LED光源在封閉循環水養殖業的應用分析

宋昌斌 仇登高 王軍喜 于凱松 劉 鷹

(1中國科學院半導體研究所，北京 100083;2中國科學院海洋研究所，山東青島 266071;3中國科學院大學，北京 100049;4山東東方海洋科技股份有限公司，山東煙臺 264003)

1 引言

封閉循環清潔水養魚是指集現代工業技術于一體的工廠化、集約化養殖模式。與傳統養殖方式相比，循環水養殖生產每單位水產品可以節約50－100倍的土地和160－2600倍的水，并且幾乎不污染環境。由于諸多環境因素限制，水產養殖變成人工控制的可靠食物來源，從1970年在世界范圍得到快速發展。我國是世界水產養殖第一大國，2010年養殖總產量達到3828.84萬噸，占我國水產品總產量的71%，占世界水產養殖產量的70%以上。2009年3月英國《Nature》發表文章論述循環水養殖將是未來漁業發展的必然趨勢。

在自然界，光照作為一種穩定性和規律性生態因子，對魚類的攝食、代謝、生殖、內分泌等生理機能起著重要的觸發作用。隨著半導體技術的發展，各種波長、大小功率的LED封裝芯片被開發出來并廣泛應用于各行業，人們逐漸認識到LED人工光照作為一種物理手段，不僅可以增加水產養殖生長效率，盡可能得到商品魚的重量，而且可以控制魚類關鍵時候的性腺發育，獲得綠色高品質的食品。目前相對于水系統處理、營養餌料、育苗技術及病害防治研究，光照對魚生理機能的影響研究比較少而且粗放。國外的研究文章從上世紀90年代日漸增多，我國的研究處在剛剛起步階段。

LED光源在現代農業集約化種植、養殖、微藻繁殖等領域中發揮著越來越重要的作用，LED可以根據魚類品種生長性腺發育所需的光譜光強光周期需求進行組合，為商品魚的生長提供合理的光環境條件，可顯著提高魚的產量和品質;同時，LED是安全、健康的“綠色光源”，廢棄后無污染，環保

節能，具有廣闊的應用前景。

如果采用LED光源，存在如何選取適宜魚類生長生殖的光色，光強、光周期最佳優化指標，確定參數來改善魚的生理節律、攝食行為、生長發育、繁殖性能的技術體系，以此對養殖業的LED光照應用工作提供參考依據。

2 目前使用的光源

2.1 傳統光源

目前在封閉循環清潔水養殖領域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、白熾燈等，這些光源的突出缺點是光效、防水等級低、能耗大、運行成本高、光質光周期不能調控等諸多問題。此外，熒光燈的廢棄會嚴重污染水源，一只節能燈的燈管平均含有0.5毫克的汞，破碎會至少污染180噸水，由于汞的沸點低，常溫下即可蒸發，破碎的節能燈管，瞬間可使車間潮濕空氣中的汞濃度超標上百倍。傳統氣體放電光源已經不適應綠色環保、節能減排及優化光參數的要求。

3 魚類眼睛生理

3.1 魚類眼睛結構功能

硬骨魚類有發達的眼睛，基本構造和高等脊椎動物的眼睛相似，但由于適應水中生活使其具有自身的特點。魚類眼球內層視網膜由感光視錐細胞和視桿細胞組成，大多數板鰓魚類的視網膜只有視桿細胞，即許多深海魚類完全沒有視錐細胞。少數魚類還有特化的“雙視錐細胞”。大多數魚類的瞳孔固定不變，球形水晶體和角膜相距很近，視角非常寬，位于頭部兩側的魚眼視角在平面是166－170度，在垂直面是150度。

3.2 魚類眼睛視覺能力

魚眼圓形水晶體導致魚類全部是近視眼，明視覺看清晰一米以內物體，遠處不會超過10－12米。

魚類視黃醛與其視蛋白組成的視覺色素吸收光譜為430－620nm，以視黃醛1為基礎形成的視覺色素稱為視紫紅質，以視黃醛2為基礎形成的視覺色素稱為視紫質。前者吸收光譜范圍為430nm－562nm，后者為570－620nm。如大西洋鮭魚是在海水與淡水之間進行洄游的魚類，具有二種視覺色素的混合物，而產卵場的鹽度是決定視覺色素的主要因素，即產卵場在淡水的洄游魚類，以視紫質為主;反之，產卵場在海水的洄游魚類以視紫紅質為主。某種魚類視覺色素吸收的光譜只占人眼吸收光譜的少量部分，不同波長的光對于吸收的效率與人眼的視覺效率是完全不同的。

4 人工光源的計量單位

4.1 人工光源的評價

人工光源在養殖設施應用中需要一個合理的評價標準，目前實踐中大多都是按照建筑照明的評價標準，采用按人的視覺效應評價的光照度進行度量，單位Lx(勒克斯)，這是在380nm－780nm的可見光范圍內，以對人眼視覺效應最強555nm波長光為基準，按人眼的視覺效應對不同波長的光區別計算進行度量的。但光度量范疇的照度光強單位用于工廠化魚類養殖的評價是不適宜的，評價光能轉化的效用應該從魚類生理行為的角度進行度量，在我們沒有搞清楚各種魚類對各種不同光色的感光靈敏度大小之前，形成不了魚類的光譜響應曲線，即魚類光度系統，所以目前用能量單位描述光輻射能的客觀輻射度量學為宜。輻射通量又稱輻射功率，是以輻射形式發射、傳播或接收的功率，單位為W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是輻射能隨時間的變化率。

4.2 輻射照度與光照度的換算

目前水產養殖企業均使用照度計來測量光照強度，顯示到照度計表頭的都是光通量單位勒克斯(Lx)，這在單一波長光色情況下可以用光照度單位比較光強大小，如果混合光色做實驗，光照度單位衡量出的大小是不合適的。實踐中需要輻射通量與光通量的轉換公式。實際上，輻射源所發射的能量往往由很多波長的單色輻射所組成。為了研究各種波長的輻射能量，還須對單一波長的輻射能量作相應的規定。光譜輻射量又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率。獲取光度系統與輻射度的轉化公式會對科研與生產管理提供極大的方便。

輻射通量又稱輻射功率，是以輻射形式發射、傳播或接收的功率，單位為W(瓦)，J/S(焦耳每秒)。它也是輻射能隨時間的變化率。

按人的視覺光譜敏感效率特性視見函數V(λ)來評價的輻射通量Φe，即為光通量Φv，

Km—比例系數，是波長555nm光譜光視效能，為683LmW

λ—波長，米

Φe(λ)—波長為λ的單色光的輻射功率，W。

在可視波長范圍內，

Φe(λ):單色光的輻射照度分布密度，單位W/m2

輻射照度與光照度之間的換算:

對于LED，在集中一個波長附近小范圍的可見光)中，V(λ)為一近似不變值，

則:Kev=KmV(λ)單位:lx/(W/m2)

5 水中光輻射照度度量

魚類的攝食是一種對光主動適應的內源性節律，不同類型的魚攝食與光照強度都有一定關系。研究表明在一定光強范圍內，魚類最為活躍，攝食率最高。Blaxter研究表明仔魚攝食的臨界光強是0.1lx，最適宜范圍是100－500lx。超過1000lx仔魚明顯出現受驚反應，甚至休克而死亡。光照強度對魚的激素分泌活動也有影響。Cook等研究結果在大于200lx的光照強度下，顯著的影響虹鱒魚血漿中的甲狀腺素的峰值。目前水產車間大多在每個池子上方布一盞燈，或在二排池子中間過道上方布一排燈。建筑設計照明光強計算方法有點光源的距離平方反比定律、線面光源、單位面積容量等照度計算公式。計算工具可用照度計、光譜光合照度計、DIALux等通用軟件。但要計算魚池某一深度的輻射照度，或用水下輻射照度計，或是用下面數學公式推導計算。

光在水中傳輸由于復雜的吸收與散射伴有強烈的衰減，

LED經過幾十年的進步，技術瓶頸不斷突破，性能指標迅速提高，尤其是光照輸出功率大，遮光體積小，必將為大面積水產養殖光照的主力光源。

6 水中光色變化

6.1 光線海水中傳播

研究魚類對那種波長的光譜敏感，就需要知道物種在長期進化中適應的光環境。比如長波長的光對寶藍鯛魚卵巢發育影響指數高，這是由于寶藍鯛魚生長環境是太平洋礁石淺水區，所以國外用人工紅光誘發刺激該種魚生殖內分泌激素。

海洋是一個復雜的物理、化學、生物系統，光在海水中傳播非常復雜。海水的吸收特性與海水的成分密切相關。海水成分主要包括水分子、無機溶解質及各種懸浮物在內的多種有機物。同時海水的吸收性還表現為較大的易變性，即同一水域不同深度、不同時間，其吸收性都隨時間和空間明顯變化。海水的散射非常復雜，包括水分子本身的瑞利散射和海水中懸浮粒子引起的米氏散射及透明物質折射引起的散射。光在水中傳播過程中，由于吸收和散射，其能量會損失殆盡。散射是水中無數個雜亂無章的界面對光多次的反射和折射引起的。每個光子的能量是普朗克常數，v是光子頻率，λ光子波長，c:光速。

基本能量單位只與輻射波的頻率有關，與頻率成正比，即與波長成反比。所以長波長的光在水中的穿滲透力小于短波長。

圖1 不同波長的光在海水穿透力及水深顏色圖 (圖片選自美國海洋與大氣局網站)Fig.1 Penetration of various light and the water color

從圖1我們看出淺海水色是白－淡綠－綠－藍綠，深海水色變化大致是:

海洋水深 (米)0－50 50－100 100－150 150－200顏色變化 白－淡藍 淡藍－藍 藍－深藍 深藍－暗藍

知道隨海水深度變化的光色，對在水產養殖車間設置何種波長的LED燈具裝置很有參考價值。海水中可見光色是藍色占主導地位，制訂研究方案中的光色可以參考養殖對象野生長期活動洄游的水層。

6.2 不同波長LED芯片材料

目前建筑設計功能性照明大多數是由LED藍光激發稀土熒光粉產生的白光，而LED工廠化水產業部分需要的是單色或幾種混色光源，主要需要的是以紅光為代表的長波長芯片，以藍光為代表的短波長芯片。砷 (As)、磷 (P)系化合物半導體GaAsP、AIGaAs、AIGaInP發紅、橙與黃光，目前以四元晶體AIGaInP發紅光效率最高為15～40Lm/W。氮 (N)系化合物InGaN發綠、藍光，InGaN發藍光效率為10～50Lm/W。

還可以通過調節穩定性好，發射光譜寬，亮度高的熒光粉配比得到水產養殖所需的多種長短波長光譜。如使用藍光LED芯片激發氮化物熒光粉形成紅光LED，得到比紅光LED芯片光譜更寬的紅光。黃色橙色與綠色波長可以用藍光LED芯片分別激發YAG鋁酸鹽、硅酸鹽熒光粉得到。

7 光周期調控

7.1 光周期對魚的影響

光周期調控在魚的繁殖及生活行為起著重要作用。遼寧海洋水產研究所對牙鲆魚的延長光照時間及配合提高水溫促進親魚提前1－5個月性腺成熟與產卵。Yadav等研究結果大于16克的金魚在恒黑條件下，其性腺發育被明顯抑制。鯉魚在性未成熟時，長光照能誘導排卵，當把其從長光照移到短光照條件下，性未成熟魚的卵巢出現退化現象，接近成熟的鯉魚長或短光照沒有此影響。長江大學阮國良等實驗結果長光照明顯促進黃鱔性腺發育，同時對其生長有抑制作用。這些與Bromage等提出的關于光周期對魚類性成熟的影響假定模型一致的。Witthey等對大西洋鱒的研究表明，標準代謝率在變化的光周期下比自然光周期的明顯低。這可能由于變化的光周期可能導致大西洋鱒的生理狀態變到冬季時刻表。

7.2 光周期調控手段

通過PWM占空比調節LED驅動電流，改變瞬間關閉會有效防止魚類的應急反應，增強福利化養魚效應。光周期控制可以光周期是一天范圍內的光照亮暗狀態，均可以自動變化。LED控制技術已經由最初單一恒流控制，發展到現在的可控硅調光、PWM調光、DMX512、DALI、ZigBee等協議調光。控制模式也由最早的線控技術發展到IR、FR、Wi－Fi短距離無線控制。控制器采用嵌入式結構，可以對光參數進行實時監測，通過互聯網將數據與遠程服務器進行通訊，系統可方便地實現任務調度。

8 光源系統設計

8.1 防水等級

水產養殖車間一般濕度達到90%以上，對燈具防水要求比較高。一般來說車間懸掛燈具，防護等級標準要達到IP65，如果為節能考慮燈具安裝到養殖魚池里面，IP等級至少達到IP67以上。

中科院半導體研究所與北京勇電歐格照明燈具有限公司共同設計提供給中科院海洋所在水池中光照實驗的LED燈具防護等級達到最高IP68，這種燈具的制作工藝是設計封裝后的LED與其它電子器件焊接后，將驅動電路或控制電路封裝在聚合物封裝體，一次成型的二次封裝技術，達到完全防水保護作用。

8.2 LED光源配光

水產養殖魚池有幼魚池、成魚池、親魚池等，多為水泥池或玻璃鋼水槽，形狀有圓形、長方形、八角形、長橢圓形、環道型等。水池面積一般為30－100m2，水深0.5m－1m。LED性能穩定、光色分布可調，但單顆外延芯片功率有限，市場上中、小功率芯片小于0.5瓦，即使大功率芯片也不超過5瓦，所以LED整燈需要或是多顆芯片陣列排布，或是COB規模集成封裝。傳統光源的反光罩配光方式不一定適合LED光源的發光方式，更主要的循環水工廠養魚池形狀大都是規則幾何形狀，所以LED配光的反光罩與透鏡要配合一起設計，采用高折射率的透鏡材料，既要被照水面光斑均勻，又要恰好覆蓋整個魚池以節約電能。

9 正交試驗設計

9.1 問題的提出

水產光照實驗中，需要同時考察光質、光強、光周期三因素三水平，最后確認哪種因素哪個水平比較重要，以便優先考慮加重設計。三因素三水平共有33=27次試驗。實際中27次的試驗規模較大，往往因現場條件的限制而難于實施。正交試驗設計就是安排多因素試驗、尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法，上述提出的問題用正交試驗法安排試驗只需要9次試驗。

9.2 正交試驗法應用

對試驗指標可能有影響的變量簡稱為因素，用A、B、C…表示，每個因素可能出的狀態稱為因素的水平，用1、2、3…表示。正交試驗 (表)法的特點:

(1)均衡分散性－代表性。

(2)整齊可比性－可以用數理統計方法對試驗結果處理。

山東東方海洋科技股份有限公司通過與中科院海洋所合作，從挪威引進20萬尾大西洋鮭魚苗，并成功地實現淡水孵化和海水培育。存在主要問題是成魚性腺指數偏高，商品魚重量少，經濟效益未能最大化。表1是從大西洋鮭魚降海后某一中間階段取得原始數據做出的其中一份正交試驗表。從表1中清楚得到影響性腺發育的因素是光周期＞光強＞光質，刺激性腺發育的最優光照結合是24L:OD、中光強、紅光。熟練應用正交試驗設計可以大大提高實驗效率。

表1 雄性大西洋鮭性成熟率正交試驗直觀分析表Table 1 Maturation rate analysis of male Atlantic salmon

(續表)

10 結論

封閉循環清潔水高密度水產養殖在短時間獲取巨大經濟效益的同時，也要付出因防疫治病使用抗生素藥物帶來水產食品藥物殘留品質降低的代價。用光照等物理方法調節魚類生長行為是今后工廠化養殖業技術進步、提高自身競爭力的可持續發展方向。用LED人工光源是一門涉及多學科，多系統的研究領域。國外傳統光源研究較早，使用LED光源相對較晚。從閱讀過有限文獻的來看，國外研究的方法不全面，不系統，得出的某些結論甚至相悖。目前國內逐漸認識到光因子的重要性，起步開始研究。國內LED自身的設計和制造在使用中還存在許多系統缺陷，如設計與制造標準不統一、制造工藝不可靠、驅動電源與芯片壽命不匹配、成本高于氣體放電燈等。因此研制水產專用LED單色或全彩芯片、數字化調控技術，改善封裝技術、散熱及其防護技術與裝備是目前迫切的工作。

光對魚類生理影響非常復雜，而且與溫度、季節及水質等因子交織一起。本文在封閉循環水養殖業LED光照方法方面做了基本性的分析，這只是光照調節魚類生長生殖行為的一個初步的探索，希望將來與同行共同努力，深入全面研究，使國內循環水養殖業長期科學健康的發展。

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