《Industrial Crops and Products》：Energy efficiency in industrial hemp stalk production depending on cultivar and flower harvest
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工业大麻（Cannabis sativa L.）具有广泛的用途，包括纤维、建筑材料、生物燃料原料以及种子油等，其作为可再生能源（RES）原料的潜力受到日益关注。本研究基于2024—2025年在波兰东北部（53.71° N, 20.43° E）连续两年的大田试验
工业大麻（Cannabis sativa L.）具有广泛的用途，包括纤维、建筑材料、生物燃料原料以及种子油等，其作为可再生能源（RES）原料的潜力受到日益关注。本研究基于2024—2025年在波兰东北部（53.71° N, 20.43° E）连续两年的大田试验，系统评估了七个工业大麻品种（Bia?obrzeskie、Henola、Santhica 27、Santhica 70、Earlina 8 fc、Kompolti和Finola）在有无花序收获处理下的茎秆及总营养体生物质（不含种子）的能源效率。研究采用完全区组设计，测定了生物质产量、能量投入（包括柴油、固定资产、材料及人工劳动）、能量产出（基于低位发热量（LHV））、能量增益、能量强度、柴油消耗及能量比等指标。结果表明，品种是影响所有能源指标的最主要因素（P<0.001），而花序收获对各指标均无显著影响。Bia?obrzeskie品种在茎秆产量（23.57 Mg ha?1 f.m.）、能量产出（131.93 GJ ha?1）、能量增益（117.72 GJ ha?1）和能量比（9.23）方面均表现最优。将脱粒残留物（生物浓缩物）纳入总营养体生物质后，能量产出和能量比分别提高15%和20%。栽培年份（生长季）对产量和能源表现有显著影响，2024年茎秆能量产出（104.75 GJ ha?1）较2025年高40%。聚类分析将供试品种划分为两个主要类群：高秆纤维/生物质型品种（Bia?obrzeskie、Santhica 70、Santhica 27、Kompolti）和矮秆花籽型品种（Henola、Earlina 8 fc、Finola）。研究表明，Bia?obrzeskie品种在能源效率方面表现最佳，将花序和生物浓缩物纳入评估体系可更全面地反映工业大麻的营养体生物质能源潜力。
**工业大麻茎秆生产能源效率的多维度评估：品种选择与收获策略的影响**
**1. 研究背景与目的**
全球能源系统正面临化石燃料依赖带来的环境与地缘政治挑战。欧盟生物经济战略明确将减少不可再生能源依赖作为核心目标，波兰对外部化石能源供应的依赖度已接近43%。在此背景下，工业大麻（*Cannabis sativa* L.）作为一种速生、高生物量且具有良好能量输出/投入比的多用途作物，被认定为极具潜力的生物能源原料。然而，现有研究多聚焦于单一品种或特定栽培条件下的生物质产量与燃料特性，缺乏对品种、收获策略及生长季等多因素交互作用下能源效率的系统评估。特别是，花序（inflorescences，即雌株顶部的圆锥花序）的人工采收作为大麻产业链中高附加值生物产品的获取环节，其对茎秆能源效率的潜在影响尚未得到充分量化。此外，脱粒残留物（生物浓缩物）在能量评估中的贡献也常被忽视。因此，本研究旨在确定不同品种和花序收获策略及连续栽培年份条件下，工业大麻茎秆及总营养体生物质（不含种子）生产的能量投入、能量价值及能源效率指标，以期为优化工业大麻能源化利用的栽培技术体系提供科学依据。
**2. 关键技术方法**
本研究所用关键技术方法包括：采用三因素方差分析（ANOVA）评估品种、年份及花序收获对各项指标的影响；基于能量转换系数计算四类能量流（柴油、固定资产、材料、人工）的总能量投入；依据低位发热量（LHV）及氢含量计算生物质能量产出；通过小提琴图（violin plots）可视化数据分布特征；采用Ward法欧氏距离的凝聚层次聚类分析（agglomerative hierarchical clustering）划分品种类型。样本来源于波兰东北部（53.71° N, 20.43° E）三年大田试验（2023—2025年），土壤类型为淋溶土（lessive soil），质地为轻粉砂粘壤土。
**3. 研究结果**
**3.1 生物质产量与能量产出**
茎秆鲜物质产量受品种及品种×年份交互作用极显著影响（P<0.001）。Kompolti品种茎秆鲜物质产量最高（26.75 Mg ha?1 f.m.），而Finola最低（5.26 Mg ha?1 f.m.）。茎秆干物质产量均值为6.54 Mg ha?1，Kompolti最高（9.56 Mg ha?1），Bia?obrzeskie和Santhica 70亦超9 Mg ha?1。2024年茎秆及总营养体生物质干物质产量较2025年分别高30%和36%。茎秆能量产出均值为89.67 GJ ha?1，Bia?obrzeskie最高（131.93 GJ ha?1），品种排序为B>K>S70>S27>E>H>F。花序收获对产量和能量产出均无显著影响。将生物浓缩物纳入后，总营养体生物质能量产出提高15%，Bia?obrzeskie达151.36 GJ ha?1。
**3.2 能量投入**
茎秆生产总能量投入均值为13.54 GJ ha?1，材料投入（主要为矿质肥料）占58.3%，柴油燃料占30.8%，拖拉机与机械占6.0%，人工劳动占5.0%。Kompolti品种总能量投入最高（14.73 GJ ha?1），Finola最低（12.13 GJ ha?1）。2024年能量投入略高于2025年，与生物量产量差异相关。与多年生能源作物相比，本研究的能量投入略高，主要归因于较高的氮肥施用量（120 kg ha?1）。
**3.3 能源效率**
**3.3.1 能量增益**
茎秆能量增益均值为76.13 GJ ha?1，Bia?obrzeskie最高（117.72 GJ ha?1），Finola最低（10.17 GJ ha?1）。总营养体生物质能量增益均值提高20%（91.25 GJ ha?1），品种间排序与能量产出一致。2024年茎秆及总营养体生物质能量增益较2025年分别高49%和65%。Bia?obrzeskie品种的能量增益优于同日葵头（*Silphium perfoliatum*）和柳叶向日葵（*Helianthus salicifolius*），但低于巨型芒草（*Miscanthus* × *giganteus*）。
**3.3.2 能量强度与柴油消耗**
生产1 Mg鲜茎秆的平均能量强度为1.15 GJ Mg?1 f.m.，Santhica 70最低（0.60 GJ Mg?1 f.m.），Finola最高（2.43 GJ Mg?1 f.m.）。以干物质计，Bia?obrzeskie能量强度最低（1.59 GJ Mg?1 d.m.），Finola最高（6.81 GJ Mg?1 d.m.）。柴油消耗模式与能量强度类似，Bia?obrzeskie干物质柴油消耗最低（12.10 kg Mg?1 d.m.）。2024年干物质能量强度及柴油消耗均显著低于2025年。
**3.3.3 能量比**
茎秆生产能量比均值为6.39，总营养体生物质能量比均值提高15%（7.35）。Bia?obrzeskie品种茎秆能量比最高（9.23），总营养体生物质能量比达10.31，显著高于其他品种。2024年能量比较2025年高36%—49%。Bia?obrzeskie的能量比高于捷克研究结果（7.4—8.6），但低于多年生能源作物（如*S. perfoliatum*的14.2和*S. hermaphrodita*的14.8）。
**3.4 品种间差异**
聚类分析将七个品种划分为两个主要类群：高秆纤维/生物质型（Bia?obrzeskie、Santhica 70、Santhica 27、Kompolti）和矮秆花籽型（Henola、Earlina 8 fc、Finola）。Bia?obrzeskie与Santhica 70相似度最高，Finola与其他品种差异性最大。
**4. 讨论与结论**
本研究证实品种是决定工业大麻能源效率的首要因素，而花序收获对茎秆能源指标无显著影响，表明人工采收花序不会削弱茎秆的能源利用价值。Bia?obrzeskie作为波兰本土老品种，在各项能源效率指标上均表现最优，其能量比（9.23—10.31）虽低于多年生能源作物，但在特定条件下（如低投入栽培）仍具竞争力。将生物浓缩物纳入评估体系可更全面地反映工业大麻营养体生物质的能源潜力，能量产出和能量比分别提高15%和20%。研究结果强调，在能源作物评估中，明确系统边界和生物质利用场景至关重要。未来研究应关注优化施肥方案（如有机肥替代矿质肥）以进一步提升能源效率，并建议在同一立地条件下开展工业大麻与半木本能源作物的对比试验，以增强结果的可比性。该研究为工业大麻在波兰及类似气候条件下的能源化利用提供了关键的品种筛选和栽培策略依据。
