A new version of this entry is available:
Loading...
Doctoral Thesis
2025
Practicing the pot culture: pursuing sustainable agronomic management techniques for indoor medicinal cannabis cultivation
Practicing the pot culture: pursuing sustainable agronomic management techniques for indoor medicinal cannabis cultivation
Massuela, Danilo Crispim
Abstract (English)
With the legalization of cannabis cultivation in Germany, the country took an important step into becoming one of the major economies to legalize the cultivation of cannabis for personal use in the EU. In addition, the demand for cannabis products in different sectors is constantly increasing, and further rapid growth is forecasted. The institutionalization and representation of cannabis cultivation in the scientific literature are paramount to enabling efficient, secure, sustainable, and equitable good cultivation practices in the German cannabis industry and governmental decision-making processes. While exploring the potential of medicinal cannabis production, there is also the necessity to cultivate significant amounts of inflorescences to supply this craving demand. Indoor cultivation systems are the preferred method. The system is characterized by the highest degree of control over environmental variables of light (intensity, spectrum, duration), carbon dioxide concentration, temperature, air (humidity and distribution), water and nutrients (irrigation regimes and fertilizer – composition and concentration), and management techniques. Besides the mentioned advantages above, these systems are discussed to be the most unsustainable form of cannabis cultivation, with a high carbon footprint, energy demand, and resource utilization.
Considering the absence of peer-reviewed scientific information in the cannabis industry, many businesses rely on management techniques from non-peer-reviewed sources, like commercial datasheets or gray literature. Much of the research in this field is conducted privately by companies in the cannabis industry. This thesis aims to contribute to the scientific knowledge of cannabis cultivation. The primary objective of this thesis was to investigate the production of medicinal cannabis in indoor cultivation systems. The specific focus was on applying agronomic management techniques to optimize yield components of medicinal cannabis. More precisely, emphasis was given to the balancing act of inflorescence biomass accumulation and the concentration of CBD in the inflorescences over time under abiotic stress induction, such as pruning, nutrient, and water deprivation. The effect of each tested agronomic management technique on yield components is presented in publications Ⅰ-Ⅲ.
Publication I investigated the optimum harvest time and canopy management based on the total accumulated CBD yield. The findings highlighted that nine weeks of flowering was considered the optimum harvesting time for the tested genotype, as no significant enhancement in CBD yield was found after that. Additionally, it was demonstrated that pruning techniques can modify plant architecture and growth, leading to different inflorescence allocations in plant height. Inflorescences at the top position have significantly higher CBD concentrations. Thus, applying pruning techniques like topping can enhance CBD yield due to optimized canopy formation and area utilization in indoor cultivation systems.
Publication II examined the impact of induced nutrient deprivation on plant biomass and CBD yields and the nutrient use efficiency of N, P, and K for three fertilizer concentrations of organic and mineral fertilizers. The results highlighted the dynamics of nutrient accumulation and re-mobilization among plant organs over time and the efficiency of nutrient utilization when plants are exposed to nutrient deprivation during flowering. Finally, inducing nutrient stress at the flowering stage could increase plant nutrient use efficiency and reduce fertilizer inputs without penalizing yields. The re-mobilization of already acquired nutrients presents this compensation.
Publication III evaluated drought stress treatments' influence on CBD concentration and plant biomass production. As water and irrigation techniques are of paramount agronomical importance, the impact of moderate and severe drought treatments for two high-CBD genotypes with significantly different growth characteristics and water demands was tested. The drought events occurred at three phenological stages of inflorescence formation and maturation. Results highlighted different genotypic reactions and the adverse effects of applying severe stresses, significantly affecting photosynthesis, respiration, and plant water status. On the other hand, applying moderate stress can enhance water use efficiency by reducing water inputs without penalizing yield.
Furthermore, the findings of this work showed that harvesting at the optimum time, pruning plants, and inducing moderate nutrient and drought stress during the flowering stage could be beneficial to enhance CBD yields while reducing resource input and increasing time, space, fertilizer, and water use efficiency. Overall, this thesis provided a broad dataset and findings that can support growers in investigating the effect of interventions on yield components, the effectiveness of agronomic management techniques like improved canopy and root zone management, and the effects of abiotic stresses on the overall optimization of cultivation systems.
This thesis further expands on the critical questioning of the sustainability of indoor systems, highlighting major environmental issues of cultivation, such as the high amounts of energy and water utilization, waste generation, air pollution, and GHG emissions. This led to the reflection on alternative cultivation systems to supply the growing demand for medicinal cannabis in Germany. It is worth saying that indoor cultivation is possibly still the best system to provide medical – GACP/GMP pharmaceutical grade – cannabis due to the high level of environmental control, safety, and contamination protection. Nonetheless, there is still much to be improved in those systems, and future developments should aim either at (I) “high-tech” systems with efficient lights, soilless hydroponics or DWC under closed water and nutrient cycles, improved sensors and automation systems for less human interaction to avoid contamination and minimum energy and resources deployment. Future systems should possibly include the verticalization of cultivation areas and the use of AI to guarantee fewer variations in climate conditions and, therefore, higher standardization of inflorescences in production batches and/or (II) a shift towards “soil-sun grown” cannabis and protected environment production, especially using greenhouse and tunnels in outdoor conditions. As demonstrated, those systems have higher yield potential and improved sustainability of cultivation while using the sun as a primary energy source and the soil as the basis for cultivation. At the same time, regenerative practices would be the preferred form of soil fertility management, organic nutrient cycling, and crop nutrition. It is essential to note those systems' limitations in acquiring pharmaceutical-grade certification of medical inflorescences. However, inflorescences per se might not be the best medical product as the standardization of cannabinoid concentration in inflorescences is challenging and subject to natural variation. Nonetheless, “soil-sun grown” can be a primary significant cultivation system to produce medicinal cannabis – cannabis plants that can be used for medicinal purposes – as practiced for most medicinal plants and other crops of medicinal value (herbs, teas, essential oils). These systems can be scaled up more easily than indoor cultivation and can yield large harvests to provide inflorescences and biomass to extract cannabinoids, terpenes, flavonoids, etc., which can later be used to generate medical products. Observing the experience of other countries, it is expected that a tremendous demand for cannabis in Germany will not be medical pharmaceutical inflorescences from the pharmacy (as before the legalization) but rather medicinal/recreational inflorescences from individuals, cultivation clubs, and model projects.
In summary, this thesis explores the dynamic field of cannabis cultivation driven by societal demands and recognizes the crucial role of adapting cultivation systems to market needs. As suggested in the discussion, categorizing medical and medicinal cannabis products is necessary to fit cultivation systems to meet consumer demand. Furthermore, the moment permits historical reparation and the insertion of marginalized groups in a transformative landscape of cannabis cultivation. If we want to pursue socially equitable cannabis, we cannot simply ignore what has been done to smallholder farmers in traditional cannabis-producing regions through the war on drugs. Enabling the import of cannabis inflorescences and extracts from regions under ecologically and socially sustainable cultivation practices with certification labels can be a milestone in promoting fairer agricultural trades, providing legal livelihood opportunities, and developing strong value chains, like other delicacies such as tea and spices, cocoa, and coffee. Thus, certified imports from traditional producers can be vital, given the global climate and energy crisis challenges.
Abstract (German)
Mit der Legalisierung des Cannabisanbaus in Deutschland hat das Land einen wichtigen Schritt getan, um eine der größten Volkswirtschaften zu werden, die den Anbau von Cannabis für den Eigengebrauch in der EU legalisiert haben. Darüber hinaus steigt die Nachfrage nach Cannabisprodukten in verschiedenen Bereichen stetig an, und es wird ein weiteres schnelles Wachstum prognostiziert. Die Institutionalisierung und Darstellung des Cannabisanbaus in der wissenschaftlichen Literatur ist von entscheidender Bedeutung, um die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Cannabisindustrie, staatliche Entscheidungsprozesse und effiziente, sichere, nachhaltige und gerechte Anbaupraktiken zu ermöglichen. Während das Potenzial der medizinischen Cannabisproduktion erforscht wird, besteht auch die Notwendigkeit, größere Mengen an Blüten zu produzieren, um die große Nachfrage zu decken. Indoor-Anbausysteme sind aufgrund verschiedener Vorteile der bevorzugte Weg, dies zu tun. Das System zeichnet sich durch ein Höchstmaß an Kontrolle über die Umgebungsvariablen Licht (Intensität, Spektrum, Dauer), Kohlendioxidkonzentration, Temperatur, Luft (Feuchtigkeit und Verteilung), Wasser und Nährstoffe (Bewässerungsregime und Dünger - Zusammensetzung und Konzentration) sowie Managementtechniken aus. Neben den oben genannten Vorteilen stehend diese Systeme aber auch als nicht-nachhaltigste Form des Cannabisanbaus in der Diskussion, da sie einen hohen Kohlenstoff-Fußabdruck, Energiebedarf und Ressourcenverbrauch aufweisen.
Da es in der Cannabisbranche nur spärlich begutachtete, wissenschaftliche Informationen gibt, verlassen sich viele Unternehmen auf Managementtechniken, die aus der „grauen Literatur“ oder anderen Quellen stammen. Derzeit wird ein Großteil der Forschung in diesem Bereich von Unternehmen der Cannabisbranche privat durchgeführt und ist somit nicht der Öffentlichkeit zugänglich. Das Hauptziel dieser Arbeit war, die Produktion von medizinischem Cannabis in Indoor-Anbausystemen zu untersuchen. Der besondere Schwerpunkt lag auf der Anwendung agronomischer Managementtechniken zur Optimierung der Ertragskomponenten von medizinischem Cannabis. Der Schwerpunkt lag auf dem Gleichgewicht zwischen der Biomasseakkumulation (Blütenertrag) und der CBD-Konzentration in den Blütenständen im Laufe der Zeit unter Einfluss abiotischer Stressfaktoren wie Schnitttechniken, Nährstoff- und Wasserentzug.
Die Auswirkungen der einzelnen agronomischen Bewirtschaftungstechniken auf die Ertragskomponenten werden in den Publikationen Ⅰ-Ⅲ dargestellt. In Publikation I wurden der optimale Erntezeitpunkt und verschiedene Schnitttechniken in ihrer Auswirkung auf den kumulierten CBD-Gesamtertrag untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass neun Wochen nach der Blüte im Falle des getesteten Genotyps als optimaler Erntezeitpunkt angesehen werden konnten, da danach kein signifikanter Anstieg des CBD-Ertrags mehr erfolgte. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Schnitttechniken die Pflanzenarchitektur und das Wachstum verändern können, was zu einer unterschiedlichen Verteilung der Blütenstände in der Pflanzenhöhe führte. Blütenstände in der obersten Position wiesen deutlich höhere CBD-Konzentrationen auf. Somit kann die Anwendung von Schnitttechniken wie „Topping“ den CBD-Ertrag in Indoor-Anbausystemen steigern.
In der Publikation II wurden die Auswirkungen eines induzierten Nährstoffentzugs auf die Pflanzenbiomasse und die CBD-Erträge sowie die Nährstoffnutzungseffizienz von N, P und K für drei Düngemittelkonzentrationen von organischen und mineralischen Düngemitteln untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Dynamik der Nährstoffakkumulation und -remobilisierung zwischen den Pflanzenorganen sowie die Effizienz der Nährstoffverwertung, wenn die Pflanzen während der Blüte einem Nährstoffentzug ausgesetzt sind. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einleitung von Nährstoffstress in der Blütephase die Effizienz der Nährstoffnutzung durch die Pflanzen erhöhen und den Düngemitteleinsatz reduzieren kann, ohne dass sich dies negativ auf die Erträge auswirkt. Diese Kompensation wird durch die Remobilisierung von bereits erworbenen Nährstoffen erreicht.
In Publikation III wurde der Einfluss von Trockenstressbehandlungen auf die CBD-Konzentration und die pflanzliche Biomasseproduktion untersucht. Da Wasser- und Bewässerungstechniken von großer agronomischer Bedeutung sind, wurden die Auswirkungen moderater und schwerer Trockenstressbehandlungen für zwei Genotypen, die sich in ihren Wachstumseigenschaften und ihrem Wasserbedarf deutlich unterschieden, untersucht. Trockenstress wurde in drei Stadien der Blütenstandsbildung und -reifung induziert. Die Ergebnisse zeigten die unterschiedlichen Reaktionen der Genotypen und die nachteiligen Auswirkungen der Anwendung von starkem Trockenstress, der die Photosynthese, die Atmung und den Wasserstatus der Pflanzen erheblich beeinträchtigte. Andererseits kann die Anwendung von moderatem Stress die Wassernutzungseffizienz verbessern, indem der Wassereintrag reduziert wird, ohne den Ertrag zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus haben die Ergebnisse dieser Arbeit gezeigt, dass die Ernte zum optimalen Zeitpunkt, der Einsatz von Schnitttechniken und die Einleitung von moderatem Nährstoff- und Trockenstress während der Blütezeit dazu beitragen können, die CBD-Erträge zu steigern und gleichzeitig den Ressourceneinsatz zu reduzieren. Damit kann die Effizienz der Zeit-, Raum-, Dünger- und Wassernutzung erhöht werden. Insgesamt lieferte diese Arbeit einen umfangreichen Datensatz und Erkenntnisse, die den Anbauern bei der Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Managementtechniken auf die Ertragskomponenten zur Gesamtoptimierung der Anbausysteme helfen können.
In dieser Arbeit wurde zudem die Frage der Nachhaltigkeit von Indoor-Systemen kritisch vertieft, indem wichtige Umweltprobleme des Cannabisanbaus wie der hohe Energie- und Wasserverbrauch, die Abfallerzeugung, die Luftverschmutzung und die Treibhausgasemissionen hervorgehoben wurden. Die Arbeit zeigt Optionen für alternative Anbausysteme auf, die gleichzeitig die wachsende Nachfrage nach medizinischem Cannabis in Deutschland decken können. Indoor-Systeme bieten aufgrund der Umweltkontrolle, Sicherheit und Kontaminationsschutz möglicherweise immer noch das beste System für die Lieferung von medical Cannabis - GACP/GMP pharmazeutischer Qualität. Dennoch sollten zukünftige Entwicklungen entweder auf (I) "Hightech"-Systeme mit effizienter Beleuchtung, erdlosen Hydrokulturen mit geschlossenen Wasser- und Nährstoffkreisläufen, verbesserten Sensoren und Automatisierungssystemen zur Vermeidung von Kontaminationen und minimalen Energie- und Ressourceneinsatz abzielen. Dazu gehören möglicherweise auch die Vertikalisierung der Anbauflächen und der Einsatz von künstlicher Intelligenz, um geringere Schwankungen der Klimabedingungen und damit eine höhere Standardisierung der Blütenstände in den Produktionspartien zu gewährleisten. Alternativ sollte auch (II) eine Verlagerung hin zum "soil-sun grown" von Cannabis und zur Produktion in geschützter Umgebung, insbesondere unter Verwendung von Gewächshäusern und Tunneln im Freien zum Schutz vor extremen Wetterereignissen und zur Reduzierung von Kontaminationsvektoren in Erwägung gezogen werden. Diese Systeme weisen ein höheres Ertragspotenzial und eine Nachhaltigkeit im Anbau auf, da sie die Sonne als Hauptenergiequelle und den Boden als Grundlage für den Anbau nutzen. Es ist wichtig, auf die Grenzen dieser Systeme hinzuweisen, wenn es darum geht, eine Zertifizierung der medizinischen Blütenstände in pharmazeutischer Qualität zu erhalten. Blütenstände an sich sind jedoch möglicherweise nicht das zielführende medizinische Produkt, da die Standardisierung der Cannabinoidkonzentration in Blütenständen schwierig ist und natürlichen Schwankungen unterliegt. Nichtsdestotrotz kann "soil-sun grown" ein relevantes Anbausystem für die Erzeugung von medizinischem Cannabis sein, wie es auch für die meisten Heilpflanzen und andere Kulturen mit medizinischem Wert (Kräuter, Tees, ätherische Öle) angewandt wird. Nach den Erfahrungen anderer Länder ist zu erwarten, dass die größte Nachfrage der Cannabiskonsumenten in Deutschland nicht nach medizinisch-pharmazeutischen Blütenständen aus der Apotheke, sondern nach Blütenständen aus Anbauvereinen und Modellprojekten für den Freizeitkonsum bestehen wird.
Zusammenfassend ist die Kategorisierung medical und medizinischer Cannabisprodukte notwendig, um Anbausysteme so anzupassen, dass sie die Anforderungen der Verbraucher bestmöglich erfüllen. Die Ermöglichung des Imports von Cannabisblüten und -extrakten aus traditionellen Regionen mit ökologisch und sozial nachhaltigen Anbaupraktiken unter Einhaltung von Zertifizierungssiegeln kann ein Meilenstein bei der Förderung des fairen Agrarhandels und der Entwicklung starker Wertschöpfungsketten sein, ähnlich wie bei anderen Genussmitteln wie Tee, Gewürzen, Kakao und Kaffee.
File is subject to an embargo until
This is a correction to:
A correction to this entry is available:
This is a new version of:
Other version
Notes
Publication license
Publication series
Published in
Other version
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2024-10-25
Supervisor
Cite this publication
Massuela, D. C. (2025). Practicing the Pot Culture: Pursuing sustainable agronomic management techniques for indoor medicinal cannabis cultivation. https://doi.org/10.60848/13112
Edition / version
Citation
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
University bibliography
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Crispim Massuela2025,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/18182},
author = {Massuela, Danilo Crispim},
title = {Practicing the Pot Culture: Pursuing sustainable agronomic management techniques for indoor medicinal cannabis cultivation},
year = {2025},
}