Связь NPK с урожайностью каннабиса при беспочвенном выращивании

Публикуем развёрнутый перевод исследования Университета Гвельфа (Канада), которое посвящено влиянию азота, фосфора и калия на урожайность соцветий каннабиса и концентрацию каннабиноидов. 

Ключевые выводы:

• Для получения наилучшего урожая дозировка азота на стадии цветения должна составлять 194 мг/л, фосфора — 59 мг/л.
• Калий в дозировке от 60 до 340 мг/л никак не влияет на урожайность.
• Разница в дозировке удобрений не влияет на концентрацию каннабиноидов.

Предупреждение: Указанные дозировки оптимальны ТОЛЬКО в отношении сорта Gelato, выращиваемого на системах глубоководной культуры.

Вступление

Исторически сложилось так, что во многих странах выращивание психоактивных растений, таких как каннабис, запрещено. Запрет стал серьезным препятствием для исследований этой культуры. Тем не менее, изменение общественного отношения к потреблению каннабиса привело к отмене запрета каннабиса в нескольких странах. После легализации в 2018 году в Канаде производство каннабиса быстро стало важной частью агропромышленной отрасли, доход от которой оценивается в миллиарды долларов.

Однако у культиваторов каннабиса до сих пор отсутствует проверенная научная информация об оптимальных условиях выращивания. Правильное снабжение минеральными питательными веществами необходимо для эффективного и устойчивого выращивания любых растений. Среди важнейших минеральных элементов питания для растений — азот (N), фосфор (P) и калий (K). 

Пока существует относительно мало исследований, которые бы изучали реакцию каннабиса на эти питательные вещества. В результате производители каннабиса в настоящее время полагаются на непроверенные рецепты удобрений, которые определены производителем либо соглашением сообщества, основанном на ранее нелегальном выращивании.

Это создает проблему, поскольку недостаток или избыток питательных веществ может не просто снижать урожайность, но и приводить к загрязнению окружающей среды из-за стока избыточных питательных веществ.

В Онтарио удаление отработанных питательных растворов теплиц, в том числе и с предприятий по производству каннабиса, регулируется законодательством и требует значительных затрат для земледельцев. Понимание потребностей каннабиса в минеральных питательных веществах может помочь максимизировать производство при одновременном сокращении отходов питательных веществ и связанном с этим воздействием на окружающую среду.

В недавних рецензируемых исследованиях начала подниматься тема реакции каннабиса на минеральные питательные вещества. Эти исследования показывают, что оптимальное снабжение азотом как для вегетативных, так и для цветущих стадий выращивания каннабиса с использованием обычных удобрений составляет примерно 160 мг/л. У растений, получавших азот ниже 160 мг/л во время вегетативной стадии, наблюдалось снижение фотосинтетической способности и роста растений, а на стадии цветения снижалась урожайность соцветий, хотя концентрации каннабиноидов (а не общая продукция) были выше при чрезвычайно низких нормах азота.

Оптимальное снабжение азотом растений, выращиваемых с использованием жидких органических удобрений, кажется выше. При этом самые высокие урожаи достигаются при содержании органического азота приблизительно 390 и 260 мг/л для вегетативной стадии и стадии цветения соответственно. Учитывая ограниченное количество исследований и относительную важность азота для роста и развития растений, для выработки более точных рекомендаций необходимо собрать больше информации о реакции каннабиса на азот.

Фосфорное питание уже давно находится в центре внимания при выращивании каннабиса. Производители часто снабжают растения относительно высокими концентрациями P (до 200 мг/л) на стадии цветения, основываясь на убеждении, что это способствует развитию цветов. Однако существует мало доказательств в поддержку этой практики. Недавнее исследование показало, что растения каннабиса в вегетативной стадии, снабжаемые фосфором в концентрации 100 мг/л, вели себя аналогично тем, которые получали 30 мг/л. Высокая концентрация фосфора в питательном растворе создает ситуацию, при которой загрязнение окружающей среды от избытка фосфора более вероятно. Очевидно, что необходимо оценить практику обеспечения каннабиса очень высокими концентрациями фосфора.

Хотя нет опубликованных исследований, изучающих влияние калия на качество соцветий, в некоторых недавних исследованиях рассматривалось, как калий влияет на урожайность соцветий. Урожайность выращенной в аквапонике конопли (г/растение) линейно возрастала с увеличением концентрации калия в питательном растворе в диапазоне 15-150 мг/л. На вегетативной стадии растения каннабиса, получавшие калий в концентрации 15 мг/л, имели замедленный рост и проявляли симптомы некорневой болезни, характерные для дефицита калия, в то время как растения, получавшие 60-240 м/л калия, производили значительно больше биомассы и не проявляли симптомов дефицита. Несмотря на отсутствие рекомендаций, основанных на научных исследованиях, некоторые компании по производству удобрений рекомендуют добавлять калий в высоких концентрациях 300-400 мг/л. Необходимы дополнительные исследования для определения оптимальной концентрации калия в питательном растворе во время цветения каннабиса в системах беспочвенного производства.

Проблема при разработке рекомендаций по удобрениям заключается в том, что количество комбинаций концентраций питательных веществ, которые могут быть эмпирически проверены, ограничено из-за логистических и статистических соображений. В результате большинство исследований питательных веществ имеют ограниченный диапазон составов питательных веществ, которые могут упускать из виду потенциальные взаимодействия питательных веществ в широком диапазоне составов питательных веществ.

Материалы и методы

Эксперимент проводился в помещении для выращивания в контролируемой среде на предприятии по производству каннабиса, одобренном Министерством здравоохранения Канады, расположенном в Южном Онтарио. Для этого испытания использовалась клональная селекция с высоким содержанием дельта-9-тетрагидроканнабинола (ТГК) и низким содержанием каннабидиола (КБД) сорта «Gelato». Растения выращивали в системах глубоководной культуры (DWC). В каждом блоке DWC в качестве резервуара для питательного раствора использовалось белое пластиковое ведро объемом 19 л. Блоки DWC были размещены на полу в пять двойных рядов по десять DWC в каждом (т.е. всего 100 DWC).

Однородные двухнедельные черенки, укоренившиеся в кубиках каменной ваты, пересаживали в каждый блок DWC с помощью сетчатого горшка, заполненного керамзитовой галькой 8-16 мм, и вставляли в верхнюю часть крышки ведра. При этом нижние три сантиметра сетчатого горшка погружали в питательный раствор. Каждое ведро DWC снабжалось питательным раствором и имело воздушный камень, обеспечивающий 1,5 литра воздуха в минуту для непрерывного перемешивания и аэрации раствора. Питательные растворы во всех контейнерах DWC сливались и заменялись свежим питательным раствором еженедельно.

Растения выращивали в системах DWC вегетативно, в условиях режима 18/6 в течение трех недель, прежде чем перейти на 12/12-часовой режим (т.е. короткий день) и вызвать цветение. Растения выращивались в условиях короткого дня в течение семи недель перед сбором урожая. Свет обеспечивался МГЛ-лампами мощностью 1000 Вт при средней плотности потока фотосинтетических фотонов на уровне купола 570 мкмоль. Температура воздуха и относительная влажность были установлены на уровне 25 °C и 65% соответственно. Не было никаких добавок CO2.

В течение вегетативного роста все растения получали идентичный питательный раствор. После перехода в стадию цветения растения получали разные питательные растворы в течение оставшейся части эксперимента.

Для определения влияния различных концентраций NPK на растения каннабиса исследователи измеряли надземный рост, корневую массу, урожайность соцветий и содержание каннабиноидов.

Результаты

Урожайность соцветий

Урожайность соцветий каннабиса реагировала на увеличение предложения азота и фосфора, но не реагировала на калий в пределах тестируемого диапазона. Основываясь на модели поверхностного отклика, самый высокий средний выход 144 г/растение был достигнут при концентрациях N = 194 мг/л и P = 59 мг/л. Визуальный анализ контурных графиков показывает, что урожайность соцветий лучше всего реагировала на азот в диапазоне 160-230 мг/л, а фосфор в диапазоне 40-80 мг/л.

Содержание каннабиноидов

Связи воздействия обработки питательными веществами на содержание каннабиноидов в соцветиях не наблюдалось.

Связь урожайности соцветий с признаками вегетативного роста

Никаких симптомов дефицита или избытка питательных веществ ни на одном из растений не наблюдалось. Урожайность соцветий линейно и положительно коррелировала с измеренными признаками вегетативного роста. Урожайность соцветий имела значительную корреляцию со свежей массой надземных растений, индексом роста растений и сухой массой корней.

Обсуждение

Целью этого исследования было определение оптимальной концентрации N, P и K в питательном растворе для стадии цветения беспочвенного выращивания каннабиса. Оптимальные концентрации азота и фосфора в питательных растворах составили приблизительно 194 мг/л и 59 мг/л соответственно. На основе анализа модели поверхности отклика было обнаружено, что азот и фосфор были наиболее важными факторами в прогнозировании урожайности соцветий. Урожайность соцветий заметно снизилась за пределами диапазона 160-240 мг/л азота и 40-80 мг/л фосфора. Эти данные свидетельствуют о том, что лекарственный каннабис хорошо реагирует на азот и фосфор на стадии цветения. Урожайность соцветий не зависела от концентрации калия в питательном растворе в пределах испытанного диапазона, что указывает на то, что калий, поставляемый в настоящее время (300-400 мг/л) некоторыми коммерческими культиваторами, вероятно, слишком высок.

Урожайность соцветий имела сильную положительную корреляцию с рядом признаков вегетативного роста. Сильная корреляция между урожайностью соцветий и индексом роста растений указывает на то, что более крупный размер растения может привести к более высокому урожаю соцветий. Подача питательных веществ, особенно азота, может определять размер растения каннабиса, поскольку азот является важным компонентом растительного хлорофилла и рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы-оксигеназы (Рубиско). Низкий уровень азота может снизить фотосинтетическую способность растений и ограничить их рост. Для цветущего лекарственного каннабиса в беспочвенной культуре подача 30-80 мг/л азота ограничивала рост всего растения и соцветий, но растения работали оптимально при подаче 160-320 мг/л азота.

Наряду с индексом ростом над землёй рост корней также влияет на общий размер растения. Мы обнаружили, что урожай соцветий имеет сильную положительную корреляцию с сухой массой корней, что подтверждает наш вывод о том, что более крупные растения дают более высокие урожаи. Дальнейшие исследования реакции каннабиса на азот должны учитывать качество продукта и распределение биомассы по различным органам растения, чтобы максимизировать рост и качество соцветий.

В то время как моделирование реакции урожайности соцветий каннабиса на N, P и K с помощью анализа поверхности учитывает взаимодействие между питательными веществами, наша модель отклика поверхности показала, что калий в пределах испытанного диапазона 60-340 мг/л не влиял на урожайность соцветий. Это отсутствие реакции может свидетельствовать о том, что 60 мг/л калия слишком мало, чтобы вызвать дефицит питательных веществ, а 340 мг/л недостаточно, чтобы вызвать токсичность.

Во многих коммерческих фирмах, выращивающих каннабис, в настоящее время используются составы удобрений, которые содержат очень высокие уровни фосфора (в некоторых случаях более 200 мг/л). Эта практика основана на неофициальных данных о том, что фосфор увеличивает образование соцветий. Эти концентрации намного выше, чем оптимальная норма 60 мг/л, обнаруженная в нашем исследовании, и в более высоком диапазоне может вызвать снижение как роста растений, так и урожайности соцветий.

Помимо снижения роста и урожайности растений, избыточное поступление питательных веществ является потенциальным источником загрязнения окружающей среды. Тем не менее, каннабис, похоже, обладает способностью накапливать и мобилизовать определенное количество фосфора, когда это необходимо. При содержании фосфора более 30 мг/л на вегетативной стадии каннабис поглощает избыток фосфора в тканях корней, чтобы предотвратить его избыточное накопление в побегах. Более глубокое понимание требований каннабиса к фосфору и истинности практики поставки высоких концентраций фосфора должно стать приоритетом для повышения устойчивости производства каннабиса.

В то время как концентрации каннабиноидов в тканях цветов в нашем исследовании не реагировали на концентрации NPK в питательном растворе, другие исследования показывают, что минеральное питание растений может влиять на выработку вторичных метаболитов в каннабисе.

По-видимому, существует обратная зависимость между урожайностью каннабиса и его эффективностью, при этом концентрации каннабиноидов снижаются по мере увеличения урожайности соцветий растений.

Соцветия растений, получавших 160 мг/л азота, имели примерно на 30-20% более низкие концентрации ТГК-К и КБД-К, чем растения, получавшие только 30 мг/л. Но в то время как стресс и дефицит питательных веществ могут повысить содержание каннабиноидов в соцветиях, этот метод не идеален для оптимизации общей продуктивности растений, поскольку растения, получающие 160 мг/л азота, дают вдвое больше урожая, чем растения, получающие 30 мг/л азота.

Понимание того, как снабжение питательными веществами влияет на концентрацию каннабиноидов, стало бы важным шагом на пути контроля и стандартизации содержания каннабиноидов в медицинской конопле. Концентрации каннабиноидов также важны для рекреационных потребителей, которые относят концентрации ТГК и КБД к числу наиболее важных факторов при принятии решений о покупке. Учитывая, что каннабиноиды являются соединениями, которые делают каннабис столь уникально ценным, необходимо проделать дополнительную работу для изучения влияния минерального питания на урожайность каннабиса и взаимосвязи между урожайностью и эффективностью.

Оригинальное исследование: preprints.org
Автор: @Nimand

Еще почитать:

• Исследование: Как увеличение интенсивности света влияет на урожайность, синтез терпенов и морфологию каннабиса
• Каннабиноиды и терпены: способы увеличения вторичных метаболитов каннабиса
• Видео: Освещение для каннабиса: FAQ и мифы. Лекция на русском