基質(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻扦插苗生長及產(chǎn)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(xù)延國，王曉慧?

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林長春 130033；(2.扶余市永平鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心，吉林永平 131213)

工業(yè)大麻(CannbissativaL.)是指植株群體花期頂部葉片及花穗干物質(zhì)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(yè)大麻研究的不斷深入，其巨大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益不斷被發(fā)掘，特別是工業(yè)大麻花葉中提取的大麻酚類物質(zhì)及其他次生代謝物，在人類醫(yī)藥健康和美容保健領(lǐng)域展現(xiàn)出不可限量的應(yīng)用前景[5－6]。近年來，國外工業(yè)大麻研究發(fā)展迅猛，我國由于產(chǎn)業(yè)政策等方面因素[7]，工業(yè)大麻的科學研究剛剛起步，一些制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題亟待解決。目前，工業(yè)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(jié)實，產(chǎn)量和質(zhì)量較差。為了減少外界環(huán)境條件的限制，提升工業(yè)大麻花葉的CBD 含量，實現(xiàn)周年種植，采用室內(nèi)無土栽培或者植物工廠種植是未來生產(chǎn)工業(yè)大麻的重要方向。

溫室種植條件下，栽培基質(zhì)和培養(yǎng)液是影響工業(yè)大麻生長發(fā)育的重要因素?；|(zhì)是植株根部呼吸通暢的決定因子，營養(yǎng)液是無土栽培中植株獲得養(yǎng)分的介質(zhì)，基質(zhì)和營養(yǎng)液配合使用既能節(jié)水省肥和增產(chǎn)提質(zhì)，又能提高農(nóng)業(yè)廢棄物資的利用率，成本低且易推廣[8]。基質(zhì)栽培作為室內(nèi)無土栽培中應(yīng)用最為廣泛的一種類型，基質(zhì)和營養(yǎng)液的供給是否適宜是決定基質(zhì)栽培成敗的關(guān)鍵，營養(yǎng)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(nèi)外對基質(zhì)和營養(yǎng)液進行了大量研究，但是多針對室內(nèi)蔬菜種植和工業(yè)大麻苗期進行研究。Adediran[12]認為，25%～50%堆肥混合標準生長基質(zhì)(Hygromix)是較好的萵苣生長基質(zhì)。韋秀葉等[13]研究發(fā)現(xiàn)，1/4Z 和1/8Z 為工業(yè)大麻幼苗水培較適宜的營養(yǎng)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(yè)大麻扦插苗生長的基質(zhì)條件。但是，對于工業(yè)大麻基質(zhì)和營養(yǎng)液耦合與工業(yè)大麻全生育期生長關(guān)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(zhì)，研究栽培基質(zhì)和營養(yǎng)液耦合對基質(zhì)溫濕度、工業(yè)大麻生長發(fā)育、物質(zhì)積累分配及產(chǎn)量的影響，以期為工業(yè)大麻室內(nèi)基質(zhì)栽培提供參考依據(jù)。

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(nóng)業(yè)博覽園(125.32°E，43.88°N)溫室大棚內(nèi)進行，供試材料為“先麻1 號”(吉林省農(nóng)業(yè)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(yǎng)塊內(nèi)，在恒溫恒濕的溫室內(nèi)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(zhì)中，每天定時澆灌不同配方的營養(yǎng)液。

1.2 試驗設(shè)計

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

表1 營養(yǎng)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(fā)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(yè)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(zhì)積累量，并計算各部分的干物質(zhì)分配比例和根冠比。

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

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

根冠比＝地下部鮮重/地上部鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 進行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 22.0 進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻產(chǎn)量的影響

由圖1 可知，Z4M1 的花葉產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)處理中，泥炭(Z1)基質(zhì)的工業(yè)大麻花葉產(chǎn)量最低，除Z4M2 外，珍珠巖(Z3)和椰糠(Z4)基質(zhì)的工業(yè)大麻產(chǎn)量較高。

圖1 基質(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻花葉產(chǎn)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(zhì)與營養(yǎng)液耦合對基質(zhì)溫濕度的影響

由圖2 可知，營養(yǎng)液和基質(zhì)耦合條件下，基質(zhì)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(yǎng)液用量條件下，基質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)與營養(yǎng)液耦合對基質(zhì)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(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻株高和莖粗的影響

株高和莖粗是作物生長的形態(tài)指標，能夠最直觀反映出作物的生長趨勢和營養(yǎng)吸收狀況。由圖3 可知，營養(yǎng)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(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)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(xiàn)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(yǎng)液與基質(zhì)耦合對工業(yè)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(chǎn)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(xiàn)相同的變化趨勢，營養(yǎng)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(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻干物質(zhì)積累量的影響

干物質(zhì)積累是衡量植物有機物積累、營養(yǎng)成分多寡的重要指標。如表2所示，營養(yǎng)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(zhì)積累量最低，莖稈的干物質(zhì)積累量次之，葉片的干物質(zhì)積累量最高。Z1M1 的根、莖、葉干物質(zhì)積累量均最低，Z3M1 的根系干物質(zhì)積累量最高，Z1M2 的莖稈干物質(zhì)積累量最高，而Z3M3 的葉片干物質(zhì)積累量最高。

表2 不同處理的干物質(zhì)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(zhì)積累量最低，莖稈的干物質(zhì)積累量次之，葉片的干物質(zhì)積累量最高。根系的干物質(zhì)積累量為Z1M1 最低，Z3M3 最高；莖稈的干物質(zhì)積累量為Z2M3 最低，Z4M1 最高；葉片的干物質(zhì)積累量為Z1M1 最低，Z4M1 最高。營養(yǎng)生長期至成熟期的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量為Z1M2 最低，Z4M1 最高。

2.6 基質(zhì)與營養(yǎng)液耦合對工業(yè)大麻干物質(zhì)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(zhì)積累速率均大于開花前。開花前，Z4M1 的干物質(zhì)積累速率最高，比積累速率最低的Z1M1 高69.8%。Z4M1 的干物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(yǎng)生長期和成熟期各器官的干物質(zhì)分配比例均表現(xiàn)為葉>莖>根。營養(yǎng)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(yǎng)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(zhì)分配比例逐漸增加。

圖6 營養(yǎng)生長期和成熟期各部位干物質(zhì)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(guān)分析

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

表3 成熟期工業(yè)大麻產(chǎn)量與各指標的相關(guān)性Table 3 Correlation of industrial hemp yield and other index at mature period

3 討論與結(jié)論

基質(zhì)是無土栽培條件下植物生長的基礎(chǔ)，選擇合適的基質(zhì)是進行無土栽培的重要條件[16]。栽培基質(zhì)的主要功能是固定植物，基質(zhì)的理化性質(zhì)決定著基質(zhì)的水分、養(yǎng)分吸收性能和空氣含量。不同栽培基質(zhì)物理性質(zhì)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(yǎng)分的吸收運輸能力，也會影響植物根系的生長發(fā)育[17]。本試驗研究了4 種基質(zhì)的溫濕度變化及其與工業(yè)大麻生長的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，各基質(zhì)的溫度變化無顯著差異，但是基質(zhì)的濕度為泥炭>椰糠>珍珠巖>巖棉，各基質(zhì)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(zhì)的研究也發(fā)現(xiàn)，草炭和椰糠的抗旱能力優(yōu)于蛭石和珍珠巖。本研究對工業(yè)大麻花葉產(chǎn)量的測定發(fā)現(xiàn)，泥炭(Z1)基質(zhì)的工業(yè)大麻產(chǎn)量最低，珍珠巖(Z3)和椰糠(Z4)基質(zhì)的工業(yè)大麻產(chǎn)量較高，說明本試驗中泥炭和巖棉的濕度不適合工業(yè)大麻的室內(nèi)無土栽培。工業(yè)大麻基質(zhì)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(yǎng)液配方的研究對于無土栽培至關(guān)重要，無土栽培植物生長所需的養(yǎng)分和水分大部分由營養(yǎng)液提供，不同營養(yǎng)液配方會直接影響作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[19－21]。營養(yǎng)液配方對植株的影響首先表現(xiàn)在植株長勢方面，株高、莖粗、植株干鮮重是衡量植株形態(tài)好壞的幾個重要指標。黃枝[22]研究表明，不同營養(yǎng)液配方下絲瓜幼苗生長狀態(tài)有一定差異，山崎配方可有效促進絲瓜幼苗的生長發(fā)育。呂炯璋等[23]探討不同營養(yǎng)液配方對番茄幼苗生長的影響，發(fā)現(xiàn)標準濃度營養(yǎng)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(yǎng)液1 處理(Z4M1)的工業(yè)大麻花葉產(chǎn)量、莖粗、干重、開花前后的干物質(zhì)積累速率均最高，說明椰糠＋營養(yǎng)液1 為工業(yè)大麻溫室栽培的最適基質(zhì)和營養(yǎng)液組合。試驗發(fā)現(xiàn):營養(yǎng)生長期，椰糠＋營養(yǎng)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(yǎng)液1 處理的株高、莖粗和產(chǎn)量顯著高于其他處理。說明隨著生長時間的延長，基質(zhì)和營養(yǎng)液對植株形態(tài)性狀影響的差異越來越明顯。整個生育期間，椰糠＋營養(yǎng)液1 處理的葉綠素含量和葉片含氮量并未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可能和日光溫室內(nèi)的光照強度有關(guān)，具體原因有待進一步研究。

本研究表明，工業(yè)大麻花葉產(chǎn)量與根系干物質(zhì)積累量、莖稈干物質(zhì)積累量、整株干物質(zhì)積累量、株高、莖粗和分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)。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(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。曹焜等[25]研究發(fā)現(xiàn)，株高是影響工業(yè)大麻原莖產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀。所以，可以將株高、莖粗、干物重等簡單的形態(tài)指標作為工業(yè)大麻產(chǎn)量的判斷依據(jù)。

通過本試驗發(fā)現(xiàn)，椰糠＋營養(yǎng)液1 耦合為最適合溫室生長工業(yè)大麻的基質(zhì)和營養(yǎng)液組合。同時，在生育后期可以通過增加工業(yè)大麻植株干物質(zhì)積累量、葉綠素含量、葉片含氮量、株高、莖粗和分枝數(shù)來提升工業(yè)大麻產(chǎn)量。