总结
2014年美国农业法案实施后，工业大麻受到了生产商的全国关注，该法案认识到大麻作为潜在商业作物的重要性。 法律地位的变化促使包括宾夕法尼亚州在内的美国许多州将中耕作物面积转为大麻。 然而，有关大麻品种、肥料管理等农艺实践以及再生有机系统生产方法的信息很少。 研究结果表明，林地的建立至关重要，尤其是免耕实践。 在没有任何杂草控制措施的情况下使用免耕策略可能不利于大麻林的建立。 施氮量高达 150 kg ha-1 可以增加纤维和种子产量。 豆科覆盖作物可以在不补充施肥的情况下为大麻提供足够的氮，包括毛豌豆和冬豌豆在内的处理中氮含量相似的产量表明。 尽管免耕覆盖作物处理中的大麻密度较低，但每茎的韧皮纤维产量显着增加了总纤维产量，使其与传统耕作处理相当。 这表明覆盖作物可以被视为对大麻生产的积极投资。 虽然 Santhica-27 是为了生产纤维而种植的，但该品种的种子产量与种子品种 Earlina 8FC 相当。 结果表明，这两种大麻类型最适合美国东北部的传统耕作系统。一旦完全建立，大麻就会产生无法穿透阳光的厚厚的树冠。 这可以抑制杂草，这是有机生产的一个主要考虑因素。 我们仅观察常规耕作下大麻的杂草抑制效果。 大麻收获后形成的无杂草表面有利于种植小麦和大麦等小粒作物。 总体而言，种子和纤维大麻品种可能都不适合免耕有机生产，如果不存在覆盖作物，则可以通过补充氮来提高产量。
1.工业大麻
工业大麻是大麻的一种，经美国农业部指定，该植物任何部分（包括种子及其所有衍生物）的四氢大麻酚 (THC) 浓度均低于 0.3%。 这与医用或娱乐大麻不同，后者含有超过 0.3% 的 THC。 持有大麻许可证不得生产医用或娱乐大麻。
从形态上来说，它是一年生作物。 它在不同的植物上开雄花和雌花（雌雄异体），最高可达 6 m。 大麻茎直立、中空、细长。 另一个值得注意的特征是其掌状叶结构。 主要化合物如萜类化合物和大麻素是在花序中生物合成的。 该作物对光周期敏感，通常是短日照植物。 在当前气候变化的背景下，大麻对二氧化碳和温度升高的反应良好，并且是一种节水作物。
2. 历史和用途
从历史上看，大麻的使用可以追溯到旧石器时代的中国，大约 50,000 万年前，大麻纤维就被纺成可用的线。 据信，它在 16 世纪被带到欧洲用于生产种子和纤维（USDA-ERS，2019）。 1545 年，智利也记录了纤维大麻。从那里，它被带到美国东北部进行种植，并最终传播到弗吉尼亚州 (1775 年)，并在 1840 年至 1860 年间传播到肯塔基州、密苏里州、堪萨斯州和伊利诺伊州等其他州 (USDA-ERS ，2019）。 大麻主要用于为美国海军制作帆布
1937 年美国国会通过《大麻税法》后，大麻种植量减少到零，直到 1958 年。此外，1970 年的《受控物质法案》限制所有大麻类型的种植，直到 2014 年。2014 年美国农业法案承认大麻的重要性后，作为一种潜在的商业作物，大麻产业开始从昏迷中复苏（Cherney 和 Small，2016）。 2018 年《大麻种植法》合法地将工业大麻从“附表 1”受控物质类别中删除，并允许该作物作为经济作物种植。 因此，用于大麻生产的英亩数从 2013 年的零扩大到 90,000 年的 2018 英亩（Mark 等人，2020）。
大麻植物的几乎所有部分都可用于工业用途（图 1）。 秸秆和种子被认为是主要的商业商品。 茎包含称为“韧皮纤维”的外树皮或韧皮部和称为“硬皮”的内部木质核心。 麻纤维可用于纺织工业中的服装、鞋子、手袋和尿布，以及建筑、纸张、垫子、绳索、绝缘材料和增强材料等应用。 Hurd 是盆栽混合物、堆肥、水培填料、动物垫料、覆盖物、吸收性产品、大麻混凝土、纤维板的优质成分，并具有数百种其他用途。 大麻籽可提取油，用于烹饪、美容产品、润滑剂、油漆、燃料和清漆，而整个仁可用于食用面粉、啤酒、动物饲料、烘焙食品和乳制品。 大麻叶可用于制作堆肥和动物垫料。 大麻通过在土壤中添加有机物和固碳、保护土壤免受侵蚀以及保护森林和水等自然资源来间接提供生态系统服务。
3. 有机大麻的现场实践
有机农业不允许使用合成化学品。 幸运的是，大麻比玉米和大豆等其他中耕作物需要更少的合成化学品。 种植者可以从库存中取消除草剂和其他昂贵的杂草控制措施，因为大麻是一种更光滑的作物，可以迅速产生茂密的树冠来抑制杂草。 这使其成为有机生产的完美选择。 成功生产大麻的关键考虑因素是选择合适的大麻品种、种植方法、肥料管理、病虫害防治、收获、沤制、加工（可选）、市场机会和作物轮作。
4. 气候和土壤
大麻适应 pH 值在 6.0 至 7.5 之间的排水良好的土壤（威斯康星大学扩展分校，2020 年）。 土壤湿度对于优质纤维至关重要，因为茎干水分含量会影响脱皮（pers. comm. Ken Meyer）。 大麻喜欢温和的亚热带气候，发芽温度高于 45°F，生长温度高于 65°F。 如果不进行灌溉，年降雨量至少为 635 至 890 毫米（25 至 35 英寸）。 大麻是一种嗜日作物，这意味着每天必须有超过 6 小时的阳光照射（Univ. Wisc. Extension，2020）。
5.了解生长类型
市场上有数百种大麻品种，这些品种是在美国培育用于纤维或种子生产的。为您的农场运营选择合适的品种至关重要。 它还取决于您所在领域的环境和肥力水平。 例如，种子型大麻通常比纤维型大麻需要更少的氮 (N) 和更长的生长期天数。 在选择品种之前还应考虑市场机会和加工设施的可用性。
6. 种植大麻
尚未开发或现成专门用于大麻种植的种植器。 大麻种植的一种常见方法是使用高粱种植，因为它的种子大小与大麻相似。 同样，可以使用广播播种机进行播种。 耕作是准备种植田地的传统方法。 为了正确发芽，请通过初级（犁刀或凿犁）和二次耕作（圆盘或旋耕机）操作准备良好的苗床。 建议在播种前平整土壤表面。 在东北地区，纤维麻可在4月中旬至75月中旬种植，种子麻可在35月上旬至7.5月上旬种植。 纤维大麻的播种量通常大于种子品种，因为它可以密集种植。 图 XNUMX 显示了纤维大麻和种子大麻类型分别以 XNUMX 磅/英亩和 XNUMX 磅/英亩的播种量实现的种植密度。 种子大麻可能需要更宽的行距才能最大限度地提高种子产量（> XNUMX 英寸），而纤维大麻可以以更窄的行距生长。
表 1. 纤维和种子大麻类型的种植信息。
与宾夕法尼亚州库茨敦的耕作系统 (CT) 相比，免耕 (NT) 大麻并不成功（图 4）。 无论系统中是否有覆盖作物，NT 中的种子和纤维立密度均显着低于 CT 中。 这可以归因于严重的杂草压力和大麻幼苗无法穿透的厚表面残留物。 关于免耕有机大麻生产缺乏额外的研究和有限的信息仍然是一个挑战。
7.肥料管理
典型土壤中大麻的养分需求应通过土壤测试来确定。 对于种子和纤维型大麻，氮磷钾的建议可能有所不同，具体取决于作物吸收的总氮量。 大麻对补充肥料反应良好，并且可以通过增加氮剂量来增加生物量和种子产量（图 5）。 宾夕法尼亚州库茨敦的研究表明，豆科覆盖作物（如毛豌豆和冬豌豆）可以为大麻提供所需的所有氮，从而无需外部氮源。如果没有覆盖作物，基施氮量为每公顷 100 和 150 公斤种子大麻和纤维大麻的 –1 分别是生长和生物量生产的最佳值（图 6）。 磷肥和钾肥施用量分别为 30-40 和 20-30 kg ha–1，以实现营养均衡。 血粉（13:1:0.6 NPK）和堆肥（2:0.5-1:2 NPK）是优良的有机肥料。 施肥可能对免耕大麻无效，因为种子和纤维品种都对施氮没有反应（图 6）。 这主要是由于林分密度低（第 6 节）。 如果杂草占主导地位，则可能会受益于施氮肥。
8. 杂草管理
杂草是有机种植者最关心的问题。 对于免耕生产者来说，在作物生长早期管理杂草极具挑战性。 大麻生物量（包括茎和种子）会随着杂草压力的增加而下降（图 7a）。 相反，大麻可以用作更光滑的作物，因为它可以显着减少杂草生物量，特别是阔叶杂草（图7b）。 4 Mg ha–1 或以上的大麻生物量可以有效抑制杂草，如在耕作条件下所见，但如果大麻生物量产量未达到该水平，杂草可能会出现问题。 在常规耕作处理中，无论施氮水平如何，杂草生物量均显着低于免耕处理（图8）。 这表明耕作对于大麻种植（第 6 节）和随后的杂草抑制很重要。 由于大麻具有很高的杂草抑制潜力，因此在轮作中加入大麻可能会耗尽土壤中的杂草种子库。 小麦、燕麦、大麦、荞麦和小黑麦等小粒谷物作物可以从与大麻轮作的低杂草种子库中受益。
虫害管理
昆虫和螨害虫会极大地影响不同类型农业生态系统中工业大麻的产量和质量。 欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）、科罗拉多玉米螟（Helicoverpa zea）、欧亚大麻螟（Grapholita delineana）、蓟马、大麻蚜虫（Phorodonanna）、蚱蜢、日本甲虫（Popillia japonica）、叶蝉（例如Graphocephala versuta和Agallia constricta）、失去光泽的植物蝽（Lygus lineolaris）、红肩臭虫（Thyanta custator）、大麻赤螨（Aculops cannabicola）和叶螨（Tetranychus spp.）是美国最具破坏性的大麻害虫（Cranshaw et al等，2019）。 害虫以茎和叶为食并传播微生物疾病，限制了大麻田的生产力。 由于不允许在大麻中使用注册农药，随着大麻产量的扩大，种植者可能需要有关结合了文化、机械、化学和生物策略的最有效的综合害虫管理（IPM）方法的信息。
增强农业生物多样性以支持有益昆虫和天敌的数量，以及使用诱捕作物，都是病虫害综合治理技术的一些例子。 大麻本身就支持着一大群天敌物种。 大麻与其他大田作物间作也可能会增加天敌的数量。 轮作和使用适当的种植密度和肥料剂量是提高植物耐受性和害虫抵抗力的文化策略。 杂草管理至关重要，因为杂草含有害虫和疾病。 登记用于有机农业的生物防治剂和生物农药可用于防治害虫。
收获和收获后处理
纤维大麻通常需要 50 至 70 天才能收获茎秆，种子大麻则需要 90 天以上才能成熟，但这个数字还取决于生长季节的土壤湿度和温度。 干旱可能会引发早熟，并导致大麻植物从营养阶段转变为生殖阶段。 对于纤维生产，植物的收获应不晚于早期结籽阶段。 确保植物在收获时不缺水，以利于沤制。 两到三层镰刀杆割草机可有效切割又粗又高的秸秆，并可进行田间沤制。 对于种子生产，应在 70% 以上的种子成熟并开始破碎时收获种子头。 收获时谷物的含水量应为18％至25％左右。 种植矮矮品种可以有效地使用联合收割机收割谷物。 较高的品种可能会产生问题，因为它们的茎可能会被收割机包裹起来。 延迟收获可能会增加破碎，导致产量损失和秋季自生大麻的出苗。 收获的种子应脱水至 15% 或更低以便储存。
沤制是一种微生物过程，可破坏韧皮纤维（整个树皮）和果皮（木芯）之间的化学键并允许纤维提取。 露水或田间沤制是一种廉价且简单的沤制大麻茎的方法。 使用镰刀杆割草机割草后，在开放环境中进行田间沤制需要长达五周的时间。 留下6英寸高的麻茬有助于保持土壤表面和料堆之间的空气间隙，以防止真菌生长并促进干燥。 建议将料堆耙几次以除去树叶材料。 一旦大麻准备好收集，就可以将其包装成方形或圆形包并运输到加工设施。 在一个称为“打棉”或“去皮”的过程中，经过适当沤制的大麻秆会在有槽纹的滚筒之间通过，从而将麻秆打碎成碎片并将其与纤维分离。 全国各地有多家脱壳机工厂，处理能力超过 1 MT hr–1。
产量
我们发现免耕覆盖作物处理（NTCC）比任何传统耕作处理（传统耕作、覆盖作物、CTCC；常规耕作、免覆盖作物、CTNC）具有更粗的纤维大麻秆，具有更多的纤维和草秆，并且免耕休耕（NTNC）（图9a）。 NTCC 更高的植物生产力增加了韧皮纤维和麦草产量，使其与 CT 处理相当（图 9b）。 常规耕作下的韧皮纤维产量为 2.1 MT ha-1，免耕系统下的韧皮纤维产量为 0.86 MT ha-1。 施氮量影响 CTNC 下的韧皮纤维和禾本科产量，但不影响免耕和覆盖作物系统下的产量（图 10）。 在 CTNC 系统下，可通过 150 kg M ha–1 最大程度地提高草皮和纤维产量。 然而，产量的变异性明显高于较低施用率下的变异性（图10）。
尽管 Santhica-27 以生产纤维而闻名，但该品种的种子产量与典型种子型品种（Earlina 8FC）的产量相当（图 11a）。 耕作影响种子产量，与免耕系统（724 kg ha-1）相比，传统耕作系统的产量更高（394 kg ha-1）。 较低的植物密度和较高的杂草压力影响免耕处理中的种子产量。 氮肥施用量的增加导致谷物产量增加（图 12），尤其是在 CTNC。 Santhica-27 对施氮的反应大于 Earlina 8FC，而免耕在生产谷物方面最有利于 Earlina 8FC（图 12）。
市场机会和经济
韧皮纤维和大麻籽有数百种潜在用途。 2021年，国家大麻协会（NHA）发布了一份关于美国大麻产业的经济影响的报告，该报告预计到32年对工业大麻的影响将达到2030 B美元。
截至 2023 年 300 月，种植者每吨纤维大麻原料的报酬最高为 11 美元，加工有机种子的报酬最高为每磅 74 美元。 虽然种子价格有有机溢价，但有机纤维大麻没有溢价。 NHA 一直在不断游说有机大麻的市场监管和溢价，以便在联邦和州层面减少价格和政策的流动性。 根据宾夕法尼亚州立大学推广和种植者协会报告的综合经济数据，纤维大麻的总成本回报范围在 1220 美元至 1 英亩 -550 之间，种子大麻的回报约为 1 英亩 -100 美元。 这些计算基于 XNUMX 英亩的经营面积。
尽管大麻有成为利润丰厚的经济作物的潜力，但在生产之前仍然很难找到销售渠道和具体的市场价格信息。 这主要是由于长期的法律斗争和不利的政府政策（见第2节）导致该作物非法，从而扰乱了供需链。 因此，种植者在开始大麻生产之前应考虑当地市场机会、法律、运输和投入成本以及农艺因素。
承认
这项研究得到了美国农业部 (USDA) 自然研究保护服务局宾夕法尼亚州保护创新补助金的支持。 我们要感谢来自技术和科学人员 Rodale Institute，在整个实验过程中提供研究设施和支持。
