LED光源在海水养殖水体中传播特征解析
【摘要】 光是影响水生动物生长和发育的重要环境因子，其在养殖水体中的传播特征仍未明确。本研究选取红光(波峰为645nm)、绿光(510nm)、蓝光(445nm)、UVA(355nm)以及全光谱(蓝光激发硅酸盐荧光粉辐射的白光波长范围可达400~800nm)5种LED光源，调整辐射照度为60W/m2，研究其在不同养殖水质环境中的传播规律，为满足室内工厂化水产养殖对象的光生物学需求，实现养殖光环境标准化调控提供参考。结果显示，5种不同光谱特征的LED光源在深井海水中的透光率随水深增加呈降低趋势，不同光源间变化趋势存在差异。当透光水深为10cm时，绿光透光率最大，为(46.01±4.03)%，UVA最小，为(26.01±2.53)%;当透光水深为150cm时，各光色透光率均小于1.5%;5种不同光色的光源在水体中的透光率衰减曲线均符合乘幂函数。水体对LED光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性，水对光谱中红外部分的吸收最为强烈，对可见光谱波段中的红色、黄色和绿色光谱区段的吸收也十分显著;LED光源在养殖水体中衰减严重，水深是影响LED光源在水体中传播的主要因素(P<0.01)，其次是总悬浮物(TSS)和化学需氧量(COD)，但不同光源在养殖水体中受TSS和COD含量的影响程度不同。光在水体中的衰减由水对光的吸收以及散射作用引起，且光在不同波段的衰减率主要由水生介质的吸收光谱决定。关键词LED光源;养殖水体;传播特征;辐射照度;透光率中图分类号Q89文献标识码A文章编号2095-9869(2020)01-0153-09光环境是设施水产养殖生产中最重要的环境因素之一，在调控水生动物生长发育、行为及摄食，实现优质、高效生产等方面具有不可替代的作用(Molleretal,1975;钟志海等,2014;Gehrke,2010;Blaxter,1968)。自20世纪90年代起，在设施渔业方面，挪威、苏格兰及日本等多国科技人员围绕光照影响鱼虾生理机能的影响研究逐渐增多，但主要针对传统光源的补光应用研究，没有实现光谱的精准化调控。LED*国家重点研发计划(2017YFB0404001)资助[ThisworkwassupportedbytheNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina[2017YFB0404001].张延青，E-mail:zyq_luck@163.com;秦菲，E-mail:15192490720@163.com①通讯作者:刘宝良，副研究员，E-mail:liubl@ysfri.ac.cn#为共同第一作者收稿日期:2018-10-15,收修改稿日期:2018-11-14154渔业科学进展第41卷光源具有光电转化效率高、光利用率高、可控性强、寿命长、节能效果好等优点，在农业、医学、生物等领域也有巨大的应用空间(任桂萍等,2016;杨其长等,2011;石志芳等,2017)。近年来，随着设施渔业的不断发展，LED光源在调控水产动物繁殖、生长及行为等方面的应用研究逐步增多。Sierra-Flores等(2016)研究发现，与红光相比，绿光和蓝光对大西洋鳕鱼(Gadusmorhua)和大菱鲆(Scophthalmusmaximus)有促进作用，但其在绿光照射下的成活率均最低。Blancovives等(2010)研究发现，不同LED光谱对于塞内加尔鳎(Soleasenegalensis)仔鱼的变态过程有显著的调控作用。Guo等(2012)研究发现，从蓝光到绿光不同光谱区域的周期性波动可以促进凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)的生长，并且这种周期性的光色波动可以用作对虾养殖中的光色调节模式。徐华兵等(2017)研究发现，水下LED光源可以增加凡纳滨对虾养殖水体中微藻生物量的积累，增强浮游植物群落的稳定性，同时也发现，LED光源对水质的稳定也发挥着积极作用。综上所述，LED光源对水产动物具有明显的调节作用，但经查阅大量相关研究报道，研究人员均采用了定点光源、定量光强和特定光谱，忽略了LED光源在养殖水环境中的传播特征。光在水环境中传播的因素影响较多，如水深、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)、叶绿素等(马绍赛,2012;Christianetal,2003)。在开放水域中，杨顶田等(2003)研究发现，近紫外及蓝光在湖波中的衰减受悬浮质、叶绿素以及有色可溶性物质共同作用;张运林等(2004)通过分析太湖水体表层光学衰减系数与透明度、无机和有机颗粒物质之间的关系，发现太湖光学衰减系数变化的主要影响因子是无机及有机颗粒物;温少红(2001)通过研究光在螺旋藻培养液中的衰减规律，较好描述了螺旋藻培养液中光照强度、螺旋藻浓度及培养液深度之间的关系;徐明芳等(2001)研究发现，当光波长及光传播的路径确定时，光生物反应器中光衰减特征主要受培养物生物量浓度的影响。迄今为止，关于光源在养殖水环境中的传播特征的研究未见报道。工厂化养殖具有集约化程度高、可控性强、受外界环境影响小等优点，已成为重要的水产养殖模式之一(沈明明等,2017)。相较于池塘、网箱等传统开放式养殖模式，室内工厂化养殖对自然光线进行了隔绝或者阻拦，可控替代光源的开发以及光照策略的构建应用显得尤为重要。养殖水环境中影响LED光源传播的因素相对复杂，LED光源在养殖水环境中的传播特征仍未明确。本研究利用地下深井海水和凡纳滨对虾工厂化养殖车间水体模拟养殖水环境，通过研制测量设备，利用直接测量法并进行数据统计分析，对不同光谱成分LED光源在养殖水环境中传播规律进行总结，以期为室内工厂化海水养殖动物的光生物学效应研究的开展和养殖光环境优化策略提供理论支持。1材料与方法1.1实验装置为避免外界光源交叉污染，准确测定LED光源在养殖水环境中传播特征，项目组研制了水环境光传播测定辅助装置，该实验装置主要由水位槽和测定槽两部分构成，其中，水位槽高2238mm，外径315mm，有效水深为2000mm;测定槽高200mm，水位槽和测定槽之间由1块高纯度石英片(纯度为99.99%，直径200mm，厚15mm)连接。石英片购自江苏省东海县昊天石英玻璃有限公司，经国家硅材料深加工产品质量监督检验中心检测，本实验所用石英片紫外光谱透射比为89.5%以上，可见光透光率可达99%以上。1.2实验设计本实验选取红光(波峰为645nm)、绿光(510nm)、蓝光(445nm)、UVA(355nm)以及全光谱(400~800nm)5种LED光源，调整辐射照度为60(W/m2)，将深井海水和不同水质条件下养殖水体(凡纳滨对虾)以不同体积注入水环境光传播测定辅助装置，分别测量LED光源经过0、10、20、30、60、90、120和150cm水深后的辐射照度，光源与水面之间的距离控制在5cm左右(每次实验前进行充分混匀)。红光、绿光、蓝光和全光谱的辐射照度采用杭州远方光电信息股份有限公司PLA-20光照分析仪测定，UVA的辐射照度采用深圳市林上科技有限公司LS125多探头紫外辐照计测定。1.3水质指标为获得不同水质条件实验用水，项目组利用深井海水对养殖水体(凡纳滨对虾)进行2倍、3倍和5倍稀释，并对实验水体的关键水质指标进行测定，包括总氨氮(Totalammonianitrogen,TAN)、亚硝酸盐氮–-N)、化学需氧量(Chemicaloxygendemand,(Nitrite,NO2COD)和总悬浮物(Totalsuspendedsolid,TSS)，其中，TAN测定采用纳氏试剂分光光度法(闫修花等,第1期张延青等:LED光源在海水养殖水体中传播特征解析1552004)，NO2–-N测定采用萘乙二胺分光光度法(海洋监测规范GB17378.7-2007)，COD测定采用烘箱加热高锰酸钾法(沈加正等,2011)，TSS测定采用重量法(海洋监测规范GB17378.7-2007)。显著性水平为P<0.05。2结果2.1水质测定结果图1水环境光传播测定辅助装置Fig.1Thediagramofauxiliaryequipmentformeasurementoflightpropagationinwaterenvironment1.4数据处理采用SPSS24.0软件进行数据的统计分析，利用单因素方差分析(One-wayANOVA)和多元回归分析研究不同光源在深井海水以及养殖水体中的传播规律。数据结果均以平均值±标准差(Mean±SD)表示，实验所用水体为深井海水以及凡纳滨对虾养殖池水，实验用水的水色对比见图2，水质参数见表1。2.2不同光源在深井海水中传播特征实验结果显示，5种不同光谱特征的LED光源在深井海水中的透光率随水深增加呈降低趋势，不同光源间变化趋势存在差异(图3)。数据分析结果表明，水深可显著影响5种不同光谱特征的LED光源透光率(P<0.01)，当水深≤30cm时，不同LED光源在相同水深的透光率存在显著差异;当水深>30cm时，不同LED光源在相同水深的透光率无显著差异(P>0.05)。当透光水深为10cm时，绿光透光率最大，为(46.01±4.03)%，其次为红光[(41.44±3.31)%]、蓝光[(36.46±2.30)%]、全光谱[(32.58±3.12)%]，透光能力最弱的为UVA[(26.01±2.53)%]，且不同光源间透光率差异显著(P<0.05)。水深在10~30cm间，辐照度衰减较快;水深>30cm时，辐射照度衰减缓慢;150cm水深下，透光率均小于1.5%。实验所用5种不同光色的光源在水体中的透光率衰减曲线均符合乘幂图2实验用水的水色对比Fig.2Thecomparisonofexperimentwatercolor表1实验用水水质参数Tab.1Waterqualityparametersoftestwater实验用水Testwater温度T(℃)总氮TAN(mg/L)亚硝态氮–-N(mg/L)NO2化学需氧量COD(mg/L)总悬浮固体TSS(mg/L)深井海水Deepwellseawater养殖池水Aquaculturepondwater1/2养殖池水1/2aquaculturepondwater1/3养殖池水1/3aquaculturepondwater1/5养殖池水1/5aquaculturepondwater25.20±0.320.09±0.020.01±0.010.35±0.080.78±0.1225.15±0.220.90±0.080.69±0.116.68±0.13123.53±12.3725.16±0.250.81±0.100.60±0.075.96±0.2162.21±9.3325.20±0.120.75±0.090.57±0.055.6±0.1539.72±7.2325.18±0.150.42±0.080.32±0.073.28±0.2723.24±5.72156渔业科学进展第41卷源在相同水深的透光率存在显著差异(P<0.05);水深>10cm时，不同LED光源在相同水深的透光率无显著差异(P>0.05)。透光水深为10cm时，红光透光率最大，为(16.55±2.55)%，其次为全光谱[(10.60±1.82)%]、绿光[(7.29±2.05)%]、蓝光[(4.18±3.41)%]，透光能力最弱的为UVA[(0.84±2.83)%]，且不同光源间透光率差异显著(P<0.05)。当透光水深为30cm，5种光源的透光率均<1%;透光水深为120cm，5种光源的透光率均为0。养殖水体稀释2倍后，LED光源透光率随水深增加呈降低趋势(图9)。数据分析结果显示，水深可极显著影响5种LED光源透光率(P<0.01)，透光水深≤20cm时，不同LED光源在相同水深的透光率存在显著差异(P<0.05);透光水深为10cm时，红光透光率最大，为(20.35±3.80)%，其次为全光谱[(15.89±2.32)%]、绿光[(14.84±3.46)%]、蓝光[(7.01±2.51)%]，透光能力最弱的为UVA[(3.87±1.25)%];透光水深为60cm时，5种光源的透光率均<1%。养殖水体稀释3倍后，LED光源透光率亦呈随水深增加呈降低趋势(图10)。数据分析结果显示，水深可极显著影响5种LED光源的透光率(P<0.01)，透图3不同LED光源在深井海水中的透光率随水深的变化Fig.3Thevariationoflighttransmittanceofdifferentlightsourceswithdepthofdeepwellseawater函数。在深井海水中，随水深增大，红光、绿光和蓝光的波长范围基本保持不变(图4~图6);全光谱光源随水深增大，蓝光波长范围基本保持不变，红光波长范围减小，尤其对红外部分的吸收最为强烈(图7)。2.3LED光源在不同水质条件下的透光率与水深关联性结果显示，5种不同光谱特征的LED光源在养殖水体中的透光率随水深增加呈降低趋势(图8)。数据分析结果显示，水深可显著影响5种LED光源透光率(P<0.01)，当透光水深≤10cm时，不同LED光图4深井海水中不同水深处红光的光谱曲线Fig.4Thespectralcurveofredlightatdifferentdepthsindeepwellseawater第1期张延青等:LED光源在海水养殖水体中传播特征解析157图5深井海水中不同水深处绿光的光谱曲线Fig.5Thespectralcurveofgreenlightatdifferentdepthsindeepwellseawater图6深井海水中不同水深处蓝光的光谱曲线Fig.6Thespectralcurveofbluelightatdifferentdepthsindeepwellseawater158渔业科学进展第41卷图7深井海水中不同水深处全光谱的光谱曲线Fig.7Thefullspectrumspectralcurveatdifferentdepthsindeepwellseawater图8不同光源在养殖水体中的透光率随水深的变化Fig.8Thevariationoftransmittanceofdifferentlightversusthedepthofaquaculturewater图9不同光源在稀释2倍养殖水体中的透光率随水深的变化Fig.9Thevariationoftransmittanceofdifferentlightversusthedepthofaquaculturewaterdilutedby2times图10不同光源在稀释3倍养殖水体中的透光率随水深的变化Fig.10Thevariationoftransmittanceofdifferentlightversusthedepthofaquaculturewaterdilutedby3times光水深≤20cm时，不同LED光源在相同水深的透光率存在显著差异(P<0.05);透光水深为10cm时，红光透光率最大，为(25.91±4.53)%，其次为绿光[(20.05±3.43)%]、全光谱[(18.99±2.34)%]、蓝光[(15.46±2.90)%]，透光能力最弱的是UVA，为(8.39±0.09)%;水深为90cm时，5种光源的透光率均<1%。养殖水体稀释5倍后，LED光源透光率亦呈随水深增加呈降低趋势(图11)。数据分析结果显示，水深可极显著影响5种LED光源透光率(P<0.01)，透光水深小于等于30cm时，不同LED光源在相同水深的透光率存在显著差异(P<0.05);透光水深为10cm第1期张延青等:LED光源在海水养殖水体中传播特征解析159图11不同光源在稀释5倍养殖水体中的透光率随水深的变化Fig.11Thevariationoftransmittanceofdifferentlightversusthedepthofaquaculturewaterdilutedby5times时，红光透光率最大[(29.86±3.59)%]，其次为绿光[(29.80±3.12)%]、全光谱[(25.31±3.87)%]、蓝光[(23.46±1.72)%]，透光能力最弱的为UVA[(17.14±2.56)%];透光水深为90cm时，5种光源的透光率均小于1%。2.4水深、TSS以及COD对LED光源在养殖水体中衰减效应的影响在本实验水质条件下，LED光在养殖水体传播过程中发生明显的衰减，多元回归分析结果显示，水深是影响LED光在水中衰减的主要因素(P<0.01)，其次是TSS和COD，但不同光源在养殖水体中的衰减率受TSS和COD影响的程度不同(图12)，其中，红光在养殖水体中的衰减率同TSS及COD含量关联度较低(P>0.05);蓝光、绿光、UVA及全光谱光源在养殖水体中的衰减率同TSS以及COD含量高度相关(P<0.05)，受影响程度为UVA>蓝光>绿光>全光谱>红光。图12LED光源在不同水深、TSS以及COD含量的养殖水体中的衰减率Fig.12AttenuationrateofLEDlightinaquaculturewaterwithdifferentwaterdepth,TSSandCODcontent3讨论光的本质是一种能量物质，具有波粒二象性，它可以被几乎任何物质吸收掉。光在绝对真空环境中沿直线传播且能量不发生衰减，但在水介质中，光存在严重的衰减(孙传东等,2000)。光在水体中的衰减是由水对光的吸收以及散射作用引起的。在清澈透明的海水中，40%的衰减由吸收引起，60%的衰减由散射作用引起(孙传东等,2000)。研究结果表明，水深可显著影响5种不同光谱特征的LED光源的透光率(P<0.01)，但当水深>30cm时，不同LED光源在相同水深的透光率无显著差异(P>0.05);我们推测这主要由于，为满足养殖需求，项目组选取的光源强度远低于自然光强，且大部分能量已在起初的30cm水体中衰减掉了。当透光水深为10cm时，绿光透光率最大，推测这是绿光在水体中穿透特性和能量属性综合作用的结果。水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性。本研究发现，水对光谱中的红外部分的吸收最强，对可见光谱波段中的红色、黄色和淡绿色光谱区段的吸收也十分显著。光在不同波段的衰减率主要由水生介质的吸收光谱决定。通常，与海洋水域相比，淡水中的蓝光衰减更快，这是由于内陆水域中的悬浮物质更多。在内陆水域中，通常绿光的穿透性更强，其次是红光。然而，当悬浮物质的浓度很高时，红光的穿透性可以和绿色一样快，而且悬浮物质的浓度越高，红光的穿透性越好(Falkowski,1987)。本研究结果同样显示，在养殖水体中，红光的穿透性远远大于绿光以及蓝光，且随着养殖水体稀释倍数的增大，红光的穿透性接近蓝光与绿光，这是由于养殖水体中粪便、残饵等溶蚀，导致海水中悬浮物质增多，进而影响光在水体中的穿透性。本研究发现，水深是影响LED光源在水体中传播的主要因素，其次是TSS和COD，但不同光源在养殖水体中受TSS和COD含量的影响程度不同。光在不同水体中的传播特征差异显著，一般来说，在热带太平洋中的非生产性的海洋水域，水本身是主要的吸收体，蓝色和绿色的光的深度和广度都是相同的，然而，对于红光来说，水的吸收非常强烈，衰减得更快(Falkowski,1987)。在生产性上升流海洋水域，由于浮游植物中色素的吸收，蓝光比绿光衰减的更多，160渔业科学进展第41卷但仍然不如红光。在沿海水域，其中含有更多的黄色物质和浮游植物，绿光则更具穿透性。然而，仅在深颜色的沿海水域，由于受到主要河流流量影响，蓝光衰减强度与红光一样(Falkowski,1987)。本研究仅针对5种不同波长的光源在纯净海水以及凡纳滨对虾养殖水体中的传播规律进行研究，为凡纳滨对虾工厂化养殖体系提供相关光照数据，以及为优化室内养殖工厂光环境问题和实现光环境在工厂化养殖模式中的良好应用提供科学参考。参考文献production.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2017,33(24):222–227[石志芳,席磊,姬真真,等.LED光源改善鸡舍环境及肉鸡生产性能.农业工程学报,2017,33(24):222–227]Sierra-FloresR,DavieA,GrantB,etal.EffectsoflightspectrumandtankbackgroundcolouronAtlanticcod(Gadusmorhua)andturbot(Scophthalmusmaximus)larvaeperformances.Aquaculture,2016,450(2):6–13ShenMM,LiJ,WangYQ,etal.AnalysisofcommunitycharacteristicsofmicroalgaeintheindustrializedculturesystemofLitopenaeusvannamei.ProgressinFisherySciences,2017,38(5):64–72[沈明明,李健,王清印,等.凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)工厂化养殖系统微藻的群落特征分析.渔业科学进展,2017,38(5):64–72]BlaxterJHS.VisualthresholdsandspectralsensitivityofherringShenJZ,HouSS,LiuY,etal.Studyondeterminationmethodoflarvae.JournalofExperimentalBiology,1968,48(1):39–53BlancovivesB,VillamizarN,RamosJ,etal.Effectofdailythermo-andphoto-cyclesofdifferentlightspectrumonthedevelopmentofSenegalsole(Soleasenegalensis)larvae.oxygenoveninseawaterbychemicaloxygendemand.MarineSciences,2011,35(8):1–4[沈加正,侯沙沙,刘鹰,等.海水化学需氧量烘箱加热测定方法的研究.海洋科学,2011,35(8):1–4]Aquaculture,2010,306(1):137–145SunCD,ChenLY.OpticalpropertiesofwateranditseffectsonChristianD,ShengYP.RelativeinfluenceofvariouswaterqualityparametersonlightattenuationinIndianRiverLagoon.EstuarineCoastalandShelfScience,2003,57(5–6):961–971FalkowskiPG.Lightandphotosynthesisinaquaticecosystems.KirkJTO.QuarterlyReviewofBiology,1987,62(1):110–110underwaterimaging.JournalofAppliedOptics,2000,21(4):39–46[孙传东,陈良益.水的光学特性及其对水下成像的影响.应用光学,2000,21(4):39–46]WenSH.StudyonlightattenuationlawofSpirulinaculturesolution.MarineScienceBulletin,2001,20(4):93–97[温少红.螺旋藻培养液光衰减规律的研究.海洋通报,2001,20(4):93–97]GehrkeP.InfluenceoflightintensityandwavelengthonXuHB,WangLL,ZengQH,etal.TheeffectofunderwaterLEDphototacticbehaviouroflar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ainlydeterminedbytheabsorptionspectrumofaquaticmedia.KeywordsLightsource;Aquaculturewater;Propagationcharacteristics;Irradiance;Transmittance①Correspondingauthor:LIUBaoliang,E-mail:liubl@ysfri.ac.cn
