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第 4 期 中 國(guó) 照 明 電 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 經(jīng)驗(yàn)交流 文章編號(hào) 1002 6150 2021 04 018 03 工業(yè)大麻植物工廠栽培電光源發(fā)展趨勢(shì) 劉文科 1 劉中定 2 1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081 2 深圳市華冠光電科技有限公司 廣東 深圳 518107 摘要 伴隨聯(lián)合國(guó) 歐美等國(guó)家對(duì)工業(yè)大麻種植及其藥用成分大麻二酚 CBD 使用的逐步合法化 全球工業(yè)大麻種 植和 CBD 產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 除了露地大田栽培以外 規(guī)模各異的工業(yè)大麻室內(nèi)栽培方興未艾 植物工廠作為設(shè)施園 藝的最高發(fā)展類型 借鑒植物工廠園藝作物生產(chǎn)的成功技術(shù)裝備模式 工業(yè)大麻植物工廠栽培具有可行性且勢(shì)在 必行 迫切需要基于工業(yè)大麻的生物學(xué)特征進(jìn)行專用 LED 生長(zhǎng)燈及環(huán)境控制系統(tǒng)的研發(fā) 本文綜述了工業(yè)大麻室 內(nèi)栽培主要電光源類型 強(qiáng)調(diào)了植物工廠工業(yè)大麻生產(chǎn) LED 照明系統(tǒng)研發(fā)原則和品種差異性 關(guān)鍵詞 工業(yè)大麻 植物工廠 溫室補(bǔ)光 LED 照明系統(tǒng) 大麻二酚 CBD 中圖分類號(hào) S123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A DOI 10 3969 j issn 1002 6150 2021 04 005 作者簡(jiǎn)介 劉文科 博士 研究員 博士生導(dǎo)師 主要從事植物工廠植物生產(chǎn)與環(huán)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 大麻是一種傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)作物 是人類最早種植的經(jīng) 濟(jì)作物之一 幾千年來(lái)一直是纖維 食品和醫(yī)藥的重 要來(lái)源 通常 與利用大麻中毒性成分四氫大麻酚 THC 使人致幻成癮的毒品大麻進(jìn)行區(qū)分 國(guó)際上 將 THC 含量低于 0 3 的大麻類型稱為工業(yè)大麻 Industrial hemp 主要分為藥用型工業(yè)大麻 利用大 第 4 期 劉文科等 工業(yè)大麻植物工廠栽培電光源發(fā)展趨勢(shì) 19 麻二酚 即 CBD 等藥用成分 和纖維型工業(yè)大麻 1 據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì) 世界上種植工業(yè)大麻的國(guó)家 有 30 多個(gè) 年種植面積約 13 5 萬(wàn) hm 2 主要位于亞 洲和歐洲地區(qū) 我國(guó)是世界上工業(yè)大麻種植面積最大 的國(guó)家之一 我國(guó)已有多個(gè)省份獲得工業(yè)大麻種植 許可證 較早的是云南省 黑龍江省和吉林省 2 大 麻為一年生草本植物 莖直立 皮層多纖維 表面具縱 溝 灰綠色 密被細(xì)柔毛 大麻通常為雌雄異株 藥用 型工業(yè)大麻雌性植株的花穗是采收的主要器官 花期 在我國(guó)南方各地為 5 6 月 在我國(guó)北方各地為 7 8 月 露地工業(yè)大麻生產(chǎn)具有季節(jié)性 受氣候制約 一 年種植一次 制約了我國(guó)工業(yè)大麻的生產(chǎn)規(guī)模 大麻素是大麻植物中特有的含有烷基和單萜基 團(tuán)的一類次生代謝產(chǎn)物 已知存在超過(guò) 100 種大麻素 成分 其主要成分為 THC CBD 大麻萜酚 CBG 及 大麻酚 CBN 等 3 伴隨聯(lián)合國(guó)和歐美等國(guó)家對(duì)工 業(yè)大麻種植及其藥用成分 CBD 使用的逐步合法化 全球?qū)I(yè)大麻種植和 CBD 產(chǎn)品的需求逐年增加 帶動(dòng)了工業(yè)大麻室內(nèi)栽培甚至植物工廠生產(chǎn)發(fā)展 烏拉圭 加拿大已經(jīng)成為世界上醫(yī)用和娛樂(lè)大麻合法 化的國(guó)家 4 美國(guó) 2018 年通過(guò)了聯(lián)邦層面的工業(yè)大 麻合法化 截止到 2020 年底 美國(guó)娛樂(lè)大麻合法的 州和醫(yī)用合法化的州均已超過(guò)了 10 個(gè) 近年來(lái) 工 業(yè)大麻在全球范圍內(nèi)多國(guó)相繼合法化 韓國(guó) 英國(guó) 德 國(guó) 新加坡等國(guó)家陸續(xù)宣布可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè) 大麻 國(guó)家數(shù)量達(dá) 51 個(gè) 2 這些國(guó)家通過(guò)立法使與 大麻相關(guān)的吸食 持有 種植 生產(chǎn) 銷(xiāo)售或運(yùn)輸?shù)热?部或部分行為符合法律規(guī)定 行為人實(shí)施上述行為不 受任何形式的處罰 5 我國(guó)對(duì)工業(yè)大麻合法化持反 對(duì)態(tài)度 我國(guó)部分省份藥用工業(yè)大麻的種植加工合法 化正在穩(wěn)步推進(jìn) 2 1 工業(yè)大麻植物工廠栽培必要性和重要性 設(shè)施栽培對(duì)實(shí)現(xiàn)園藝作物 藥用植物周年生產(chǎn)發(fā) 揮著不可或缺的重要作用 與露地生產(chǎn)相比 設(shè)施栽 培不受氣候條件的制約 可實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)和規(guī)?；?產(chǎn) 可控性強(qiáng) 其中 尤以植物工廠栽培更具有發(fā)展 價(jià)值 是室內(nèi)栽培發(fā)展的最終模式 借鑒園藝作物植 物工廠生產(chǎn)的成功技術(shù)裝備模式 工業(yè)大麻植物工廠 栽培具有可行性且勢(shì)在必行 首先 發(fā)展植物工廠生 產(chǎn) 可規(guī)避自然條件的限制實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn) 迅速擴(kuò)大 生產(chǎn)規(guī)模 節(jié)省耕地資源 其次 可通過(guò)光照 溫度等 環(huán)境條件提高工業(yè)大麻生物量特別是花穗的產(chǎn)量 提 高花穗中 CBD 含量 而且 植物工廠栽培工業(yè)大麻生 產(chǎn)規(guī)模可控 便于監(jiān)管 擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)低 安全 更為重要 的是 工業(yè)大麻作為高附加值經(jīng)濟(jì)作物 實(shí)施植物工 廠生產(chǎn)可以盈利 從經(jīng)濟(jì)角度是可行的 2 工業(yè)大麻植物工廠栽培電光源應(yīng)用現(xiàn)狀 工業(yè)大麻是比較適宜在室內(nèi)栽培或植物工廠生 產(chǎn)的植物 荷蘭和比利時(shí)是歐洲最大的室內(nèi)大麻生產(chǎn) 國(guó) 6 與自然光照條件相比 植物工廠整體光照水 平均相對(duì)較弱 弱光寡照的情況較為嚴(yán)重 光環(huán)境調(diào) 控至關(guān)重要 7 因此 人工補(bǔ)光或光環(huán)境調(diào)控是本 質(zhì)技術(shù)需求 迫切需要基于工業(yè)大麻的生物學(xué)特征進(jìn) 行專用發(fā)光二極管 LED 生長(zhǎng)燈及環(huán)境控制系統(tǒng)的 研發(fā) 白熾燈 熒光燈 高壓鈉 HPS 燈和 LED 光源 都曾經(jīng)用于大麻生產(chǎn) 8 其中 熒光燈和 HPS 燈主 要用于工業(yè)大麻的幼苗扦插和開(kāi)花階段 而營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng) 階段金屬鹵化物燈 HPS 燈 LED 及多種燈的組合均 被報(bào)道過(guò) 9 10 當(dāng)前 用于植物工廠光環(huán)境調(diào)控的 主要光源是高壓鈉燈和 LED 燈 前者用于自然光植 物工廠補(bǔ)光 后者用于人工光植物工廠照明 LED 光源因其具有高光效 節(jié)能 體積小 冷光源 使用壽 命長(zhǎng)和環(huán)保等優(yōu)良光電特性 是目前設(shè)施園藝補(bǔ)光與 人工光栽培的理想光源 11 目前 國(guó)際上工業(yè)大麻 室內(nèi)栽培主要電光源是高壓鈉燈和 LED 近 5 年后者 研發(fā)在國(guó)內(nèi)外明顯加速 這得益于國(guó)際上工業(yè)大麻合 法化進(jìn)程加快和 CBD 產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的擴(kuò)增 與高壓鈉燈 相比 LED 燈具有自由移動(dòng) 窄光譜幅度 低能耗 長(zhǎng) 壽命和冷光源 使得 LED 光源在室內(nèi)種植中更受歡 迎 上述屬性也使得 LED 可通過(guò)為每種作物設(shè)置光 譜范圍 準(zhǔn)確調(diào)控光譜質(zhì)量和光強(qiáng)來(lái)控制特殊作物 3 工業(yè)大麻植物工廠栽培 LED 照明系統(tǒng) 研發(fā)前景 國(guó)內(nèi)外工業(yè)大麻植物工廠栽培生產(chǎn)是大勢(shì)所趨 對(duì)植物工廠技術(shù)裝備尤其是 LED 照明系統(tǒng)的需求十 分迫切 市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大 盈利空間巨大 抓緊布 局植物工廠工業(yè)大麻生產(chǎn)專用 LED 照明系統(tǒng)研發(fā) 推出額定功率適宜 光譜高效且可調(diào)控 空間光照合 理的 LED 照明系統(tǒng)非常必要和迫切 然而 工業(yè)大 麻 LED 生長(zhǎng)燈的研發(fā)是國(guó)內(nèi)植物照明產(chǎn)學(xué)研界共同 面臨的新課題 在我國(guó)對(duì)工業(yè)大麻相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)研究 20 中 國(guó) 照 明 電 器 2021 年 嚴(yán)格限制的情況下 有必要借鑒和采納植物工廠葉菜 等園藝作物 LED 生長(zhǎng)燈的設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn) 但不能 照抄 而且 要積極通過(guò)工業(yè)大麻合法種植的國(guó)家及 其地區(qū)的科學(xué)家和企業(yè)進(jìn)行合作 燈具研發(fā)與燈具效 果驗(yàn)證實(shí)施地域分離 共同推進(jìn)我國(guó)工業(yè)大麻生長(zhǎng)燈 的產(chǎn)業(yè)發(fā)展 培育 LED 半導(dǎo)體照明新的外貿(mào)增長(zhǎng)點(diǎn) 迄今 我國(guó)涌現(xiàn)出了眾多大麻 LED 生長(zhǎng)燈生產(chǎn)企業(yè) 設(shè)計(jì)出了多款燈具 出口規(guī)模逐年增加 比如 深圳 市華冠光電科技有限公司 北京金晟達(dá)生物電子科技 有限公司等 4 工業(yè)大麻植物工廠栽培 LED 照明系統(tǒng) 設(shè)計(jì)原則 理想的燈具應(yīng)該是符合工業(yè)大麻各生育期光環(huán) 境的需求 包括光強(qiáng) 光質(zhì)和光周期 并具有自動(dòng)調(diào)控 功能 工業(yè)大麻生產(chǎn) LED 照明系統(tǒng)有別于植物工廠 葉菜生產(chǎn) 研發(fā)原則和使用方式有所不同 首先 按 照自然光植物工廠 LED 補(bǔ)光燈和人工光植物工廠 LED 照明系統(tǒng)兩類來(lái)設(shè)計(jì)研發(fā)工業(yè)大麻 LED 燈 自 然光植物工廠 LED 補(bǔ)光燈主要起輔助和應(yīng)急補(bǔ)光功 能 彌補(bǔ)太陽(yáng)光在光強(qiáng)和光譜上的不足 實(shí)現(xiàn)工業(yè)大 麻的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 所以 LED 補(bǔ)光燈的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)放 在光譜設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制功能上 以保障弱光寡照脅迫 發(fā)生時(shí)工業(yè)大麻的正常生長(zhǎng)所需光照 節(jié)能高效地利 用接續(xù)的太陽(yáng)光照 其次 工業(yè)大麻 LED 照明系統(tǒng) 研發(fā)應(yīng)充分考慮工業(yè)大麻的品種特性 在光強(qiáng) 光質(zhì) 和光周期控制上依據(jù)品種特殊性進(jìn)行設(shè)計(jì) 人工光 植物工廠 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)基于工業(yè)大麻特 定品種的生物學(xué)和生理學(xué)特性 從育苗和定植栽培兩 個(gè)階段去設(shè)計(jì) LED 燈 充分滿足工業(yè)大麻苗期 營(yíng)養(yǎng) 生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期的光環(huán)境需求 并與其他生長(zhǎng)因 素相互耦合 增產(chǎn)增質(zhì) 最后 LED 照明系統(tǒng)應(yīng)充分 考慮植物工廠栽培空間特點(diǎn) 靈活進(jìn)行燈具外形設(shè) 計(jì) 光學(xué)設(shè)計(jì) 可通過(guò)折疊 收縮 旋轉(zhuǎn)等方式調(diào)控空 間占用和光照面大小 最大程度提高空間利用效率 使得光效達(dá)到最優(yōu)水平 工業(yè)大麻株高 1 2 m 左 右 冠層縱深大 可以充分考慮頂端 冠層照射的光 照方式 提高效益 5 結(jié) 語(yǔ) 隨著更多國(guó)家工業(yè)大麻合法化進(jìn)程的推進(jìn) CBD 產(chǎn)品需求將急劇增加 工業(yè)大麻種植效率提升將至關(guān) 重要 因此 工業(yè)大麻植物工廠栽培規(guī)模化生產(chǎn)勢(shì)在 必行 LED 照明系統(tǒng)研發(fā)迫在眉睫 必須推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研 合作 夯實(shí)工業(yè)大麻植物工廠 LED 照明系統(tǒng)的研發(fā) 基礎(chǔ) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 推出光電效率 生物光效 空間效率 較高的 LED 照明產(chǎn)品 以滿足國(guó)際市場(chǎng)的生產(chǎn)需求 然而 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)大麻生物學(xué)和生理學(xué)特征及 其品種間差異研究報(bào)道非常少 尚未形成完整的科學(xué) 支撐 因此 在 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要借鑒園藝作 物經(jīng)驗(yàn) 更要兼顧生物學(xué)特性和技術(shù)的前瞻性 參 考 文 獻(xiàn) 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 陳珊宇 陳洵熙 等 藥用大麻在健康產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用價(jià)值 及浙江發(fā)展對(duì)策 J 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 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 羅羚尹 大麻合法化之國(guó)際趨勢(shì)與爭(zhēng)議 J 中國(guó)藥物濫用防 治雜志 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 劉文科 查凌雁 植物工廠植物光質(zhì)生理及其調(diào)控 M 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)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