張瑜霏，張宇雷

(1上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

溶氧是溶解在水中的分子態(tài)氧，是魚類賴以生存的必要條件之一。以陸基工廠化為主的養(yǎng)殖生產(chǎn)方式環(huán)境相對(duì)封閉[1]，魚類呼吸代謝所消耗的溶氧主要依靠向水中通入空氣或純氧來補(bǔ)充平衡[2-3]。研究表明，魚類耗氧會(huì)受到自身和環(huán)境因素的影響而變化，導(dǎo)致魚池溶氧產(chǎn)生波動(dòng)[4-6]。喬德亮等[7]通過測(cè)量白斑狗魚(Esoxlucius)耗氧率發(fā)現(xiàn)了白斑狗魚屬于“夜伏晝出”的魚類，日均耗氧顯著高于夜均耗氧，耗氧量隨體質(zhì)量的增加而升高，隨溫度的上升而增加。戴慶年等[8]發(fā)現(xiàn)青石斑魚(Epinephelusawoara)晝夜耗氧差異較大，屬于“晝伏夜出”的魚類，主要在夜間取食。宋協(xié)法等[9]發(fā)現(xiàn)在20℃、25℃、30℃下斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)的耗氧率晝夜差異不明顯，耗氧率在投飼后1～3 h達(dá)到峰值，隨后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。王資生等[10]發(fā)現(xiàn)鹽度在26.76時(shí)，半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)的耗氧率最低，鹽度在20.08時(shí)，半滑舌鰨的耗氧率最高，鹽度對(duì)半滑舌鰨耗氧率有極顯著影響。湯洪芬等[11]研究表明，鲇魚(Silurusasotus)幼魚采用降低代謝水平的方式來適應(yīng)饑餓環(huán)境，饑餓時(shí)間越久代謝率越低。強(qiáng)笑野等[12]研究表明，羅非魚應(yīng)激狀態(tài)下耗氧率較試驗(yàn)前有明顯的上升，其差異隨體質(zhì)量的增加而減小?？傮w而言，魚類自身的饑餓、攝食、應(yīng)激以及外界溫度、鹽度、晝夜交替的變化都會(huì)對(duì)魚的耗氧造成顯著影響。其中，魚類攝食后耗氧率的變化相對(duì)更為明顯和重要， Merino等[13]發(fā)現(xiàn)加利福尼亞比目魚(ParalichthysCalifornicus)的攝食耗氧率隨個(gè)體的增大而減少，3.2～14.2 g規(guī)格的幼魚在喂食期間耗氧量達(dá)到峰值，但這一影響不會(huì)超過24 h。 Royer等[14]在研究虹鱒(Oncorhynchusmykiss)精準(zhǔn)養(yǎng)殖方法指出虹鱒魚攝食后耗氧量是平時(shí)的2倍以上，針對(duì)這一短期的耗氧變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)具有成本效益的供氧自動(dòng)控制。

為了提高工廠化養(yǎng)殖效率，降低養(yǎng)殖成本，減少養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，本研究對(duì)紅羅非魚在不同溫度和投飼率條件下的攝食耗氧量及其恢復(fù)情況進(jìn)行了研究，旨在進(jìn)一步了解和掌握魚類耗氧規(guī)律，為水產(chǎn)養(yǎng)殖溶氧精準(zhǔn)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所如東中試基地進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖池、豎流沉淀器、泵池、移動(dòng)床生物濾器、紫外殺菌器、自動(dòng)投飼機(jī)、自動(dòng)增氧裝置、pH調(diào)控裝置以及溫控設(shè)備組成，系統(tǒng)工藝如圖1所示。養(yǎng)殖池為直徑1.5 m的圓池，水體量1.2 m3。自動(dòng)投飼機(jī)(自制)投飼精度±1 g。自動(dòng)增氧裝置(自制)控制精度±0.2 mg/L。pH調(diào)控裝置(自制)控制精度±0.2。溫控設(shè)備購(gòu)于貝爾美智能科技有限公司，控溫精度±0.2℃。水溫、溶氧和pH傳感器均安裝在魚池內(nèi)。為避免大氣交換對(duì)試驗(yàn)參數(shù)造成影響，采用硅膠墊覆蓋魚池。試驗(yàn)魚為紅羅非魚，養(yǎng)殖密度為30 kg/m3，規(guī)格為50±2 g，總尾數(shù)700尾。

圖1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)Fig.1 Recirculating aquaculture system

1.2 方法

該試驗(yàn)使用1套循環(huán)水系統(tǒng)，1個(gè)養(yǎng)殖池，試驗(yàn)連續(xù)39 d，由于紅羅非魚生長(zhǎng)比較緩慢，本研究忽略羅非魚體質(zhì)量對(duì)耗氧量的影響。為避免養(yǎng)殖對(duì)象在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生應(yīng)激，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)采用靜水法(臨時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)循環(huán))，通過記錄養(yǎng)殖池內(nèi)溶氧變化計(jì)算得到羅非魚耗氧量。在關(guān)閉系統(tǒng)循環(huán)前，控制溶氧質(zhì)量濃度(7.5±0.2)mg/L、pH(7.2±0.2)。試驗(yàn)中出現(xiàn)死魚時(shí)根據(jù)死魚數(shù)量及時(shí)補(bǔ)充至初始尾數(shù)。

試驗(yàn)設(shè)置26℃、29℃、32℃共3個(gè)溫度處理組和0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%共5個(gè)投飼率的處理組和不投飼的對(duì)照組。將不同的溫度和投飼率兩兩組合，測(cè)量投飼時(shí)和投飼后一段時(shí)間的耗氧量，試驗(yàn)共設(shè)30個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，研究不同溫度和投飼率組合對(duì)魚類攝食耗氧量和攝食后2 h耗氧恢復(fù)情況的影響。

每次試驗(yàn)時(shí)間為上午9：00，每天只進(jìn)行一次試驗(yàn)以確保魚消化完全。當(dāng)溶氧從7.5 mg/L降至4.5 mg/L時(shí)停止記錄，采樣頻率為1 min，計(jì)算攝食耗氧量。繼續(xù)開啟系統(tǒng)循環(huán)，將溶氧重新調(diào)控至7.5 mg/L，2 h后關(guān)閉系統(tǒng)，溶氧從7.5 mg/L降至4.5 mg/L時(shí)停止記錄，采樣頻率為1 min，計(jì)算攝食后2 h的耗氧量。每組試驗(yàn)完成后將溶氧探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)前，提前3 d將水溫調(diào)整至試驗(yàn)水溫，正常投飼使羅非魚適應(yīng)試驗(yàn)水溫，待羅非魚游動(dòng)、攝食正常后用于試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

攝食耗氧量：

Mo=(A1-A2) ×V/(M×T)

(1)

式中：Mo—攝食耗氧量(mg/ind.h)，A1—試驗(yàn)前溶氧(mg/L)，A2—試驗(yàn)后溶氧(mg/L)，V—魚池水體積(L)，M—試驗(yàn)魚尾數(shù)(ind)，T—試驗(yàn)前后時(shí)間差值(h)。

以上所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Microsoft Excel進(jìn)行整理和作圖，并通過SPSS26.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、雙因素方差分析、多重比較(Duncan法)，顯著性水平為0.05。統(tǒng)計(jì)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)羅非魚攝食前耗氧量的影響

分別在26℃、29℃、32℃3個(gè)溫度組下對(duì)紅羅非魚攝食前耗氧量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得3組耗氧量的平均值：16.842±0.425、20.218±0.250、22.606±0.799 mg/ind.h。結(jié)果表明不同溫度組耗氧量差異極顯著(P<0.001)。如圖2所示，紅羅非魚攝食前耗氧量隨水溫的升高而增加，32℃組顯著高于26℃組和29℃組，溫度和攝食前耗氧量具有線性關(guān)系，可用線性方程y=0.960 7x-7.970 7(n=3，P<0.001，R2=0.990 3)表示。

圖2 不同溫度下的攝食前耗氧量Fig.2 Pre-feeding oxygen consumption at different temperatures

魚類屬于變溫動(dòng)物，水溫的變化會(huì)直接影響魚類的新陳代謝，在合適溫度范圍內(nèi)，溫度越高，魚類的生理代謝水平也越高，耗氧水平也隨之增強(qiáng)，當(dāng)超過一定溫度后，組織代謝會(huì)進(jìn)入麻痹甚至停止的狀態(tài)，耗氧水平也隨之降低。楊斯琪等[15]運(yùn)用封閉流水式試驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)，大口黑鱸幼魚(Micropterussalmoides)的耗氧量隨溫度的升高而增加，29℃時(shí)到達(dá)頂峰，33℃開始下降。李利等[16]通過控制不同的溫度水平測(cè)量吉富羅非魚(GIFT)的呼吸情況，證明25℃以上時(shí)羅非魚呼吸頻率變化起伏較大，耗氧量與溫度呈線性關(guān)系(R2=0.954 9)，這與本研究中的現(xiàn)象一致。26℃、29℃、32℃這3個(gè)溫度組下，耗氧量隨水溫升高而增加，屬于紅羅非可以適應(yīng)的水溫，耗氧水平呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2.2 溫度和投飼率對(duì)攝食耗氧量和攝食2 h耗氧量的影響

雙因素方差分析溫度和投飼率對(duì)羅非魚攝食耗氧量和攝食后2 h耗氧量的影響見表1。溫度和投飼率對(duì)羅非魚攝食耗氧量及攝食后2 h耗氧量有交互作用，且溫度和投飼率對(duì)羅非魚攝食耗氧量及攝食后2 h耗氧量的影響有極顯著性差異(P<0.001)。

表1 雙因素方差分析溫度和投飼率對(duì)紅羅非魚攝食耗氧量和攝食2h耗氧量的影響Tab.1 Two-factor analysis of variance on the effect of temperature and feeding rate on oxygen consumption of red tilapiaand 2 hours after feeding

溫度和投飼率對(duì)羅非魚攝食耗氧量及攝食后2 h耗氧量有交互作用，因?yàn)闇囟仁怯绊戶~類食欲和呼吸的主要影響因素之一，在合適的水溫范圍內(nèi)，溫度越高魚體的生理代謝水平就越高，魚類的攝食耗氧量會(huì)隨著溫度的升高而增加，在攝食后其耗氧量的增幅就越高[17-19]。陳松波[20]測(cè)量了不同溫度下鯉魚(Cyprinidae)的日攝食率，發(fā)現(xiàn)鯉魚成魚在低溫狀態(tài)下，攝食率較小，攝食率不隨溫度的升高而改變。幼魚則隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，在28℃時(shí)達(dá)到頂峰，鯉魚成魚和幼魚皆在30℃時(shí)攝食率發(fā)生驟降。本研究溫度設(shè)置在26～32℃之間，耗氧量隨著溫度的升高，耗氧量顯著升高，在投飼率增加的情況下，攝食耗氧量也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，說明26～32℃在羅非魚的適溫范圍內(nèi)，溫度和投飼率的變化都能對(duì)攝食耗氧量產(chǎn)生顯著影響。溫度的升高加快了魚類的攝食代謝，提升了魚類的攝食欲望，從而產(chǎn)生魚類攝食耗氧量隨溫度的升高而增大的趨勢(shì)。

圖3顯示不同溫度和投飼率下紅羅非魚攝食耗氧量和攝食2 h耗氧量的測(cè)量結(jié)果，紅羅非魚攝食后2 h耗氧量顯著低于攝食耗氧量，說明在不同溫度和投飼率下，紅羅非魚在攝食完成2 h后耗氧量均恢復(fù)了一定水平。在26℃條件下，攝食耗氧量隨投飼率的增加而上升，到1.6%投飼率時(shí)達(dá)到頂峰，隨后發(fā)生下降，2 h后耗氧量呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)。在29℃條件下，攝食耗氧量與26℃時(shí)趨勢(shì)相同，2 h耗氧量隨投飼量呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)未出現(xiàn)下降現(xiàn)象。32℃條件下，耗氧量和投飼率的關(guān)系較不穩(wěn)定，耗氧量呈現(xiàn)先高再降接著逐漸上升的趨勢(shì)，0.4%投飼率與1.2%和1.6%差異均不顯著(P>0.05)，2 h后耗氧量也比較異常未呈現(xiàn)隨投飼率上升的趨勢(shì)。4%投飼率處理下，紅羅非魚攝食耗氧量均呈現(xiàn)隨溫度升高而上升的趨勢(shì)，各溫度組之間差異極顯著(P<0.05)，2 h后耗氧量呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)。隨著投飼量的增加，各溫度間的差異逐漸減少，在投飼率1.2%處理下，攝食耗氧量受溫度的影響不顯著(P>0.05)，1.6%和2%也未出現(xiàn)耗氧量隨溫度影響呈完全顯著的現(xiàn)象，2 h后耗氧量同樣表現(xiàn)不規(guī)律。

圖3 不同溫度和投飼率下紅羅非魚攝食耗氧量 和攝食2h耗氧量Fig.3 Red tilapia postprandial oxygen consumption and2 h postprandial oxygen consumption under differenttemperatures and feeding rates

魚類的饑餓程度決定其代謝強(qiáng)度，當(dāng)魚類饑餓狀態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)和低溫類似的代謝狀態(tài)，從而減少能量支出，在出現(xiàn)大量食物時(shí)魚類又會(huì)處于補(bǔ)償生長(zhǎng)期拼命地?cái)z食[21-23]。在以往耗氧量測(cè)量中，學(xué)者們?cè)囼?yàn)前通常將試驗(yàn)魚饑餓3 d，此時(shí)魚類耗氧量將低于正常狀態(tài)，本試驗(yàn)在正常運(yùn)行的循環(huán)水系統(tǒng)中測(cè)量耗氧量，更接近生產(chǎn)時(shí)的魚類耗氧水平。近期有研究報(bào)道采用熒光傳感器測(cè)量溶氧相對(duì)比Winker法誤差更小[24]，考慮到Winker法步驟較為煩瑣，試驗(yàn)采用熒光溶氧傳感器測(cè)量魚池溶氧。本研究中的試驗(yàn)魚，一天只進(jìn)行一次投飼以保證每次投飼試驗(yàn)魚都能將飼料吃完，魚類在投飼前皆保持著饑餓狀態(tài)，當(dāng)投飼發(fā)生時(shí)，魚群搶食激烈，耗氧量較平時(shí)上升了1.5～2倍，這一現(xiàn)象在De la Gándara等[25]的報(bào)道中也相同體現(xiàn)，黃尾鰤(SeriolaDumerili)在1天2次的投飼頻率下，耗氧量上升顯著，2 h內(nèi)較投飼前耗氧量上升近2倍。近期蒲德永等[26]對(duì)鱸鯉(Percocyprispingipingi)的在不同溫度下的攝食耗氧量進(jìn)行了研究，其發(fā)現(xiàn)在15℃組中，1%與2%的攝食后耗氧量接近，而25℃組中攝食耗氧量隨投飼率的增加而表現(xiàn)增大趨勢(shì)，這與本研究的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。雷思佳[27]測(cè)量了臺(tái)灣紅羅非魚的耗氧率，其52.41 g體質(zhì)量組的耗氧量低于本研究中的攝食耗氧量。金一春等[28]測(cè)量的“GTC”羅非魚 287 .40～391 .90 g組耗氧量接近于本研究中紅羅非魚攝食后的耗氧量，紅羅非魚攝食后可以暫時(shí)達(dá)到大規(guī)格魚的水平。本研究中有部分試驗(yàn)組攝食耗氧量隨投飼率的增加而減小，其原因是投飼率超過了羅非魚最適的攝食溫度所能夠產(chǎn)生的最大攝食率，魚在攝食一段時(shí)間后發(fā)生了少量嘔吐現(xiàn)象。唐道君等[29]發(fā)現(xiàn)黑鱾(Girellamelanichthys)在32℃時(shí)，攝食量顯著低于其他溫度組，攝食后的耗氧率也呈現(xiàn)不規(guī)律的狀態(tài)。在高密度養(yǎng)殖環(huán)境下，溶氧難控制，主要是魚類攝食后的特殊動(dòng)力作用造成的，因此研究魚類攝食耗氧規(guī)律對(duì)高密度養(yǎng)殖環(huán)境下溶氧的穩(wěn)定具有重大意義。

魚類在攝食完成后耗氧量先呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，到達(dá)頂峰后逐漸開始下降，直至恢復(fù)投飼前的水平。邢道超等[30]的報(bào)道中指出云龍石斑魚(Epinephelusgroupers)幼魚的特殊動(dòng)力作用主要是由蛋白質(zhì)的代謝作用引起的。在蒲德永等[26]的報(bào)道中，鱸鯉的耗氧量在攝食后2～8 h達(dá)到頂峰在30 h后耗氧量恢復(fù)至投飼前水平，其投飼率越高耗氧量恢復(fù)的速度越慢，這與本研究中的研究結(jié)果一致，本研究中采集的投飼后2 h的耗氧量，投飼率較少的試驗(yàn)組攝食耗氧恢復(fù)率已經(jīng)接近投飼前的耗氧量，而較高的試驗(yàn)組2 h后的耗氧量與投飼前的耗氧量還存在較大的距離。這一現(xiàn)象說明投飼率越高，魚類消化食物的時(shí)間越久，耗氧量恢復(fù)至投飼前水平所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

3 結(jié)論

溫度變化和投飼是造成循環(huán)水系統(tǒng)魚池溶氧波動(dòng)的主要誘因，魚類攝食前耗氧量與溫度呈線性關(guān)系而投飼后則不具備線性關(guān)系，但耗氧量仍保留隨溫度升高和增加的特性。魚池溶氧呈現(xiàn)3種狀態(tài)：魚類攝食前耗氧狀態(tài)、魚類攝食狀態(tài)、魚類恢復(fù)狀態(tài)。這意味著高密度養(yǎng)殖環(huán)境下，純氧的輸出流量無法只停留在單一的幅度，而是隨著魚類攝食的狀態(tài)而隨之變化。鑒于此，下一步的溶氧智能調(diào)控裝備的研發(fā)重點(diǎn)是解決溫度變化以及投飼后帶來的溶氧擾動(dòng)，應(yīng)用魯棒性較高的智能控制算法通過溫度、溶氧、投飼量等參數(shù)的建模和反饋實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，提前預(yù)知溫度變化和投飼參數(shù)，及時(shí)做出控制響應(yīng)。

□