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Doctoral Thesis
2025
Towards standardized medicinal cannabis production systems: development of agronomic strategies and automated tools for plant growth monitoring and prediction in controlled environments
Towards standardized medicinal cannabis production systems: development of agronomic strategies and automated tools for plant growth monitoring and prediction in controlled environments
Abstract (English)
Medicinal cannabis producers are once again in a highly competitive market, which, despite good prospects, has had to contend with price erosion due to overproduction and rising production costs in recent years. Meanwhile, there is a growing awareness of the need for standardized cultivation systems and methods that enable a consistent and homogeneous quality of the flower material regarding cannabinoid and terpene profiles. Cultivation in indoor systems is therefore coming into focus, as these systems allow the plant life cycle, relevant environmental parameters (e.g., light, temperature, humidity, CO2 content of the air), and nutrient and water supply to be freely controlled. However, these systems often require a high input of energy and resources. Therefore, indoor growers face a multivariate optimization problem because the optimal interplay of genotype, environment, and plant management must be found regarding the target triangle of yield optimization, cost efficiency, and sustainability.
Although agronomic research on cannabis has been on the rise in recent years, many practices and strategies in the industry are still based on anecdotal evidence and personal belief systems. Even basic agronomic principles vary widely across the industry and in research papers. At the same time, the influences of individual environmental parameters are often only considered separately without being able to integrate them into the complex overall picture. The development of standardized, controlled cultivation systems requires implementing “decision support systems” to incorporate the existing complexity of influencing factors. This involves monitoring systems that enable conclusions about the actual condition of the plant in real-time, as well as dynamic models that will allow the prediction of future growth behavior of the plant in response to changing environmental parameters. The main focus of this work was to investigate the influence of fundamental agronomic management decisions on the temporal course of plant growth and yield formation. The factors studied were to be evaluated regarding their effect on biomass production and cannabinoid homogeneity. The focus was on investigating different growing media, plant densities, and vegetation lengths. The data collected was used to create a basic concept for a real-time monitoring system and to calibrate a process-oriented growth model.
Publication I describes two experiments comparing the most common growing media in the cannabis industry, namely rockwool, peat, and coco-coir mixtures. One experiment simulated the entire cultivation cycle, while the parallel experiment was designed to simulate an extended vegetative growth phase. A fertigation system was set up that allowed for an integrative, i.e., medium-specific, root zone management. Weekly destructive and non-destructive measurements were taken to generate a data set that was as detailed as possible to record plant growth. Likewise, environmental parameters such as light, temperature, and humidity were recorded in close temporal and spatial intervals. The comparison of the growing media was based on the estimated functional parameters of adjusted growth functions. The results showed that the effect of the growing medium on biomass production was primarily due to the ratio of transpiration area to available water. Furthermore, differences in nutrient uptake and assimilate distribution were observed, which had no significant effect on plant growth. The growing media only plays a minor role in the production and homogeneity of the secondary metabolites.
In publication II, two further elementary management parameters were varied: planting density and the length of the vegetative phase. The aim was to develop empirical models for the effects of both factors on relevant growth parameters and, if possible, to derive recommendations for optimal canopy management. A strong linear correlation between yield per unit area and CBD production was demonstrated in both cases. Surprisingly, there was no yield saturation per unit area at high planting densities. However, the results illustrated how systems with high planting densities significantly increase the proportion of biomass in the upper half of the crop and, thus, the proportion of the desired inflorescence fractions. For standardized cultivation systems, it is, therefore, essential to optimize the planting density for the growth behavior of the genotypes used, whereby the possible planting densities can be significantly higher than the industry standards currently in place.
The experiments served as the primary data basis for establishing an HSI system for quantifying plant nutrient status, which is presented in publication III. With the help of a self-built mobile camera frame, images were taken on a single-leaf and whole-plant basis using a hyperspectral camera. A chemometric model correlated the extracted spectra with the observed foliar concentrations of N, P, and K. This study was designed as a proof of concept. It showed that the system could accurately predict N and P concentrations under non-standardized light conditions in the greenhouse.
The results of publications I - III were used in the subsequent discussion to outline a baseline for a standardized cultivation system for medicinal cannabis. The vertical gradient of the secondary metabolite concentration in inflorescences from the different canopy layers proves particularly problematic for standardized flower material. Maximizing plant density while considering microclimatic aspects is a key means of minimizing these gradients. At the same time, the duration of the vegetative phase, associated with height and side shoot growth, can be minimized. This allows the position of the inflorescences to be controlled as well as possible while minimizing the need for human intervention. The smaller plant size also simplifies fertigation management. It is a prerequisite for introducing vertical cultivation systems, significantly increasing indoor productivity and resource efficiency. Plant-based monitoring systems, such as the HSI system presented, can be expanded to capture further plant parameters in real-time. These can provide essential input data, especially in automated control systems for fertigation control. Due to the high acquisition rate, they also allow monitoring of the cultivation area with high spatial resolution. Thus, they can be used for the early detection of disease outbreaks and to reduce horizontal variability.
In addition, the generated data sets were used to calibrate the CROPGRO model for the potential biomass production of medicinal cannabis in semi-controlled conditions. The model provided good predictions for the temporal course of height growth, leaf formation rate, biomass gain, and N mobilization. CROPGRO has the necessary interfaces to integrate further growth-limiting processes.
The future of indoor cannabis cultivation is closely linked to developing smart greenhouses with intelligent, model-based control systems. This work provided important insights into agronomic conditions while creating the basic tools for future decision support systems.
Abstract (German)
Produzenten von Medizinalcannabis befinden sich in einem stark umkämpften Markt wieder, der trotz der guten Zukunftsprognosen in den letzten Jahren mit Preisverfall aufgrund von Überproduktion und steigenden Produktionskosten zu kämpfen hatte. Unterdessen wächst das Bewusstsein für die Notwendigkeit standardisierter Anbausysteme und Anbaumethoden, die eine gleichbleibende und homogene Qualität des Blütenmaterials im Hinblick auf das Cannabinoid- und Terpenprofil ermöglichen. Der Anbau in Indoorsystemen rückt daher speziell in Fokus, da diese die Steuerung des Wachstums- und Entwicklungszyklus, relevanter Umweltparameter (z.B. Licht, Temperatur, Luftfeuchte, CO2-Gehalt der Luft) sowie der Nährstoff- und Wasserversorgung ermöglichen. Jedoch sind diese Systeme oft von einem hohen Energie- und Ressourcenaufwand geprägt. Indoorproduzenten stehen daher vor einem multivariaten Optimierungsproblem, denn es gilt, das Zusammenspiel aus Genotyp, Umwelt und Pflanzenmanagement im Hinblick auf Ertrag, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit zu finden.
Obwohl die agronomische Forschung zu Cannabis in den letzten Jahren starken Aufwind hatte, beruhen viele Praktiken und Strategien in der Industrie noch immer auf anekdotischen Erzählungen und persönlichen Überzeugungen. Agronomische Grundprinzipien variieren stark in der Industrie und in Forschungsarbeiten. Gleichzeitig werden Einflüsse einzelner Umweltparameter oft nur separat betrachtet, ohne sie in das komplexe Gesamtbild ihrer Interaktionen einzubinden. Zur Entwicklung von standardisierten, kontrollierten Anbausystemen ist die Implementierung von „Decision Support Systems“ gefordert, welche die vorhandene Komplexität der Einflussfaktoren einbeziehen können. Dafür benötigt es Monitoringsysteme, die Rückschlüsse auf Ist-Zustand der Pflanze in Echtzeit ermöglichen sowie dynamische Modelle, welche das zukünftige Wachstumsverhalten der Pflanze als Reaktion auf sich verändernde Umweltparameter ermöglichen. Hauptfokus dieser Arbeit lag daher darauf, den Einfluss grundlegender agronomischer Managemententscheidungen auf den zeitlichen Verlauf des Pflanzenwachstums und der Ertragsbildung zu untersuchen. Final sollten die untersuchten Faktoren im Hinblick auf ihren Effekt auf die Biomasseproduktion und Konzentrationen an Cannabinoiden bewertet werden. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung verschiedener Wachstumsmedien, Pflanzdichten und Vegetationslängen. Die erhobenen Daten sollten gleichzeitig zur Erstellung eines grundlegenden Konzepts eines Echtzeit-Monitoringsystems sowie zur Kalibrierung eines prozess-orientierten Wachstumsmodells eingesetzt werden.
In Publikation I wurden zwei Gewächshausversuche zum Vergleich der gängigsten Wachstumsmedien in der Cannabisindustrie, namentlich Steinwolle, Torf- und Kokosfasergemische, beschrieben. Ein Versuch simulierte dabei den gesamten Kultivierungszyklus, während der Parallelversuch eine verlängerte Phase im vegetativen Wachstum simulierte. Ein Fertigationssystem wurde eingerichtet, welches ein integratives, d.h. medium-spezifisches Wurzelzonenmanagement ermöglichte. Zur Generierung eines möglichst detaillierten Datensatzes wurden wöchentlich destruktive und nicht-destruktive Messungen zur Erfassung des Pflanzenwachstums durchgeführt. Ebenso wurden zeitlich und räumlich engmaschig Umweltparameter wie Licht, Temperatur und Luftfeuchte erfasst. Der Vergleich der Wachstumsmedien erfolgte auf Basis der geschätzten Funktionsparameter angepasster Wachstumsfunktionen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Effekt des Wachstumsmediums auf die Biomasseproduktion vorrangig auf das Verhältnis von Transpirationsfläche zu freier Wasserverfügbarkeit zurückzuführen ist. Weiterhin zeigten sich Unterschiede in der Nährstoffaufnahme und Assimilatverteilung, welche aber keine signifikanten Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum hatten. Für die Produktion und Homogenität der Sekundärmetabolite stellten die Wachstumsmedien als Faktor nur eine untergeordnete Rolle dar.
In Publikation II wurden mit der Pflanzdichte und Länge der vegetativen Phase zwei weitere Managementparameter variiert. Ziel war es, für beide Faktoren empirische Modelle für die Auswirkungen auf relevante Wachstumsparameter zu entwickeln und ggf. Empfehlungen für das Bestandsmanagement ableiten zu können. In beiden Fällen konnten streng lineare Zusammenhänge mit Flächenertrag und CBD-Produktion gezeigt werden. Überraschenderweise trat keine Sättigung des Flächenertrags bei hohen Pflanzdichten ein. Die Ergebnisse veranschaulichten jedoch, wie Systeme mit hohen Pflanzdichten den Anteil der Biomasse im oberen Pflanzendrittel und damit den Anteil der gewünschten Infloreszensfraktionen deutlich erhöhen. Für standardisierte Anbausysteme gilt es daher zuvorderst, die Pflanzdichte für das Wuchsverhalten der eingesetzten Genotypen zu optimieren, wobei die möglichen Pflanzdichten deutlich über bisher gängigen Industriestandards liegen können.
Die durchgeführten Versuche dienten als Hauptdatengrundlage für die Etablierung eines hyperspektralen Kamerasystems zur Quantifizierung des Nährstoffstatus, welches in Publikation III vorgestellt wird. Mithilfe eines selbstgebauten, mobilen Kameragestells wurden Bilder auf Einzelblatt- und Pflanzenbasis unter Verwendung einer Hyperspektralkamera aufgenommen. Ein chemometrisches Modell wurde erstellt, welches die extrahierten Spektren mit den observierten Blattkonzentrationen von N, P und K korrelierte. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass das eingesetzte System geeignet war, N- und P-Konzentrationen mit ausreichender Genauigkeit unter nicht-standardisierten Lichtverhältnissen im Gewächshaus vorherzusagen.
Die Ergebnisse der Publikationen I-III wurden in der anschließenden Diskussion verwendet, um eine Basislinie für ein standardisiertes Anbausystem für Medizinalcannabis zu skizzieren. Besonders problematisch für ein standardisiertes Ausgangsmaterial erweist sich der vertikale Gradient der Sekundärmetabolitenkonzentration in Infloreszensen der verschiedenen Bestandesschichten. Die Maximierung der Pflanzdichte unter Berücksichtigung mikroklimatischer Aspekte ist ein zentrales Mittel, diesen Gradienten zu minimieren. Gleichzeitig kann damit die Dauer der vegetativen Phase einhergehend mit Höhen- und Seitentriebwachstum minimiert werden. Dadurch kann die Position der Infloreszensen bestmöglich kontrolliert werden, bei gleichzeitiger Minimierung der Notwendigkeit menschlicher Intervention. Die geringere Pflanzengröße vereinfacht zudem das Fertigationsmanagement und ist Grundvoraussetzung zur Einführung vertikaler Anbausysteme, welche die Flächenproduktivität und Ressourceneffizienz des Indooranbaus signifikant erhöhen. Pflanzenbasierte Monitoringsystem, wie das vorgestellte Hyperspektralkamerasystem, können zur Erfassung weiterer Pflanzenparameter in Echtzeit erweitert werden. Diese können besonders in automatisierten Kontrollsystemen zur Fertigationssteuerung wichtige Eingangsdaten liefern. Durch die hohe Erfassungsrate erlauben sie auch eine engmaschige Überwachung der Kultivierungsfläche und können so zur Früherkennung von Krankheitsherden und zur Verringerung der horizontalen Variabilität dienen.
Darüber hinaus wurden die generierten Datensätze verwendet, um das CROPGRO Modell für die potentielle Biomasseproduktion von Medizinalcannabis unter semikontrollierten Bedingungen zu kalibrieren. Das Modell lieferte gute Vorhersagen für den zeitlichen Verlauf des Höhenwachstums, der Blattbildungsrate, des Biomassezuwachses und der Stickstoffmobilisierung. CROPGRO verfügt über die notwendigen Schnittstellen, um weitere wachstumslimitierende Prozesse integrieren zu können.
Die Zukunft des Indooranbaus von Cannabis ist eng geknüpft an die Entwicklung von smarten Gewächshäusern mit intelligenten, modellbasierten Kontrollsystemen. Diese Arbeit lieferte wichtige Erkenntnisse über die erforderlichen agronomischen Rahmenbedingungen und entwickelte gleichzeitig grundlegende Werkzeuge zukünftiger „Decision Support Systems“.
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Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2025-07-16
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Schober, T. (2025). Towards standardized medicinal cannabis production systems: development of agronomic strategies and automated tools for plant growth monitoring and prediction in controlled environments. https://doi.org/10.60848/13068
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English
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630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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author = {Schober, Torsten},
title = {Towards standardized medicinal cannabis production systems: development of agronomic strategies and automated tools for plant growth monitoring and prediction in controlled environments},
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