氮量能夠在一定程度上反映作物的光合作用[15]。如表3所示，所有處理的葉片含氮量及SPAD 值呈現相同的變化趨勢，營養生長期，處理Z4M1 的SPAD 值和葉片含氮量均最高(43.2、16.33 mg/g)，分別比同組最低處理Z1M3 高出30.1%和25.2%。處理Z4M1 的SPAD 值和葉片含氮量均顯著高于Z1M2、Z1M3、Z3M2、Z3M3、Z4M2 和Z4M3。Z2M3 和Z3M1 的SPAD 值和葉片含氮量顯著高于Z1M3、Z3M2、Z3M3、Z4M2 和Z4M3。成熟期，處理Z1M2 的SPAD 值和葉片含氮量均最高(39.16、15.06 mg/g)，分別比同組最低處理Z1M1 高出20.9%和17.4%，Z1M2 的SPAD 值和葉片含氮量均顯著高于Z1M1、Z1M3、Z2M1、Z3M3、Z4M2。

2.5 基質與營養液耦合對工業大麻干物質積累量的影響

干物質積累是衡量植物有機物積累、營養成分多寡的重要指標。如表2所示，營養生長期，處理Z4M1 的總干重最高(42.26 g)，比同組最低處理Z1M1 高出68.4%，處理Z4M1、Z4M3、Z3M3 與Z1M1、Z1M3、Z2M1、Z2M3 差異顯著，其余處理間差異不顯著。不同生長器官中，根系干物質積累量最低，莖稈的干物質積累量次之，葉片的干物質積累量最高。Z1M1 的根、莖、葉干物質積累量均最低，Z3M1 的根系干物質積累量最高，Z1M2 的莖稈干物質積累量最高，而Z3M3 的葉片干物質積累量最高。

表2 不同處理的干物質積累量Table 2 Accumulation of dry matter under different treatment at vegetative period and mature period stages

成熟期，處理Z4M1 的總干重最高(86.6 g)，比同組最低處理Z1M1 高出59.8%，處理Z4M1 顯著高于Z1M1、Z1M2、Z1M3、Z2M1、Z2M2、Z2M3、Z3M1、Z4M2 和Z4M3。不同生長器官中，根系干物質積累量最低，莖稈的干物質積累量次之，葉片的干物質積累量最高。根系的干物質積累量為Z1M1 最低，Z3M3 最高；莖稈的干物質積累量為Z2M3 最低，Z4M1 最高；葉片的干物質積累量為Z1M1 最低，Z4M1 最高。營養生長期至成熟期的干物質轉運量為Z1M2 最低，Z4M1 最高。

2.6 基質與營養液耦合對工業大麻干物質積累速率和分配比例的影響

由圖5 可知，除Z1M2 外，各處理開花后的干物質積累速率均大于開花前。開花前，Z4M1 的干物質積累速率最高，比積累速率最低的Z1M1 高69.8%。Z4M1 的干物質積累速率顯著高于Z1M1、Z1M3、Z2M1 和Z2M3，與其他處理間無顯著性差異。開花后，Z4M1 的干物質積累速率也最高，比積累速率最低的Z1M2 高82.1%。各處理均顯著高于Z1M2，且不同處理間無顯著性差異。

圖5 不同時期各處理干物質積累速率的差異Fig.5 Dry matter accumulation rate of each treatment at different stages

由圖6 可知，營養生長期和成熟期各器官的干物質分配比例均表現為葉>莖>根。營養生長期，根系的分配比例為1.2%～12.7%，莖稈的分配比例為30.7%～51.9%，葉片的分配比例為44.9%～68.1%。成熟期，根系的分配比例為4.8%～10.2%，莖稈的分配比例為27.6%～40.2%，葉片的分配比例為54.0%～67.6%。營養生長期至成熟期，除Z1M1、Z1M2、Z3M2 和Z3M3 外，根系的分配比例逐漸降低；除Z1M1、Z1M3 和Z2M1 外，莖稈的分配比例逐漸下降；除Z1M1 外，葉片的干物質分配比例逐漸增加。

圖6 營養生長期和成熟期各部位干物質積累量的分配比例Fig.6 Distribution rate of dry matter of each plant partsat vegetative stage and mature stage

2.7 相關分析

成熟期，對工業大麻產量及其形態生理性狀和土壤溫濕度進行相關分析(表3)。工業大麻花葉產量與根系干物質積累量、莖稈干物質積累量、整株干物質積累量、葉綠素含量、葉片含氮量、株高、莖粗和分枝數呈極顯著正相關，與土壤溫度、土壤濕度無相關性。分枝數與株高和莖粗呈顯著正相關。莖粗與莖稈干物質積累量、整株干物質積累量呈極顯著正相關，與根系干物質積累量和株高呈顯著正相關。株高與根系干物質積累量、莖稈干物質積累量、整株干物質積累量呈極顯著正相關，與葉綠素含量和葉片含氮量呈顯著正相關。葉片含氮量與根系干物質積累量呈顯著正相關，與莖稈干物質積累量、整株干物質積累量和葉綠素含量呈極顯著正相關。

表3 成熟期工業大麻產量與各指標的相關性Table 3 Correlation of industrial hemp yield and other index at mature period

3 討論與結論

基質是無土栽培條件下植物生長的基礎，選擇合適的基質是進行無土栽培的重要條件[16]。栽培基質的主要功能是固定植物，基質的理化性質決定著基質的水分、養分吸收性能和空氣含量。不同栽培基質物理性質不同，供氧供水能力也就不一致，這不僅影響作物根系對水分和養分的吸收運輸能力，也會影響植物根系的生長發育[17]。本試驗研究了4 種基質的溫濕度變化及其與工業大麻生長的關系，研究發現，各基質的溫度變化無顯著差異，但是基質的濕度為泥炭>椰糠>珍珠巖>巖棉，各基質間濕度差異顯著，說明泥炭能夠有效地保水保肥，但其疏水能力較差，巖棉疏水性較強，但保水能力很差，珍珠巖和椰糠的保水能力強于巖棉，弱于泥炭，而疏水能力強于泥炭，弱于巖棉。張真真等[18]對藍莓栽培基質的研究也發現，草炭和椰糠的抗旱能力優于蛭石和珍珠巖。本研究對工業大麻花葉產量的測定發現，泥炭(Z1)基質的工業大麻產量最低，珍珠巖(Z3)和椰糠(Z4)基質的工業大麻產量較高，說明本試驗中泥炭和巖棉的濕度不適合工業大麻的室內無土栽培。工業大麻基質栽培所適宜的濕度在40%～50%，且需有一定的保水保肥能力。

營養液配方的研究對于無土栽培至關重要，無土栽培植物生長所需的養分和水分大部分由營養液提供，不同營養液配方會直接影響作物的品質和產量[19－21]。營養液配方對植株的影響首先表現在植株長勢方面，株高、莖粗、植株干鮮重是衡量植株形態好壞的幾個重要指標。黃枝[22]研究表明，不同營養液配方下絲瓜幼苗生長狀態有一定差異，山崎配方可有效促進絲瓜幼苗的生長發育。呂炯璋等[23]探討不同營養液配方對番茄幼苗生長的影響，發現標準濃度營養液在植株株高、莖粗、鮮重、干重和葉面積增長方面效果最好。本試驗中，椰糠＋營養液1 處理(Z4M1)的工業大麻花葉產量、莖粗、干重、開花前后的干物質積累速率均最高，說明椰糠＋營養液1 為工業大麻溫室栽培的最適基質和營養液組合。試驗發現:營養生長期，椰糠＋營養液1 處理的株高、莖粗、葉綠素含量和葉片含氮量與其他幾個處理差異不明顯；成熟期，椰糠＋營養液1 處理的株高、莖粗和產量顯著高于其他處理。說明隨著生長時間的延長，基質和營養液對植株形態性狀影響的差異越來越明顯。整個生育期間，椰糠＋營養液1 處理的葉綠素含量和葉片含氮量并未表現出明顯的優勢，可能和日光溫室內的光照強度有關，具體原因有待進一步研究。

本研究表明，工業大麻花葉產量與根系干物質積累量、莖稈干物質積累量、整株干物質積累量、株高、莖粗和分枝數呈極顯著正相關。陸于等[24]對纖維麻的研究也表明，株高、莖粗、干莖重與單株麻皮產量呈極顯著正相關。曹焜等[25]研究發現，株高是影響工業大麻原莖產量的主要農藝性狀。所以，可以將株高、莖粗、干物重等簡單的形態指標作為工業大麻產量的判斷依據。

通過本試驗發現，椰糠＋營養液1 耦合為最適合溫室生長工業大麻的基質和營養液組合。同時，在生育后期可以通過增加工業大麻植株干物質積累量、葉綠素含量、葉片含氮量、株高、莖粗和分枝數來提升工業大麻產量。