摘要
工业大麻是四氢大麻酚（THC）含量低于 0.3% 的大麻品种，其花叶中的大麻二酚（CBD）广泛应用于新药研发、大健康和食品等行业。提高花叶产量是工业大麻产业亟需解决的问题。纳米材料由于具有独特的物理化学特性，在促进植物的生长、养分吸收以及光合作用等方面具有显著效果。为了提高工业大麻花叶产量，针对纳米纤维素在工业大麻上的施用效果开展针对性室内试验及田间试验，为纳米纤维素肥料的应用提供依据。结果表明：（1）纳米纤维素对工业大麻种子的萌发具有显著的促进作用，播种后萌发率平均提升 17.33%；（2）开花后在叶面喷施纳米纤维素，能够使花叶 CBD 含量提升 12.2%；（3）将纳米纤维素与农用复合肥组合施用，能有效延长土壤中氮、磷、钾释放周期并提高作物对以上元素的吸收利用效率，每公顷花叶产量可提升 15.6%，增产效果明显。
Abstract
Industrial hemp is a cannabis variety with tetrahydrocannabinol（THC）content below 0.3%，its flowers and leaves contain cannabidiol（CBD），which is widely used in the development of novel drugs，health products and the food industry. Increasing flower and leaf yield is a pressing challenge in the industrial hemp industry. Nanomaterials，due to their unique physicochemical properties，have demonstrated significant effects on promoting plant growth，nutrient absorption，and photosynthesis. To enhance flower and leaf yield in industrial hemp，this study investigated the effects of applying nanocellulose through targeted indoor and field experiments，providing a basis for the application of nanocellulose fertilizers. The results indicated the following：（1）Nanocellulose，when applied as a basal fertilizer，had a significant promoting effect on the germination of industrial hemp seeds，with an average increase of 17.33% in germination rate； （2）Foliar application of nanocellulose after flowering increased the cannabinoid content in flowers and leaves by 12.2%； （3）Combined application of nanocellulose and agricultural compound fertilizers effectively prolonged the release period of nitrogen，phosphorus，and potassium in the soil and enhanced the absorption and utilization efficiency of these elements by crops，and the combined application increased the yield of flowers and leaves by 15.6%，demonstrating a significant yield-increasing effect.
Keywords
工业大麻是指大麻素四氢大麻酚（THC）含量低于 0.3% 的大麻品种，是人类最早驯化的作物之一[1]。工业大麻的茎秆、籽粒及花叶广泛应用于大健康、医药、食品、纺织、生物工程材料、造纸等行业[2]。该作物花叶中特有的大麻二酚 （CBD）具有抗炎、镇痛、抗痉挛等多种功效，在医药、美容、保健等领域的应用前景广阔[3]。近年来，提取工业大麻花叶中的 CBD 应用于新药研发、大健康等领域已成为工业大麻产业发展的新增长点[4]。在栽培过程中，提高花叶产量是工业大麻产业急需解决的问题。高效肥料的应用是不可或缺的关键因素。由于我国工业大麻产业起步较晚，对这种作物的专用肥料产品及其施用技术方面的研究不足[5]。当前工业大麻在生长过程中对肥料营养元素吸收利用率较低，提高肥料施用量或施用次数并不能有效解决这一问题，还提高了农民生产成本[6-7]，且目前市场缺乏一款针对工业大麻的专用肥料。
纳米纤维素是由纤维素分子构成的纳米级颗粒，尺寸在 1～100 nm，主要通过物理裂解或生物发酵方法从木材、棉花、稻壳等天然植物纤维素的发酵或微生物分解得到[8]。因其具有优异的可再生性、生物相容性和力学性能等特点，近年来受到广泛关注[9-10]。基于其独特的物理和化学性质，纳米纤维素作为肥料缓释剂具有较高的应用潜力。纳米纤维素具有极高的比表面积，能够大量包裹和吸附肥料养分，通过其纳米级的三维网状结构，将养分固定在肥料颗粒内部或表面，从而减缓养分的释放速率[11]。并且改变其表面携带电荷组成或者纤维素厚度，还能调节肥料的释放时间，实现对肥料释放速率的精准控制[12-14]。
此外，纳米纤维素还具有优良的保水性能，能够调节土壤水分，保持土壤湿润，有助于肥料的溶解和养分的释放，同时促进作物根系的生长和养分的吸收[15-16]。以上研究成果为纳米纤维素复合肥料提高农作物对肥料和水的吸收利用率，提升作物的品质与产量提供了理论支持。
本试验以中大麻资 4 号为材料，开展针对性室内试验及田间试验，研究纳米纤维素对工业大麻生长发育、收获产量及肥料利用效率的影响，以期解决目前市场缺乏工业大麻专用肥料的问题，并为纳米纤维素在农业领域的应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
所选工业大麻品种为中大麻资 4 号（皖品鉴登记字第 2009001），该材料由中国农业科学院麻类研究所培育。该品种平均株高 3.14 m，CBD 含量 4.84%，THC 含量 0.22%，田间测定花叶平均产量 2556～2717 kg/hm2，是适合北方地区种植的抗病、优质、低毒的高 CBD 工业大麻品系，全生育期为 152 d，花叶成熟期为 136 d。
试验使用的纳米纤维素购自弘庆花菁汐生物科技有限公司，纤维直径在 5～40 nm，是由食用醋酸杆菌发酵而成，具有高结晶度、高持水量及三维纳米结构等特性。
1.2 试验设计
1.2.1 室内栽培工业大麻试验
室内栽培工业大麻萌发试验设置试验地点为湖南省长沙市中国农业科学院麻类研究所试验基地内，本试验采用 50 孔规格穴盘（口径 4.8 cm，穴深 4.8 cm），育苗基质体积配比为草炭土∶珍珠岩∶蛭石 =2∶1∶1，分为对照组和试验组。每组分别设置 100 穴，每穴 3 粒正常播种。对照组播种前浇水，试验组播种前在每穴中加入 15 mL 纳米纤维素稀释液（按照 1∶800 比例稀释）。室内栽培工业大麻叶面喷施试验设置对照组和 3 个试验组，每组 15 株重复，对照组开花后 1 周喷施清水，试验组 1 开花后 1 周喷施纳米纤维素叶面肥 1 次，试验组 2 开花后 1 周喷施纳米纤维素叶面肥 2 次（每次喷施间隔 1 周），试验组 3 开花后喷施纳米纤维素叶面肥 3 次（每次喷施间隔 1 周）。
1.2.2 田间试验
田间试验设置在吉林省龙井市犇福农场进行，选择平坦、肥力中等、具有代表性的区域，避开道路、堆肥场所等特殊地块。供试土壤为棕壤，土壤 pH 值为 8.15。土壤中的有机质含量为 18.12 g/kg，全氮含量为 0.92 g/kg，硝态氮含量为 15.63 mg/ kg，有效磷含量为 11.54 mg/kg，速效钾含量为 220 mg/kg。试验分为 4 个处理：处理 1 为对照组，播种前不施用肥料，处理 2～4 为试验组，处理 2 播种前施用农用复合肥，处理 3 播种前施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥，处理 4 播种前施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥，并在开花初期喷施纳米纤维素叶面肥 1 次。农用复合肥按照当地大田作物底肥施用方法使用双硫基复合肥（N∶P∶K=12∶18∶15），施用标准为 300 kg/hm2；纳米纤维素和农用复合肥混合底肥：施用方法为每公顷 300 kg 农用复合肥与 15 kg 纳米纤维素混合搅拌均匀后做底肥施用；纳米纤维素叶面肥：施用方法为将纳米纤维素与水按 1∶800 的比例混合后，于工业大麻开花初期直接喷洒在叶面，按 3750 mL/hm2 用量喷淋。每个处理 3 个重复，每个重复占用 1 个小区。小区长、宽均为 8 m，小区之间设 2 m 保护行，面积合计 960 m2。为了促进种子萌发，在播种当天浇 1 次苗期水，约 300 mL/ 穴。2021—2022 年连续在同一地块播种，播种行距 1 m，播种株距 0.5 m。2021 年 4 月 11 日播种，9 月 23 日收获；2022 年 5 月 1 日播种，10 月 7 日收获。2021 年工业大麻生长季内总降水量为 575～588 mm，2022 年为 565～579 mm。
1.3 测定指标
1.3.1 工业大麻产量、株高、茎粗及大麻素含量测定方法
在作物收获期，本试验对试验田内所有雌性大麻植株执行了全面收割作业，并将茎秆与花叶进行了细致分离，自然风干处理。利用千分之一电子天平分别对各小区内的花叶进行了重量称量，其平均值即为该处理的花叶产量。使用卷尺从每株大麻的茎基部至顶端进行测量，以确定株高；而茎粗则通过游标卡尺（精确至 0.01 cm）在茎秆 1/2 高度处测量主茎直径。
在室内室外试验的工业大麻收获过程中样本采集方法及指标设置相同，均为采集所有雌性大麻植株主茎顶部 15 cm 长的花穗样本（含叶片），并去除茎秆、籽实及其他非目标杂质。经自然干燥、粉碎及混合均匀后，随机抽取 100 g 样本，使用液相色谱法对其中的 CBD 和大麻萜酚（CBG） 含量进行定量分析。测定过程参照《工业大麻种子第一部分：品种》（NY/T3252.1—2018）中的相关方法，提取溶剂选用甲醇，同时流动相换为纯水。
1.3.2 氮、磷、钾土壤释放率及植物吸收率测定方法
为研究氮、磷、钾的田间释放特征，分别称取过筛后的农用复合肥（10 g）、农用复合肥（10 g）与纳米纤维素（0.5 g）混合物，装入 0.149 mm 尼龙纱网袋（孔径 150 μm）并扎紧，将 2 种处理的网袋均匀埋入工业大麻根系吸收区域 10～30 cm 土层中，从播种后 20 d 开始，每隔 10 d取出肥料网袋检测氮、磷、钾的田间释放率，每次取样 5 个，同时取出对应的植株样品，整个试验到 120 d（收获期）结束。采用硫酸-混合加速剂-蒸馏法结合凯氏定氮法测定土壤肥料释放和植物吸收氮元素的含量；采用硫酸-过氧化氢消煮法，将有机磷转化为正磷酸盐，再用钒钼黄比色法测定土壤肥料释放和植物吸收磷元素的含量；采用硝酸、高氯酸消煮释放钾元素，用火焰分光光度计测定土壤肥料释放和植物吸收钾元素的含量[17]。
1.4 数据处理
采用 Excel 2021 进行数据处理，采用 SPSS 27.0 进行统计分析，计算组间差异显著性。
2 结果与分析
2.1 室内栽培工业大麻萌发试验
通过穴盘萌发的方式，对纳米纤维素影响工业大麻种子萌发率的情况进行评估。对照组播种前浇水，试验组播种前将纳米纤维素与水混合后加入穴盘。播种后工业大麻种子萌发率如图1所示，播种后 5 d，对照组萌发率为 56%，试验组萌发率为 80%。播种后 7 d，对照组萌发率为 75%，试验组萌发率为 88%。结果显示，纳米纤维素对工业大麻萌发有显著促进作用，播种后 5 d 试验组萌发率较对照组提升 42.86%，播种后 7 d 试验组萌发率较对照组提升 17.33%。
图1不同处理对工业大麻种子萌发率的影响
注：* 表示同一调查时间内试验组与对照组间差异显著（P<0.05）。
2.2 室内栽培工业大麻叶面喷施试验
室内栽培工业大麻植株，试验组于开花后 1 周内对整株喷施纳米纤维素水溶液（开花后分别喷施 1、2、3 次），同时对照组喷施等量清水。收获时采集所有雌性大麻植株主茎顶部 15 cm 长的花穗烘干磨样，对大麻素 CBD 和 CBG 含量进行测定。开花后喷施纳米纤维素对工业大麻花头中大麻素含量有一定的促进作用。喷施纳米纤维素水溶液后，试验组 1、2、3 相比对照组花叶中 CBD 含量平均增加 9.9%，CBG 含量平均增加 9.1%，但是喷施次数增加并没有显著提高 CBD 和 CBG 含量 （表1）。
表1叶面喷施试验不同处理组大麻素含量
注：* 表示在 P=0.05 水平上差异显著，n=15；平均增长率为试验组 1、试验组 2、试验组 3 相对于对照组增长率的平均值。
2.3 田间试验
在工业大麻出苗 40 d 后观察 4 个处理，加入纳米纤维素和农用复合肥混合底肥的处理 3 和处理 4 植株生长较为健壮（图2、图3）。收获期处理 3 平均茎粗 5.42 cm，处理 4 平均茎粗 5.49 cm，显著高于处理 1 和处理 2（表2）。
收获时采集所有雌性大麻植株主茎顶部 15 cm 长的花穗烘干磨样，对大麻素 CBD 和 CBG 含量进行测定。处理 4 的花叶和处理 2 相比 CBD 含量提升效果最显著，为 5.81%，相对施用传统复合肥大麻素含量提高 9.0%，其他大麻素均有不同程度的升高（表2）。处理 3 和处理 4 对最终花叶产量有提升作用，处理 4 比施用复合肥每公顷多产 3135 kg 花叶，提高产量 15.6%。
图2工业大麻出苗 40 d 后田间生长情况
图3工业大麻开花后田间生长情况
注：左为纳米纤维素和农用复合肥混合底肥处理，右为农用复合肥处理。
田间条件下施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥能够促进工业大麻植株生长，增加其茎杆粗度，与不施用任何肥料相比每公顷花叶产量可提升 54.3%。收获后对花叶中大麻素测定结果显示，纳米纤维素对大麻素 CBD 含量有提升作用，且叶面喷施效果较好，CBD 含量提高 12.2%。相对处理 2，处理 4 也可使每公顷收获花叶产量增加 15.6%，大麻素 CBD 含量提升 9.1%。
2.4 氮、磷、钾释放率和吸收量
处理 2 与处理 3 的工业大麻氮、磷、钾释放率和吸收量明显不同。播种 20 d 后处理 2 根系吸收区域土层中氮、磷、钾元素释放率趋于完全释放，处理 3 在 20～120 d，氮、磷、钾元素总体释放率呈现逐渐递增的趋势。处理 2 和处理 3 的氮、磷、钾元素吸收量在生长期内都呈上升状态，但增长态势差异明显（图4、5、6）。
表2田间试验不同处理组大麻素含量及产量
注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）；n=3。
从图4可以看出，处理 3 在 20 d 的氮释放率为 51.9%，植株生长 40 d 以后逐渐放缓，120 d 时氮释放率为 89.7%。在植株生长 20 d，处理 2 和处理 3 的氮吸收量都为 0.32 g/ 株，在 30 d 时处理 2 的氮吸收量略高于处理 3（差值为 0.11 g/ 株），在 40 d 时处理 2 的氮吸收量增速有所下降，而处理 3 氮吸收量增速稳步上升，120 d 时处理 2 和处理 3 的氮吸收量分别为 3.79 和 4.97 g/ 株。
从图5可以看出，处理 3 在 20 d 的磷释放率为 32.7%，在 40～80 d 磷释放率增长较快，在 80～120 d 增长速度有所下降，120 d时磷释放率为 86.2%。在植株生长 20～30 d，处理 2 磷吸收量高于处理 3，在 40 d 几乎一致，从 40 d 开始，处理 3 磷吸收量增速明显高于处理 2。120 d 时处理 2 和处理 3 磷吸收量分别为 0.81 和 1.03 g/ 株。
图4施用农用复合肥（处理 2）与施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥（处理 3）的工业大麻各生育时期氮释放率和吸收量（2022 年工业大麻生长季）
图5施用农用复合肥（处理 2）与施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥（处理 3）的工业大麻各生育时期磷释放率和吸收量（2022 年工业大麻生长季）
图6施用农用复合肥（处理 2）与施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥（处理 3）的工业大麻各生育时期钾释放率和吸收量（2022 年工业大麻生长季）
从图6可以看出，处理 3 钾释放率从 20～50 d 增长较快，且 50 d 时达 59.7%，50～120 d 钾释放率增速减慢，120 d 钾释放率为 83.5%。在植株生长 20～30 d，处理 2 钾吸收量分别比处理 3 高 0.23 和 0.53 g/ 株，40 d 时处理 3 钾吸收量超过处理 2， 120 d 钾吸收量超过 0.70 g/ 株。
3 讨论
工业大麻是一种用途较为广泛的经济作物。在医药领域，大麻素 CBD 对癫痫治疗、慢性疼痛管理及抗焦虑领域具有显著治疗效果[18]；大麻籽富含高质量的蛋白质和多不饱和脂肪酸，有助于降低胆固醇水平并促进心脏健康，其加工产物已通过欧盟新型食品认证[19]；大麻纤维强度比棉花高8 倍，吸湿排湿性能优越，其种植需水量仅为棉花的 50%，每公顷碳吸收量达 15 t，被欧盟列为纺织业绿色转型的重点扶植作物[20]。联合国麻醉委员会 2020 年将 CBD 移出管制清单后，包括我国在内的全球 57 个国家修订工业大麻监管政策，预计到 2030 年全球工业大麻产业链价值将突破 1500 亿美元，形成跨行业的绿色经济新范式[21]。
纳米纤维素作为一种新型纳米材料，其独特的物理化学性质（如高生物相容性、比表面积、可降解性等）在农业领域具有广泛应用潜力。纳米纤维素的微孔结构具有高亲水性，能够显著提高种子的吸水性和渗透性，促进水分快速进入种子内部，从而加速吸胀过程并迅速恢复其代谢活性[22]。纳米纤维素的高比表面积和渗透性使其能够作为营养物质的有效载体促进种子对养分的吸收[23]。在本试验中，施用纳米纤维素和农用复合肥混合底肥能够对工业大麻种子萌发有显著促进作用，并可起到壮苗效果：播种后第 5 d，试验组工业大麻种子萌发率相较于对照萌发率提高 42.86%。播种后第 7 d，试验组萌发率相较于对照仍高出 17.33%。结果显示，纳米纤维素和农用复合肥混合底肥对工业大麻萌发有显著促进作用。
工业大麻生长中后期需肥较多，提高肥料利用效率、延长肥料释放时间是增产的关键[24]。有研究表明，纳米纤维素在作为增效肥料基质方面具有极大应用潜力，因为其表面的正、负电荷能对营养物质之间的静电相互作用有所改善，减少界面空隙和水的扩散，延缓养分释放，从而实现营养物质的可持续输送。这不仅实现了肥料的增效，还能节约肥料，降低肥料过剩对环境造成的污染[25]。本试验显示，纳米纤维素与农用复合肥混合后作为底肥同时在开花期喷施纳米纤维素叶面肥，对于促进工业大麻花叶产量提升效果较为明显。纳米纤维素能缓释底肥中的氮、磷、钾，并提高吸收量，增加其茎粗，与不施用任何肥料相比，每公顷花叶产量可提升 54.3%；相对仅施用农用复合肥的处理也可使每公顷收获花叶产量增加 15.6%，工业大麻植株健壮对于提高花叶中大麻素含量也有积极效果。
近年来，叶面喷施纳米纤维素被证实能够显著促进植物体内次生代谢产物尤其是酚类和萜类化合物的合成[26]。酚类和萜类化合物是大麻素合成途径各中间产物的主要组成成分，纳米纤维素能够通过激活次生代谢途径中的关键酶促进以上两种次生代谢产物的合成。例如，在酚类化合物合成途径中，纳米纤维素处理能够激活苯丙氨酸解氨酶和查尔酮合成酶的活性；在萜类化合物合成途径中，纳米纤维素处理能够激活萜类合成酶的活性[22，27]。此外，喷施叶面肥也是一种有效的辅助施肥措施，张晓艳等[28]发现，喷施叶面肥能够提高工业大麻的叶面积，促进其叶片的生长发育，提高干物质积累量从而增加产量。刘帅等[29]研究发现，在棉花苗期进行尿素配施叶面肥喷施，对棉花苗期干物质质量、茎粗、株高、单株叶面积的增长均有一定的促进作用。本研究中对叶面喷施纳米纤维素处理下的大麻素 CBD 和 CBG 含量进行测定。喷施后，工业大麻花头生长在试验组和对照组间并没有显著差异，但是试验组花叶中 CBD 含量平均增加 9.9%， CBG 含量平均增加 9.1%。对开花后的工业大麻喷施纳米纤维素叶面肥能提高花头中大麻素含量，且使得工业大麻植株生长更为健壮。
4 结论
纳米纤维素对工业大麻种子萌发有显著促进作用，播种后萌发率平均提升 17.33%，该底肥可起到壮苗效果；与仅施用复合肥相比，增加纳米纤维素底肥结合喷施纳米纤维素叶面肥使花叶 CBD 和 CBG 含量分别提升 9.0% 和 11.8%；纳米纤维素与农用复合肥组合能够促进工业大麻植株生长，增加工业大麻茎粗，能缓释肥料中的氮、磷、钾并提高吸收量，提升花叶产量，在原有施肥基础上，每公顷花叶产量可提升 15.6%，增产效果明显。本研究对纳米纤维素在工业大麻上的施用效果进行了室内和田间试验，为以后开发工业大麻专用肥料，推广纳米纤维素提供了依据。