工业大麻植物工厂栽培电光源发展趋势_刘文科.pdf

第 4 期 中 国 照 明 电 器 No 4 2021 年 4 月 CHINA LIGHT LIGHTING April 2021 櫔櫔櫔櫔 櫔 櫔櫔櫔櫔 櫔 毆 毆 毆 毆 经验交流 文章编号 1002 6150 2021 04 018 03 工业大麻植物工厂栽培电光源发展趋势 刘文科 1 刘中定 2 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北京 100081 2 深圳市华冠光电科技有限公司 广东 深圳 518107 摘要 伴随联合国 欧美等国家对工业大麻种植及其药用成分大麻二酚 CBD 使用的逐步合法化 全球工业大麻种 植和 CBD 产业发展迅速 除了露地大田栽培以外 规模各异的工业大麻室内栽培方兴未艾 植物工厂作为设施园 艺的最高发展类型 借鉴植物工厂园艺作物生产的成功技术装备模式 工业大麻植物工厂栽培具有可行性且势在 必行 迫切需要基于工业大麻的生物学特征进行专用 LED 生长灯及环境控制系统的研发 本文综述了工业大麻室 内栽培主要电光源类型 强调了植物工厂工业大麻生产 LED 照明系统研发原则和品种差异性 关键词 工业大麻 植物工厂 温室补光 LED 照明系统 大麻二酚 CBD 中图分类号 S123 文献标识码 A DOI 10 3969 j issn 1002 6150 2021 04 005 作者简介 刘文科 博士 研究员 博士生导师 主要从事植物工厂植物生产与环控工程研究 Electric Lights for Production of Industrial Hemp in Plant Factory A eview LIU Wenke 1 LIU Zhongding 2 1 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture Chinese Academy of Agricultural Sciences Key Lab of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures Ministry of Agriculture and ural Affairs Beijing 100081 China 2 Shenzhen HG Lighting Co Ltd Shenzhen 518107 China Abstract Along with the legalization process of industrial hemp planting and cannabidiol CBD use in the United Nations and some countries worldwide plant area and CBD industrialization will growing rapidly for commercial purposes Besides field cultivation indoor planting of industrial hemp developed rapidly in many countries It proposed that plant factory production of industrial hemp is feasible and promising taking the successful experience of horticultural crop growth in plant factory into consideration For this efficient LED lighting system should be developed for industrial hemp production in plant factory based on its photobiology In this paper the main electric lights used for industrial hemp planting are collected highlighting the development principles and methods of special LED light system for two type plant factory Key words industrial hemp plant factory greenhouse supplemental light LED light system cannabidiol CBD 引 言 大麻是一种传统经济作物 是人类最早种植的经 济作物之一 几千年来一直是纤维 食品和医药的重 要来源 通常 与利用大麻中毒性成分四氢大麻酚 THC 使人致幻成瘾的毒品大麻进行区分 国际上 将 THC 含量低于 0 3 的大麻类型称为工业大麻 Industrial hemp 主要分为药用型工业大麻 利用大 第 4 期 刘文科等 工业大麻植物工厂栽培电光源发展趋势 19 麻二酚 即 CBD 等药用成分 和纤维型工业大麻 1 据联合国粮农组织统计 世界上种植工业大麻的国家 有 30 多个 年种植面积约 13 5 万 hm 2 主要位于亚 洲和欧洲地区 我国是世界上工业大麻种植面积最大 的国家之一 我国已有多个省份获得工业大麻种植 许可证 较早的是云南省 黑龙江省和吉林省 2 大 麻为一年生草本植物 茎直立 皮层多纤维 表面具纵 沟 灰绿色 密被细柔毛 大麻通常为雌雄异株 药用 型工业大麻雌性植株的花穗是采收的主要器官 花期 在我国南方各地为 5 6 月 在我国北方各地为 7 8 月 露地工业大麻生产具有季节性 受气候制约 一 年种植一次 制约了我国工业大麻的生产规模 大麻素是大麻植物中特有的含有烷基和单萜基 团的一类次生代谢产物 已知存在超过 100 种大麻素 成分 其主要成分为 THC CBD 大麻萜酚 CBG 及 大麻酚 CBN 等 3 伴随联合国和欧美等国家对工 业大麻种植及其药用成分 CBD 使用的逐步合法化 全球对工业大麻种植和 CBD 产品的需求逐年增加 带动了工业大麻室内栽培甚至植物工厂生产发展 乌拉圭 加拿大已经成为世界上医用和娱乐大麻合法 化的国家 4 美国 2018 年通过了联邦层面的工业大 麻合法化 截止到 2020 年底 美国娱乐大麻合法的 州和医用合法化的州均已超过了 10 个 近年来 工 业大麻在全球范围内多国相继合法化 韩国 英国 德 国 新加坡等国家陆续宣布可以在医学领域应用工业 大麻 国家数量达 51 个 2 这些国家通过立法使与 大麻相关的吸食 持有 种植 生产 销售或运输等全 部或部分行为符合法律规定 行为人实施上述行为不 受任何形式的处罚 5 我国对工业大麻合法化持反 对态度 我国部分省份药用工业大麻的种植加工合法 化正在稳步推进 2 1 工业大麻植物工厂栽培必要性和重要性 设施栽培对实现园艺作物 药用植物周年生产发 挥着不可或缺的重要作用 与露地生产相比 设施栽 培不受气候条件的制约 可实现周年生产和规模化生 产 可控性强 其中 尤以植物工厂栽培更具有发展 价值 是室内栽培发展的最终模式 借鉴园艺作物植 物工厂生产的成功技术装备模式 工业大麻植物工厂 栽培具有可行性且势在必行 首先 发展植物工厂生 产 可规避自然条件的限制实现周年生产 迅速扩大 生产规模 节省耕地资源 其次 可通过光照 温度等 环境条件提高工业大麻生物量特别是花穗的产量 提 高花穗中 CBD 含量 而且 植物工厂栽培工业大麻生 产规模可控 便于监管 扩散风险低 安全 更为重要 的是 工业大麻作为高附加值经济作物 实施植物工 厂生产可以盈利 从经济角度是可行的 2 工业大麻植物工厂栽培电光源应用现状 工业大麻是比较适宜在室内栽培或植物工厂生 产的植物 荷兰和比利时是欧洲最大的室内大麻生产 国 6 与自然光照条件相比 植物工厂整体光照水 平均相对较弱 弱光寡照的情况较为严重 光环境调 控至关重要 7 因此 人工补光或光环境调控是本 质技术需求 迫切需要基于工业大麻的生物学特征进 行专用发光二极管 LED 生长灯及环境控制系统的 研发 白炽灯 荧光灯 高压钠 HPS 灯和 LED 光源 都曾经用于大麻生产 8 其中 荧光灯和 HPS 灯主 要用于工业大麻的幼苗扦插和开花阶段 而营养生长 阶段金属卤化物灯 HPS 灯 LED 及多种灯的组合均 被报道过 9 10 当前 用于植物工厂光环境调控的 主要光源是高压钠灯和 LED 灯 前者用于自然光植 物工厂补光 后者用于人工光植物工厂照明 LED 光源因其具有高光效 节能 体积小 冷光源 使用寿 命长和环保等优良光电特性 是目前设施园艺补光与 人工光栽培的理想光源 11 目前 国际上工业大麻 室内栽培主要电光源是高压钠灯和 LED 近 5 年后者 研发在国内外明显加速 这得益于国际上工业大麻合 法化进程加快和 CBD 产业市场的扩增 与高压钠灯 相比 LED 灯具有自由移动 窄光谱幅度 低能耗 长 寿命和冷光源 使得 LED 光源在室内种植中更受欢 迎 上述属性也使得 LED 可通过为每种作物设置光 谱范围 准确调控光谱质量和光强来控制特殊作物 3 工业大麻植物工厂栽培 LED 照明系统 研发前景 国内外工业大麻植物工厂栽培生产是大势所趋 对植物工厂技术装备尤其是 LED 照明系统的需求十 分迫切 市场规模逐年扩大 盈利空间巨大 抓紧布 局植物工厂工业大麻生产专用 LED 照明系统研发 推出额定功率适宜 光谱高效且可调控 空间光照合 理的 LED 照明系统非常必要和迫切 然而 工业大 麻 LED 生长灯的研发是国内植物照明产学研界共同 面临的新课题 在我国对工业大麻相关科学试验研究 20 中 国 照 明 电 器 2021 年 严格限制的情况下 有必要借鉴和采纳植物工厂叶菜 等园艺作物 LED 生长灯的设计理念和经验 但不能 照抄 而且 要积极通过工业大麻合法种植的国家及 其地区的科学家和企业进行合作 灯具研发与灯具效 果验证实施地域分离 共同推进我国工业大麻生长灯 的产业发展 培育 LED 半导体照明新的外贸增长点 迄今 我国涌现出了众多大麻 LED 生长灯生产企业 设计出了多款灯具 出口规模逐年增加 比如 深圳 市华冠光电科技有限公司 北京金晟达生物电子科技 有限公司等 4 工业大麻植物工厂栽培 LED 照明系统 设计原则 理想的灯具应该是符合工业大麻各生育期光环 境的需求 包括光强 光质和光周期 并具有自动调控 功能 工业大麻生产 LED 照明系统有别于植物工厂 叶菜生产 研发原则和使用方式有所不同 首先 按 照自然光植物工厂 LED 补光灯和人工光植物工厂 LED 照明系统两类来设计研发工业大麻 LED 灯 自 然光植物工厂 LED 补光灯主要起辅助和应急补光功 能 弥补太阳光在光强和光谱上的不足 实现工业大 麻的优质高产 所以 LED 补光灯的设计应重点放 在光谱设计和自动控制功能上 以保障弱光寡照胁迫 发生时工业大麻的正常生长所需光照 节能高效地利 用接续的太阳光照 其次 工业大麻 LED 照明系统 研发应充分考虑工业大麻的品种特性 在光强 光质 和光周期控制上依据品种特殊性进行设计 人工光 植物工厂 LED 照明系统设计研发应基于工业大麻特 定品种的生物学和生理学特性 从育苗和定植栽培两 个阶段去设计 LED 灯 充分满足工业大麻苗期 营养 生长期和生殖生长期的光环境需求 并与其他生长因 素相互耦合 增产增质 最后 LED 照明系统应充分 考虑植物工厂栽培空间特点 灵活进行灯具外形设 计 光学设计 可通过折叠 收缩 旋转等方式调控空 间占用和光照面大小 最大程度提高空间利用效率 使得光效达到最优水平 工业大麻株高 1 2 m 左 右 冠层纵深大 可以充分考虑顶端 冠层照射的光 照方式 提高效益 5 结 语 随着更多国家工业大麻合法化进程的推进 CBD 产品需求将急剧增加 工业大麻种植效率提升将至关 重要 因此 工业大麻植物工厂栽培规模化生产势在 必行 LED 照明系统研发迫在眉睫 必须推进产学研 合作 夯实工业大麻植物工厂 LED 照明系统的研发 基础 优化设计 推出光电效率 生物光效 空间效率 较高的 LED 照明产品 以满足国际市场的生产需求 然而 当前国内外对工业大麻生物学和生理学特征及 其品种间差异研究报道非常少 尚未形成完整的科学 支撑 因此 在 LED 照明系统设计上要借鉴园艺作 物经验 更要兼顾生物学特性和技术的前瞻性 参 考 文 献 1 WEI X Y ZHAO X L LONG S H et al Wavelengths of LED light affect the growth and cannabidiol content in Cannabis sativa L J Industrial Crops and Products 2021 165 113433 2 梅高甫 陈珊宇 陈洵熙 等 药用大麻在健康产业的应用价值 及浙江发展对策 J 浙江农业科学 2020 61 3 509 512 517 3 AIZPU UA OLAIZOLA O OMA J NAVA O P et al Identification and quantification of cannabinoids in Cannabis sativa L plants by high performance liquid chromatography mass spectrometry J Analytical and Bioanalytical Chemistry 2014 406 29 7549 7560 4 DYE O Cannabis Canada sees queues and shortages as it legalises recreational use J BMJ 2018 363 k4421 5 罗羚尹 大麻合法化之国际趋势与争议 J 中国药物滥用防 治杂志 2019 25 3 130 138 6 VANHOVE W MAALSTE N DAMME P V Why is it so difficult to determine the yield of indoor cannabis plantations A case study from the Netherlands J Forensic Science International 2017 276 e20 e29 7 刘文科 查凌雁 植物工厂植物光质生理及其调控 M 北京 中国农业科学技术出版社 2019 8 POTTE D The propagation characterisation and optimisation of Cannabis sativa L as a phytopharmaceutical D Ph D dissertation King s College London 2009 9 SWEET S L The energy intensity of lighting used for the production of recreational cannabis in Washington State and implications for energy efficiency D Olympia WA Evergreen State College 2016 10 CHAND A S LATA H ELSOHLY M A Cannabis sativa L botany and biotechnology M Cham Switzerland Springer 2017 11 MASSA G D KIM H H WHEELE M et al Plant productivity in response to LED lighting J HortScience 2008 43 7 1951 1956